超大口径PCCP管道断丝修复后的监测效果分析

刘冬雨，郭子玉，冯萃敏，冉强三，张 炯

(1.北京建筑大学北京未来城市设计高精尖创新中心，北京 100044；2.北京市南水北调大宁管理处，北京 100195；3.北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京 100082)

0 引 言

预应力钢筒混凝土管(PCCP)于1942年在美国首次应用于实际工程中，随后，PCCP管道凭借着其性能良好、抗震性和抗压性强、运行费用低等特点迅速占领了大口径压力输水管道市场。20世纪80年代，随着国内一些生产厂商试制PCCP或引进PCCP生产线，PCCP管道在我国进入了快速发展阶段，目前，PCCP管道已经广泛应用于国内大型长距离输水调水工程中[1-3]。

PCCP管道长时间运行后，受到多种因素影响，预应力钢丝会出现断裂，随着使用时间的增加，断丝数量会进一步增多，所在部位管道强度将下降，管体结构损伤会不断加剧，将会导致其结构破坏甚至发生爆管事故。PCCP爆管具有突发性、灾难性，事先没有征兆。超大口径PCCP爆管发生，不仅带来城市供水中断，还会引起交通、环境、卫生等公共安全事故[4-7]。北美地区最早出现的PCCP破坏事件发生在1955年，在20世纪80年代更多的PCCP破坏引起了权属单位的注意[8]。国外PCCP工程事故统计表明，预应力钢丝断裂而引发PCCP爆管是其主要的事故模式，而断丝往往是PCCP爆管的前兆[9-12]。

目前，PCCP管道在我国已经应用了30 a左右时间，不仅在使用过程中初步建立了自己的相关规范，也针对PCCP管道运行时产生的钢丝断裂的现象有了一定研究和一些有参考价值的结论。但是，由于我国使用的PCCP引起的破坏事件较少，并且鲜有公开报道的PCCP破坏案例，针对PCCP管道断丝的修复更新、补强加固措施的研究尚不成熟，基本处于空白阶段[13,14]。

随着PCCP管道在我国的应用日渐增多，避免管道运行安全的隐患已经纳入运行管理单位的日常工作中。开展针对PCCP管道断丝数量对运行安全的影响评价，根据工程实际、周边环境等因素，研究高效便于实施的断丝补强加固措施，显得十分必要和紧迫[13]。

因此，本文紧密结合国内首次使用的超大口径PCCP管道工程，针对工程中出现的局部区域钢丝断裂数量较多的问题进行分析研究，提出断丝修复方案，确定加固范围及时间，分析断丝修复后的钢丝断裂情况，探讨预应力钢丝修复的方式，并对修复方式进行监测与评估，为管线维护与安全输水提供理论与技术参考。

1 工程管道断丝状况概述

本工程是国内某个运行10 a的超大口径PCCP输水工程，某年对PCCP管道进行了历时3个月的停水检修，完成了全线PCCP管道的人工普查和断丝专项检测。其中工程左1发现断丝管节32处，断丝数量约100根，分布在左一管道1.6 m至5.0 m处。另外，工程右2发现断丝管节56处，断丝数量共计55根，分别为右2管道2.7 m处35根，右2管道3.6 m处20根。各断丝管道具体断丝位置见表1。

表1 断丝管道参数Tab.1 Parameters of broken pipe

2处断丝管道的工作压力均为0.4 MPa，钢丝缠丝层数2层，管芯混凝土厚度280 mm，混凝土标号C50，设计覆土为5 m，实际管顶覆土分别为3.47 m、3.25 m。管道所处环境地下水和地表水对结构腐蚀情况见表2。

表2 管道沿线地下水和地表水对管道的腐蚀性评价 mg/LTab.2 Corrosivity of Underground water and surface water along the pipeline

由表2可知，本区域周边的地下水、地表水对混凝土及预应力钢丝均无腐蚀性，但是对PCCP均具有弱腐蚀性，同时存在地下水浸没管道的现象，土壤的pH值对PCCP不具腐蚀性，氯离子浓度稍高对PCCP具弱腐蚀性，硫酸根离子浓度对PCCP不具腐蚀性[15]。

2 断丝修复方法

钢丝出现断裂，所在部位管道强度下降。自某年通水以来，除了短暂的静水压试验外，其余时间均为重力流输水，工作内压远未达到设计内压。如果进一步发展，且当泵站启用后，同一部位可能将出现更多断丝，管道强度显著降低，最终可能导致爆管。国外PCCP工程事故统计表明，预应力钢丝断裂而引发PCCP爆管是其主要的事故模式，断丝往往是PCCP爆管的前兆。

据资料显示，目前国内工程中针对PCCP修复技术的相关文献多为局部修复、非结构性修复，这些修复技术只能起到临时性的保护作用，不能解决如预应力钢丝腐蚀、钢筒腐蚀、PCCP爆管、砂浆保护层和内衬砂浆裂缝等问题[1]。

国外关于PCCP修复的相关文献[13,16-20]表明，常用PCCP断丝修复加固补强的方法有：外部后张预应力法、管线替换法、外包混凝土法、外部黏贴纤维增强复合材料法、内部黏贴碳纤维增强复合材料补强加固法、内衬钢板或FRP法以及滑动内衬高密度聚乙烯补强加固法。常用断丝修复加固补强方法的特点见表3。

表3 补强加固方法比较Tab.3 Comparison of reinforcement methods

根据表3及本工程自身特点，选择采用表3中第5行所示的不开挖方式对存在断丝的管节进行修复补强加固，即对整个PCCP管节采用黏贴碳纤维布进行加固修复，并使用碳纤维片材、配套树脂类黏结材料及表面刮聚脲涂层封闭处理。同时对管道划定保护区域进行保护，并在管道周边布置土体变形及地下水位等监测设施，在保护期内监测管道附近地下水位及管顶部位沉降变形，掌握管道断丝区域的工程状态，对可能出现的工程异常情况及时预警，减少工程运行风险。

3 断丝修复后的监测

为了监测管道断丝区域及周边环境状况，掌握断丝区域所在管道的运行状态及环境条件变化，在断丝区域周边新增布置地下水位测点、土体变形测点、实时断丝监测系统，对管道断丝区域附近地下水位、管顶部位沉降变形和管道断丝保护状态等进行监测，以掌握断丝区域的工程状态，对可能出现的工程异常情况及时预警，最大限度减少工程运行风险。

3.1 地下水位监测

管线两侧地下水位监测是PCCP工程现有监测设施中仅有的可反映管线渗漏的监测手段，通过测压管或渗压计监测管道两侧地下水位状况，在一定程度上是可以反映管道是否发生明显渗漏的。管道断丝区域的上下游各布置地下水位测点1处，测点布置于管底附近，监测管底附近土体地下水位变化。管侧以外10 m附近设置检测点1处，与管道处地下水位变幅对比观测。正常通水工况下每天测试1次，预警值为：地下水位上升速度超过0.5 m/d，上升总量超过1 m。

3.2 土体变形监测

管道断丝处设置3处变形观测断面，分别位于管道上下游接缝部位和管道中部；每处监测断面分别在缺陷管管顶上方1 m处及管道双侧2 m处，设置土体深层沉降测点，并在管侧外10 m附近基点2处设置对照监测点，与管道处沉降变化对比观测，正常通水工况下每周测试1次，预警值为：累计变形超过5 mm或沉降速度超过2 mm/d。

3.3 断丝实时监测

为了实时掌握工程运行状态，工程采用基于光纤传感器及光学数据采集系统的光纤声监测系统，它主要由光纤传感器、数据采集系统和远程数据处理系统组成[16-18]。

光纤声监测系统的工作原理是，光纤传感器的激光器发射出光束在纤维中传播，在正常情况下，管道中仅有环境噪声，反射回来的光波基本不变，数据采集系统接收到的信号没有明显动态成分。当管道中的钢丝发生断裂时，应变能量突然释放，产生压缩波在管道中传播。压缩波作用在光纤传感器上，动态光波则会反射到数据采集系统，此种光波中的数据可解译为声事件的特性。声音的频率、振幅、衰减特性以及其他的重要参数都可用来及时确定断丝数量，定位断丝位置[19,20]。

光纤声监测系统可以连续、自动监测PCCP管道的断丝时刻、位置和断丝数量，断丝数量监测精度可达1根，断丝位置监测精度可达1倍管径，实现实时断丝监测。

4 断丝修复效果

4.1 地下水位

左1及右2这2个保护区域的地下水位监测数据显示，PCCP管道断丝区域周边测压管中渗压计测值呈季节性变化，与PCCP管道运行工况无显著相关，PCCP管道断丝区域临近测点与对照测点地下水位变化趋势一致，测压管水位变化应为正常地下水位动态变化的反映。

监测保护期内，某日暴雨对左1断面及右2断面测压管水位影响显著，左1断面及右2断面测压管水位于当日上午出现明显增长，于第3 d凌晨出现最高水位，期间各测点水位涨幅均超过2.50 m，其中右2断面的1只测压管水位涨幅为3.97 m。后期左1断面及右2断面测压管水位变化总体趋稳，但仍维持较高水位。PCCP管道断丝区域周边测压管水位测值状况见表4。 测压管水位测值过程线见图1、图2。

表4 PCCP管道断丝区域周边地下水位特征值统计 mTab.4 Characteristic value statistics of groundwater level around the broken wire area of PCCP pipeline

图1 左1断面地下水位测值过程线Fig.1 The measuring process line of underground water level in the left section 1

图2 右2断面地下水位测值过程线Fig.2 The measuring process line of ground water level in the right section 2

由表4、图1、图2可知，左1断面当期内地下水位测值范围为45.20～48.80 m，期内变幅约2.7～3.6 m。右2断面期内地下水位测值范围为40.18～44.48 m，期内变幅约3.6～4.3 m。目前，左1断面测压管水位高于PCCP管顶0.8～1.3 m，地下水埋深1.6～2.1 m。右2断面测压管水位超过PCCP管顶约0.5 m，地下水埋深约3.5 m。

由此可知，本次暴雨导致管道周围的地下水位变化幅度较大，已经超出预警值范围。由于地下水位升降会造成土壤干湿交替，增加土壤孔隙水中氯离子含量，氯离子可以穿过管道外层砂浆毛细孔到达钢丝表面，破坏钝化膜产生钢丝活化腐蚀，预应力钢丝暴露在侵蚀性环境中[15]，随着侵蚀的进一步发展，容易造成钢丝断裂[21]。本次暴雨后的数月内，对本区域的断丝监测增加了监测频次，未发现新增的断丝状况。

4.2 管道上方土体沉降变形

左1及右2这2个保护区域各布置12个沉降测点，用于监测PCCP管道断丝区域上部土体沉降变形情况，共布置沉降测点24个，另于各保护区布置沉降观测工作基点2个，共4个。

完成沉降观测工作基点设置工作后，开始进行断丝范围较大管道上部土体沉降变形观测工作。

沉降观测数据表明，自建立沉降观测以来，左1及右2断面各沉降测点未出现明显趋势性变形。PCCP管道断丝区域各沉降测点累计沉降量过程线见图3、图4。

图3 左1断面PCCP管道顶部土体累计沉降量测值过程线Fig.3 The process line of accumulated settlement measurement for the topsoil of PCCP pipe in left 1 section

图4 右2断面PCCP管道顶部土体累计沉降量测值过程线Fig.4 The process line of accumulated settlement measurement of soil mass on the top of PCCP pipe in right 2 section

由图3、图4可知，建立沉降观测以来，左1及右2断面各沉降测点未出现明显趋势性变形，PCCP管道断丝区域周边上部土体沉降变形测值指标低于警戒值。

由于土体沉降观测工作基点要求相对稳定，因此大部分工作基点位于管线开挖回填区域(管线保护区域)外，管理保护十分困难。目前已有部分沉降观测基点被管线周边堆填物掩埋，或因管线外侧取土开挖造成工作基点破坏，因此对于现有沉降观测工作基点的保护应引起重视。

4.3 修复后的断丝

本工程区域自完成断丝修复补强加固施工后，经过2 a的断丝实时监测数据显示，本区域未监测到新增加断丝，本区域上下游共计150 m范围内，仅有3处管节新增加1根断丝。与修复前(2处断丝范围较大管道：左1管道断丝管节32处，断丝数量约100根；右2断丝管节56处，断丝数量共55根)相比，本区域未出现新增断丝，且临近区域新增的断丝数量显著减少，断丝增加趋势被遏制。

由此数据可知，管内黏贴碳纤维的加固方式可有效地对断丝管道结构补强，起到遏制断丝管结构进一步恶化的趋势。

5 结论与建议

管道钢丝的断裂是在多种因素的综合作用下发生的，这些因素包括水压较高、水压变化较大、冬季温度变化、管道施工及安装质量、管道腐蚀与防护技术、外部荷载条件等。

(1)采取黏贴碳纤维布作为临时安全保障措施。管道补强加固后，通过多年的工程监测数据显示，管内黏贴碳纤维的加固方式可以有效地对断丝管节结构补强，起到遏制断丝管节结构进一步恶化的作用。

(2)监测资料显示，管道补强加固后，断丝区域周边测压管中渗压计的显示值呈季节性变化特征，与PCCP管道运行工况无显著相关，PCCP管道断丝区域临近测点与对照测点地下水位变化趋势一致。

(3)监测资料显示，管道补强加固后，断丝区域各沉降测点2 a内未出现明显趋势性变形，PCCP管道断丝区域周边上部土体沉降变形测值指标低于警戒值。

(4)利用光纤声监测系统可以连续、自动监测出PCCP管道钢丝的断裂时刻、位置和断丝数量，可以及时掌握工程状态，获取工程安全相关信息，从而采取应对措施保证工程安全运行。