超大口徑PCCP管道斷絲修復后的監測效果分析

劉冬雨，郭子玉，馮萃敏，冉強三，張 炯

(1.北京建筑大學北京未來城市設計高精尖創新中心，北京 100044；2.北京市南水北調大寧管理處，北京 100195；3.北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京 100082)

0 引 言

預應力鋼筒混凝土管(PCCP)于1942年在美國首次應用于實際工程中，隨后，PCCP管道憑借著其性能良好、抗震性和抗壓性強、運行費用低等特點迅速占領了大口徑壓力輸水管道市場。20世紀80年代，隨著國內一些生產廠商試制PCCP或引進PCCP生產線，PCCP管道在我國進入了快速發展階段，目前，PCCP管道已經廣泛應用于國內大型長距離輸水調水工程中[1-3]。

PCCP管道長時間運行后，受到多種因素影響，預應力鋼絲會出現斷裂，隨著使用時間的增加，斷絲數量會進一步增多，所在部位管道強度將下降，管體結構損傷會不斷加劇，將會導致其結構破壞甚至發生爆管事故。PCCP爆管具有突發性、災難性，事先沒有征兆。超大口徑PCCP爆管發生，不僅帶來城市供水中斷，還會引起交通、環境、衛生等公共安全事故[4-7]。北美地區最早出現的PCCP破壞事件發生在1955年，在20世紀80年代更多的PCCP破壞引起了權屬單位的注意[8]。國外PCCP工程事故統計表明，預應力鋼絲斷裂而引發PCCP爆管是其主要的事故模式，而斷絲往往是PCCP爆管的前兆[9-12]。

目前，PCCP管道在我國已經應用了30 a左右時間，不僅在使用過程中初步建立了自己的相關規范，也針對PCCP管道運行時產生的鋼絲斷裂的現象有了一定研究和一些有參考價值的結論。但是，由于我國使用的PCCP引起的破壞事件較少，并且鮮有公開報道的PCCP破壞案例，針對PCCP管道斷絲的修復更新、補強加固措施的研究尚不成熟，基本處于空白階段[13,14]。

隨著PCCP管道在我國的應用日漸增多，避免管道運行安全的隱患已經納入運行管理單位的日常工作中。開展針對PCCP管道斷絲數量對運行安全的影響評價，根據工程實際、周邊環境等因素，研究高效便于實施的斷絲補強加固措施，顯得十分必要和緊迫[13]。

因此，本文緊密結合國內首次使用的超大口徑PCCP管道工程，針對工程中出現的局部區域鋼絲斷裂數量較多的問題進行分析研究，提出斷絲修復方案，確定加固范圍及時間，分析斷絲修復后的鋼絲斷裂情況，探討預應力鋼絲修復的方式，并對修復方式進行監測與評估，為管線維護與安全輸水提供理論與技術參考。

1 工程管道斷絲狀況概述

本工程是國內某個運行10 a的超大口徑PCCP輸水工程，某年對PCCP管道進行了歷時3個月的停水檢修，完成了全線PCCP管道的人工普查和斷絲專項檢測。其中工程左1發現斷絲管節32處，斷絲數量約100根，分布在左一管道1.6 m至5.0 m處。另外，工程右2發現斷絲管節56處，斷絲數量共計55根，分別為右2管道2.7 m處35根，右2管道3.6 m處20根。各斷絲管道具體斷絲位置見表1。

表1 斷絲管道參數Tab.1 Parameters of broken pipe

2處斷絲管道的工作壓力均為0.4 MPa，鋼絲纏絲層數2層，管芯混凝土厚度280 mm，混凝土標號C50，設計覆土為5 m，實際管頂覆土分別為3.47 m、3.25 m。管道所處環境地下水和地表水對結構腐蝕情況見表2。

表2 管道沿線地下水和地表水對管道的腐蝕性評價 mg/LTab.2 Corrosivity of Underground water and surface water along the pipeline

由表2可知，本區域周邊的地下水、地表水對混凝土及預應力鋼絲均無腐蝕性，但是對PCCP均具有弱腐蝕性，同時存在地下水浸沒管道的現象，土壤的pH值對PCCP不具腐蝕性，氯離子濃度稍高對PCCP具弱腐蝕性，硫酸根離子濃度對PCCP不具腐蝕性[15]。

2 斷絲修復方法

鋼絲出現斷裂，所在部位管道強度下降。自某年通水以來，除了短暫的靜水壓試驗外，其余時間均為重力流輸水，工作內壓遠未達到設計內壓。如果進一步發展，且當泵站啟用后，同一部位可能將出現更多斷絲，管道強度顯著降低，最終可能導致爆管。國外PCCP工程事故統計表明，預應力鋼絲斷裂而引發PCCP爆管是其主要的事故模式，斷絲往往是PCCP爆管的前兆。

據資料顯示，目前國內工程中針對PCCP修復技術的相關文獻多為局部修復、非結構性修復，這些修復技術只能起到臨時性的保護作用，不能解決如預應力鋼絲腐蝕、鋼筒腐蝕、PCCP爆管、砂漿保護層和內襯砂漿裂縫等問題[1]。

國外關于PCCP修復的相關文獻[13,16-20]表明，常用PCCP斷絲修復加固補強的方法有：外部后張預應力法、管線替換法、外包混凝土法、外部黏貼纖維增強復合材料法、內部黏貼碳纖維增強復合材料補強加固法、內襯鋼板或FRP法以及滑動內襯高密度聚乙烯補強加固法。常用斷絲修復加固補強方法的特點見表3。

表3 補強加固方法比較Tab.3 Comparison of reinforcement methods

根據表3及本工程自身特點，選擇采用表3中第5行所示的不開挖方式對存在斷絲的管節進行修復補強加固，即對整個PCCP管節采用黏貼碳纖維布進行加固修復，并使用碳纖維片材、配套樹脂類黏結材料及表面刮聚脲涂層封閉處理。同時對管道劃定保護區域進行保護，并在管道周邊布置土體變形及地下水位等監測設施，在保護期內監測管道附近地下水位及管頂部位沉降變形，掌握管道斷絲區域的工程狀態，對可能出現的工程異常情況及時預警，減少工程運行風險。

3 斷絲修復后的監測

為了監測管道斷絲區域及周邊環境狀況，掌握斷絲區域所在管道的運行狀態及環境條件變化，在斷絲區域周邊新增布置地下水位測點、土體變形測點、實時斷絲監測系統，對管道斷絲區域附近地下水位、管頂部位沉降變形和管道斷絲保護狀態等進行監測，以掌握斷絲區域的工程狀態，對可能出現的工程異常情況及時預警，最大限度減少工程運行風險。

3.1 地下水位監測

管線兩側地下水位監測是PCCP工程現有監測設施中僅有的可反映管線滲漏的監測手段，通過測壓管或滲壓計監測管道兩側地下水位狀況，在一定程度上是可以反映管道是否發生明顯滲漏的。管道斷絲區域的上下游各布置地下水位測點1處，測點布置于管底附近，監測管底附近土體地下水位變化。管側以外10 m附近設置檢測點1處，與管道處地下水位變幅對比觀測。正常通水工況下每天測試1次，預警值為：地下水位上升速度超過0.5 m/d，上升總量超過1 m。

3.2 土體變形監測

管道斷絲處設置3處變形觀測斷面，分別位于管道上下游接縫部位和管道中部；每處監測斷面分別在缺陷管管頂上方1 m處及管道雙側2 m處，設置土體深層沉降測點，并在管側外10 m附近基點2處設置對照監測點，與管道處沉降變化對比觀測，正常通水工況下每周測試1次，預警值為：累計變形超過5 mm或沉降速度超過2 mm/d。

3.3 斷絲實時監測

為了實時掌握工程運行狀態，工程采用基于光纖傳感器及光學數據采集系統的光纖聲監測系統，它主要由光纖傳感器、數據采集系統和遠程數據處理系統組成[16-18]。

光纖聲監測系統的工作原理是，光纖傳感器的激光器發射出光束在纖維中傳播，在正常情況下，管道中僅有環境噪聲，反射回來的光波基本不變，數據采集系統接收到的信號沒有明顯動態成分。當管道中的鋼絲發生斷裂時，應變能量突然釋放，產生壓縮波在管道中傳播。壓縮波作用在光纖傳感器上，動態光波則會反射到數據采集系統，此種光波中的數據可解譯為聲事件的特性。聲音的頻率、振幅、衰減特性以及其他的重要參數都可用來及時確定斷絲數量，定位斷絲位置[19,20]。

光纖聲監測系統可以連續、自動監測PCCP管道的斷絲時刻、位置和斷絲數量，斷絲數量監測精度可達1根，斷絲位置監測精度可達1倍管徑，實現實時斷絲監測。

4 斷絲修復效果

4.1 地下水位

左1及右2這2個保護區域的地下水位監測數據顯示，PCCP管道斷絲區域周邊測壓管中滲壓計測值呈季節性變化，與PCCP管道運行工況無顯著相關，PCCP管道斷絲區域臨近測點與對照測點地下水位變化趨勢一致，測壓管水位變化應為正常地下水位動態變化的反映。

監測保護期內，某日暴雨對左1斷面及右2斷面測壓管水位影響顯著，左1斷面及右2斷面測壓管水位于當日上午出現明顯增長，于第3 d凌晨出現最高水位，期間各測點水位漲幅均超過2.50 m，其中右2斷面的1只測壓管水位漲幅為3.97 m。后期左1斷面及右2斷面測壓管水位變化總體趨穩，但仍維持較高水位。PCCP管道斷絲區域周邊測壓管水位測值狀況見表4。 測壓管水位測值過程線見圖1、圖2。

表4 PCCP管道斷絲區域周邊地下水位特征值統計 mTab.4 Characteristic value statistics of groundwater level around the broken wire area of PCCP pipeline

圖1 左1斷面地下水位測值過程線Fig.1 The measuring process line of underground water level in the left section 1

圖2 右2斷面地下水位測值過程線Fig.2 The measuring process line of ground water level in the right section 2

由表4、圖1、圖2可知，左1斷面當期內地下水位測值范圍為45.20～48.80 m，期內變幅約2.7～3.6 m。右2斷面期內地下水位測值范圍為40.18～44.48 m，期內變幅約3.6～4.3 m。目前，左1斷面測壓管水位高于PCCP管頂0.8～1.3 m，地下水埋深1.6～2.1 m。右2斷面測壓管水位超過PCCP管頂約0.5 m，地下水埋深約3.5 m。

由此可知，本次暴雨導致管道周圍的地下水位變化幅度較大，已經超出預警值范圍。由于地下水位升降會造成土壤干濕交替，增加土壤孔隙水中氯離子含量，氯離子可以穿過管道外層砂漿毛細孔到達鋼絲表面，破壞鈍化膜產生鋼絲活化腐蝕，預應力鋼絲暴露在侵蝕性環境中[15]，隨著侵蝕的進一步發展，容易造成鋼絲斷裂[21]。本次暴雨后的數月內，對本區域的斷絲監測增加了監測頻次，未發現新增的斷絲狀況。

4.2 管道上方土體沉降變形

左1及右2這2個保護區域各布置12個沉降測點，用于監測PCCP管道斷絲區域上部土體沉降變形情況，共布置沉降測點24個，另于各保護區布置沉降觀測工作基點2個，共4個。

完成沉降觀測工作基點設置工作后，開始進行斷絲范圍較大管道上部土體沉降變形觀測工作。

沉降觀測數據表明，自建立沉降觀測以來，左1及右2斷面各沉降測點未出現明顯趨勢性變形。PCCP管道斷絲區域各沉降測點累計沉降量過程線見圖3、圖4。

圖3 左1斷面PCCP管道頂部土體累計沉降量測值過程線Fig.3 The process line of accumulated settlement measurement for the topsoil of PCCP pipe in left 1 section

圖4 右2斷面PCCP管道頂部土體累計沉降量測值過程線Fig.4 The process line of accumulated settlement measurement of soil mass on the top of PCCP pipe in right 2 section

由圖3、圖4可知，建立沉降觀測以來，左1及右2斷面各沉降測點未出現明顯趨勢性變形，PCCP管道斷絲區域周邊上部土體沉降變形測值指標低于警戒值。

由于土體沉降觀測工作基點要求相對穩定，因此大部分工作基點位于管線開挖回填區域(管線保護區域)外，管理保護十分困難。目前已有部分沉降觀測基點被管線周邊堆填物掩埋，或因管線外側取土開挖造成工作基點破壞，因此對于現有沉降觀測工作基點的保護應引起重視。

4.3 修復后的斷絲

本工程區域自完成斷絲修復補強加固施工后，經過2 a的斷絲實時監測數據顯示，本區域未監測到新增加斷絲，本區域上下游共計150 m范圍內，僅有3處管節新增加1根斷絲。與修復前(2處斷絲范圍較大管道：左1管道斷絲管節32處，斷絲數量約100根；右2斷絲管節56處，斷絲數量共55根)相比，本區域未出現新增斷絲，且臨近區域新增的斷絲數量顯著減少，斷絲增加趨勢被遏制。

由此數據可知，管內黏貼碳纖維的加固方式可有效地對斷絲管道結構補強，起到遏制斷絲管結構進一步惡化的趨勢。

5 結論與建議

管道鋼絲的斷裂是在多種因素的綜合作用下發生的，這些因素包括水壓較高、水壓變化較大、冬季溫度變化、管道施工及安裝質量、管道腐蝕與防護技術、外部荷載條件等。

(1)采取黏貼碳纖維布作為臨時安全保障措施。管道補強加固后，通過多年的工程監測數據顯示，管內黏貼碳纖維的加固方式可以有效地對斷絲管節結構補強，起到遏制斷絲管節結構進一步惡化的作用。

(2)監測資料顯示，管道補強加固后，斷絲區域周邊測壓管中滲壓計的顯示值呈季節性變化特征，與PCCP管道運行工況無顯著相關，PCCP管道斷絲區域臨近測點與對照測點地下水位變化趨勢一致。

(3)監測資料顯示，管道補強加固后，斷絲區域各沉降測點2 a內未出現明顯趨勢性變形，PCCP管道斷絲區域周邊上部土體沉降變形測值指標低于警戒值。

(4)利用光纖聲監測系統可以連續、自動監測出PCCP管道鋼絲的斷裂時刻、位置和斷絲數量，可以及時掌握工程狀態，獲取工程安全相關信息，從而采取應對措施保證工程安全運行。