預應力鋼筒混凝土管（PCCP）研究進展

孫岳陽　胡少偉　胡登興　黃逸群　王洋

摘要：預應力鋼筒混凝土管（PCCP）因其高強度、高抗滲性、高密封性、耐久性好和維護費用低等優點，已經是長距離輸調水工程中的首選管材。但是隨著使用年限的增加，會出現斷絲、滲漏、爆管等風險，一旦發生事故，直接威脅城市供水安全，也會造成巨大的經濟損失和社會負面影響。為了更好地促進PCCP技術創新與進步，從結構設計與分析方法、試驗方法、安全影響評價、健康監測檢測與除險加固、BCCP的研發與使用等5個方面綜述了國內外學者對PCCP的研究進展，并針對預應力高強鋼絲、砂漿保護層、管身防龜裂老化、管芯混凝土的澆筑方式、全壽命智能監測平臺、生產技術水平等方面進行了研究展望，以期促進PCCP技術進步與行業的健康發展。

關 鍵 詞：PCCP； BCCP； 結構設計； 安全評價； 除險加固

中圖法分類號： TV68 文獻標志碼： A DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.06.023

0 引 言

預應力鋼筒混凝土管（Prestressed Concrete Cylinder Pipe，PCCP）誕生于1893年，歷經多次升級改進［1］，其中最重要的兩次升級發生在1939年和1942年。1939年，Bonna管道公司首次將預應力混凝土技術應用到輸水管道中；1942年，美國Look Joint公司首次將鋼筒應用在混凝土管道中，才有了現如今在全世界大規模使用的PCCP，其結構如圖1所示。在帶鋼筒的混凝土管芯外纏繞預應力鋼絲，使得管芯受到一個初始的預壓應力，充分發揮混凝土受壓和鋼筋受拉的材料優勢，從而抵消實際運行過程中的部分內水壓力。纏絲完成后最后輥射砂漿保護層，保護預應力鋼絲免遭腐蝕。

中國PCCP的研究和使用起步較晚。1989年，山東電力管道工程公司從美國引進PCCP核心技術和設備，自此拉開了國內使用PCCP的序幕。1990年，該公司生產出中國第一批管徑為2.6 m的埋置式PCCP。30多年來，從山西萬家寨引黃工程到哈爾濱磨盤山輸水工程；從南水北調工程到遼寧大伙房水庫輸水工程；從廣州西江引水工程到遼寧省重點輸水工程等一系列重點工程中擔綱的管材都是PCCP［2］。僅僅30 a，兩萬多千米的PCCP打造了中國大江大河引水的超級管網。時至今日，全國除西藏自治區以外，各省、直轄市、自治區都有使用PCCP的重點工程實例，其中十大經典工程實例見表1。中國已成為全球PCCP生產與使用最多的國家。目前國內生產PCCP的廠家多達40多家，生產線數量超百條，生產的管徑最大達4 m，最大工壓可達3.0 MPa，最大覆土深度可達20 m，不斷創造著最長里程、最大工壓、最大管徑等PCCP的中國之最、亞洲之最、世界之最，在全世界PCCP管道工程中樹起了中國品牌。

在“十四五”新發展格局中，國家實施科技強國戰略、制造強國戰略、交通強國戰略、區域協調發展戰略。在以“兩新一重”（新型基礎設施建設，新型城鎮化建設，交通、水利等重大工程建設）為標志的龐大基礎設施體系建設項目中，對水資源的調配都離不開管道輸送，PCCP具備的大口徑并能夠承受高工壓、高覆土、使用年限長久等優點使其在輸水項目、水資源配置項目各種管材中處于優勢地位，因此PCCP在國內也逐步進入黃金時期。

但是在長期使用過程中，PCCP也暴露出一些問題，例如斷絲甚至出現爆管現象。為此，本文依據收集的國內外相關研究資料，結合國內外關于PCCP結構設計與分析方法、試驗方法、安全影響評價、健康監測檢測以及除險加固等研究成果，總結了PCCP的相關研究，并進行了展望，以為PCCP行業的發展提供方向。

1 PCCP研究進展

1.1 結構設計與分析方法

PCCP結構設計指分析其在各種外力，包括土荷載、活荷載、內水壓力、流體自重以及管體自重等作用下各組分的應力、應變分布和管體整體的受載響應規律。最早采用的是半經驗的工作應力法，該方法是基于完全預應力理論的無拉應力準則進行結構計算，計算方便快捷。美國供水工程協會（American Water Works Association，簡稱AWWA）在早期制定的AWWA C301 Prestressed Concrete Pressure Pipe，Steel-Cylinder Type［3］規范中推薦使用該方法。該方法保證了PCCP管芯在內、外荷載作用下所產生的應力在預壓應力范圍內，安全系數較高，但往往會造成鋼筋和混凝土用量的浪費，且容易導致局部混凝土受壓應力過大，甚至存在被壓潰的風險。

隨后，1989～1993年，學者ZARGHAMEE等［4］提出了采用分層模型法計算PCCP在內、外荷載作用下的受力響應，并設計了大量原型管試驗來驗證此模型。將PCCP管壁根據材料分成若干層，假設各層之間是完全接觸的，然后根據各層材料相應的本構模型計算內、外荷載作用下各層結構的應力應變分布。該方法可以得到各種材料都處于彈性階段時的受力情況，但一旦某層材料進入塑性開始失效，截面應力發生重分布，模型計算結果則與實際誤差較大。

經過大量工程實踐，美國供水工程協會基于C301完全預應力理論進行改進，提出了基于部分預應力理論的極限狀態計算法，并將該方法編入了AWWA C304 Design of Prestressed Concrete Cylinder Pipe［5］規范中。以變形控制為設計準則，允許PCCP在某些荷載組合工況下出現可以控制的裂縫，考慮工作、彈性和強度3種極限狀態，選擇管頂、管底和管腰作為關鍵截面，逐一計算各種荷載組合工況下的PCCP截面應力應變分布，將計算的結果與3種極限狀態下的判定準則進行驗證。中國水利部行業標準SL702-2015《預應力鋼筒混凝土管道技術規范》［6］也參考此方法來設計PCCP。

除了以上幾種結構設計方法，中國自主編制了預應力管道的通用設計標準——CECS140-2011《給水排水工程埋地預應力混凝土管和預應力鋼筒混凝土管管道結構設計規程》［7］，該標準考慮正常使用極限狀態和承載能力極限狀態兩種極限狀態，以可靠度指標來衡量管道結構的可靠性。

隨著有限元計算理論的發展，越來越多的學者使用各種有限元軟件，即數值計算方法，來進行PCCP結構受力分析，經歷了從二維到三維，線性到非線性的發展。學者ZARGHAMEE等［8］在2003年通過建立PCCP 三維計算模型，研究了斷絲PCCP在內、外壓共同作用下的破壞特點和斷絲對PCCP結構失效的風險分析。2010年，Xiong等［9］建立了超大口徑PCCP纏絲模型，考慮了鋼絲剛度對管道整體剛度的貢獻，實現了預應力鋼絲的動態仿真模擬。2011年，胡少偉等［10］以南水北調中線工程為背景，進行PCCP斷絲原型試驗，基于斷絲PCCP外壓試驗結果，建立PCCP三維數值計算模型，研究了斷絲數量對超大口徑PCCP承載性能的影響規律。2021年，黃智剛等［11］通過三維有限元模擬研究了裂縫長度、貫穿性裂縫和非貫穿性裂縫對PCCP管體承載能力的影響規律，為預存裂縫的PCCP管道在實際工程中應用提供安全性方面的理論支撐。

1.2 試驗方法

國內外學者除了對PCCP結構設計方法和計算分析方法進行了大量的研究，還開展了大量的原位試驗，揭示了PCCP的力學響應規律和破壞機理。美國供水工程協會規范AWWA M9 Concerete pressure pipe［12］中給出了PCCP型式檢驗的壓力試驗方法，明確規定成品管出廠前需進行抗裂內壓和抗裂外壓試驗檢測，要求在根據規范計算出的內水壓和外壓作用下，PCCP成品管需滿足各項控制開裂的標準。

國內進行PCCP原型試驗研究相對較晚。2009年，胡少偉［10］對南水北調工程超大口徑PCCP進行了內、外壓現場原型試驗，揭示了大口徑PCCP內、外荷載作用下的破壞規律和承載機理，給出了已有裂縫PCCP的安全評估方法。2018年，竇鐵生［13-14］在PCCP承受內、外壓試驗中首次采用BOTDA和FBG光纖傳感技術，得到了PCCP內、外壓加載過程中鋼筒、管芯、鋼絲和保護層的應變響應，揭示了各部位的受載響應規律。GB/T 19685-2017《預應力鋼筒混凝土管》［15］中詳細給出了PCCP出廠前的型式檢驗要求，包括外觀質量、裂縫寬度和長度、管芯混凝土強度、保護層砂漿強度、抗裂內壓和抗裂外壓試驗。

1.3 安全影響評價

根據相關資料，近年來運行中的PCCP接連發生破壞事故，大多數是由于外部環境引起保護層開裂，腐蝕介質進入腐蝕鋼絲，使管道的承載能力大幅下降。國內外學者則主要研究管道腐蝕、預應力損失、斷絲和裂縫等4個方面對PCCP安全的影響，處理好這些問題將為PCCP的運行安全提供充分保障。

1.3.1 管道防腐研究

PCCP的腐蝕破壞往往是由外向內，由管端向管內發展，最容易遭受破壞的就是管身保護層和管端承插口。2004年，Jana［16］研究了埋置在酸性土壤中PCCP 砂漿保護層的剝蝕機理，認為在酸性環境下，碳化是造成保護層損壞的主要原因。2008～2009年，王東黎等［17］介紹了國外PCCP工程的防腐蝕措施，針對南水北調北京段PCCP工程，建議采用帶狀鋅犧牲陽極法保護預應力鋼絲的設計理念和方法，該方法后來也寫進了中國的SL702-2015規范中，目前國內供水主干管工程中均采用此方法對管道實施防腐［18-19］。2011年，杜建偉［20］對鹽堿地區的PCCP防腐材料選用進行了研究，對比了環氧煤瀝青涂料、橡膠涂料、聚氨酯涂料、聚脲涂料等幾種材料的性能，建議采用環氧煤瀝青涂料作為PCCP保護層的防腐材料，環氧煤瀝青涂料也是目前國內PCCP廠家普遍采用的管身防腐材料。

1.3.2 斷絲成因和影響研究

PCCP通過纏繞1 570 MPa的高強預應力鋼絲使管芯受到一個初始的預壓應力，從而抵消部分內水壓力。該高強預應力鋼絲是鋼盤條經反復拉拔而成的，鋼的柔韌性能大幅下降，而脆性增加，氫脆指標難以合格，使用幾年后易出現脆化斷裂。為了保護預應力鋼絲，PCCP中保護層采用輥射的砂漿保護層，參考JGJ/T 98-2010《砌筑砂漿配合比設計規程》［21］，水泥砂漿和預拌砌筑砂漿的強度等級最高為M30，而PCCP中要求保護層砂漿的抗壓強度標準值不低于45 MPa，遠大于M30和M15，強度難以滿足，設計時計算校核雖然通過，但是往往忽略了實際砂漿強度不足帶來的PCCP保護層先天隱蔽性缺陷。另外，當PCCP服役于鹽類和化學腐蝕環境中時，還需對保護層進行耐久性設計，增加保護層的厚度和抗離子滲透性能［22］。因此，在施工及運行過程中，主要有如下多種原因會造成PCCP的斷絲：① 鋼絲的氫脆指標不合格；② 制造時砂漿保護層的強度不合格，質量差；③ PCCP處于腐蝕性土壤中，腐蝕性物質侵入砂漿保護層；④ PCCP安裝不當，砂漿保護層出現裂縫。

預應力是整管強度的保證，是否能夠長久使用取決于預應力鋼絲的壽命，一旦斷絲，整管承載能力將大幅下降。2001年，Diab等［23］對PCCP中鋼絲斷絲的原因進行了分析，并研究了斷絲對PCCP承載能力的影響。2009～2011年，胡少偉［10］通過超大口徑斷絲PCCP原型試驗和數值模擬，對斷絲管的承載能力進行了研究，給出了不同數量斷絲對PCCP結構性能影響的評價方法。2011年，Xiong等［9］建立了考慮鋼絲和管芯混凝土接觸作用的纏絲和斷絲模型，研究了斷絲管的承載能力，并采用現場試驗進行了對比驗證。2019年，胡少偉等［24］針對某輸調水工程在役超大口徑PCCP斷絲問題，建立有限元分析模型，探究了管身中部預應力鋼絲發生不同比例斷絲時的管道各部位受力狀態。

1.3.3 預應力損失研究

預應力混凝土管道從生產、施工到運行都不可避免會發生預應力損失。如果損失過大，將導致管芯的預壓應力變小，承載能力將會受到影響。預應力損失主要由管芯混凝土和鋼筒的彈性變形、管芯混凝土的局部擠壓、鋼筋松弛和混凝土的徐變產生。2010年，胡少偉［10］采用光纖光柵應變計，對PCCP中的預應力損失進行了測量，并基于試驗數據，分析了預應力損失管的承載能力。

1.3.4 裂縫影響研究

PCCP中常見的裂縫有混凝土管芯內壁環向裂縫和縱向裂縫，兩者形成的機理不同。國內外學者對PCCP中裂縫的發展規律和裂縫對結構承載性能的安全影響進行了大量研究。2015年，Najafi［25］對管芯環向裂縫和縱向裂縫進行了產生機理研究和可靠度分析，認為環向裂縫對PCCP的承載能力影響較小，而縱向裂縫對PCCP的承載能力影響較大。2010年，胡少偉［10］對南水北調工程北京段超大口徑管芯預存縱向裂縫的PCCP進行了抗裂外壓試驗，同時建立三維有限元分析模型，研究了縱向裂縫對PCCP外壓承載能力的影響，認為預存裂縫對PCCP的極限荷載影響不大，但是會在裂縫位置處的混凝土和砂漿保護層處產生應力集中。2021年，黃智剛［11］通過三維有限元模擬研究了貫穿性裂縫和非貫穿性裂縫對PCCP管體承載能力的影響規律，認為縱向貫穿性裂縫對PCCP結構的安全性影響較大，工程中應禁止使用縱向帶有貫穿性裂縫的PCCP。

1.4 健康監測、檢測與除險加固

由于PCCP安全事故的相繼發生，越來越多的學者致力于PCCP運行安全的監測、檢測及評估。2005年，Amaitik等［26］總結了電磁、聲學、GPR雷達等常見的PCCP運行監測手段以及根據歷史觀測數據和檢查結果，提出了一種基于人工神經網絡（ANN）的PCCP斷絲預測模型，從而評價PCCP的運行狀態，并將其應用于大型人工河流工程（GMRP）的實際聲波監測中，結果表明預測性較好。

中國對PCCP安全的監測技術研究較晚。2014年南水北調中線干線停水檢修時，通過電磁法檢測，發現北京段PCCP管道部分管節存在斷絲。2015年4月至2016年5月，北京市南水北調建管中心在北京段PCCP管道工程選取試驗段（35.7km）安裝了國內首套基于光纖光柵傳感技術（FBG）研發的斷絲和漏水實時監測系統［27］。2016年，駱建軍等［28］提出采用層次分析方法（AHP）建立PCCP管道安全風險層次分析數學評價模型，對南水北調工程中大口徑PCCP的斷絲風險進行評價，并開發出一套安全運行風險實時監測管理軟件和頻譜響應分析系統。2018年，魏治文［29］介紹了鄂北地區水資源配置工程中PCCP管道安全監測設計方案，包括監測設計原則、監測項目、測點及設備布置等。

PCCP管道預應力鋼絲出現斷裂后需進行加固修復。2017年，張海豐等［30］總結了北美地區廣泛使用的4種PCCP加固修復技術：移除更換技術、體外鋼絞線加固技術、縮頸鋼筒內襯技術和鋼管穿插技術，分析了4種技術的原理，比較了4種技術的優缺點。2019年，趙麗君［31］、張奇［32］等研究并發明了一種基于預應力鋼絞線與錨具的管道預應力加固技術，如圖2（a）所示。翟科杰［33］、魯文妍［34］等研究了碳纖維增強聚合物（CFRP）加固后的PCCP承載性能，如圖2（b）所示，并進行了有限元模擬驗證，結果表明在管芯混凝土開裂后，CFRP能很好地參與應力重分布，經CFRP加固后的PCCP承載能力明顯提高。

1.5 鋼筋纏繞鋼筒混凝土壓力管研發與使用

鋼筋纏繞鋼筒混凝土壓力管（Bar-wrapped Cylinder Concrete Pressure Pipe，BCCP）的結構形式（見圖3）與PCCP類似，是遵循SL702-2015《預應力鋼筒混凝土管道技術規范》［5］和GB 50332-2002《給水排水工程管道結構設計規范》［35］，參照美國AWWA C303 Concrete pressure pipe，bar-wrapped steel-cylinder type［36］標準進行結構設計和改進，經寧夏青龍管業集團股份有限公司3 a研究改進而取得成功的專利新產品［37］，是由帶鋼筒的高強混凝土管芯在纏繞預應力鋼筋后，再澆筑細石混凝土保護層而制成的復合管材，結構如圖3所示。該管道采用應力等級較低的冷軋帶肋螺紋鋼筋（直徑一般8～11 mm，屈服強度為650 MPa或970 MPa）和細石混凝土保護層，既可以埋地使用，又可以露天使用，目前已應用于寧夏、山西、甘肅等20多項輸調水工程中。孫岳陽［38-39］、胡少偉［40］等從結構計算分析和配筋優化方法、纏筋模型、在內外壓作用下的承載性能和破壞規律、受力全過程數值仿真模擬、接口力學性能和預應力損失、裂縫對其安全影響的評價等方面對BCCP進行了深入系統的研究。

2 PCCP研究展望

實際工程中PCCP的受力行為較為復雜，尚有一些技術亟需探究。

（1） PCCP中采用高強的預應力鋼絲，存在氫脆斷裂和腐蝕風險，嚴重影響PCCP管線的運行安全，可尋求新型材料來代替預應力鋼絲，如使用玄武巖纖維復合筋（Basalt FRP）。玄武巖纖維是玄武巖礦石經過高溫熔融后，通過高速拉絲漏板拉制而成，制備工藝成熟，成本低，其生產原料取自天然的火山巖礦石而無任何添加劑，生產過程中也無“三廢”排放，對環境污染很小，是一種名副其實的環保節能產品，符合中國“十四五”時期創新發展、綠色低碳發展、高質量發展理念以及“雙碳目標”，已被中國列為中長期重要發展的四大高新技術纖維之一。將Basalt FRP應用到PCCP中，需對其相關力學指標和工藝指標開展可靠性、經濟性和穩定性研究。

（2） PCCP中保護層采用輥射的砂漿保護層，厚度較薄，易產生開裂，可尋求采用自愈合（自修復）砂漿，如利用砂漿中的水泥基材料進行自生愈合，使砂漿保護層產生的裂縫寬度不斷縮小，甚至愈合，耐久性逐漸恢復，實現建筑材料的可持續發展。除了自愈合（自修復）砂漿外也可選用其它替代材料，對其力學性能、耐久性能、經濟性和穩定性開展研究，最終延長PCCP的使用壽命。

（3） 在炎熱的條件下，無論是PCCP還是BCCP，即使管身外厚涂高固體分環氧煤瀝青防腐蝕涂料，依然會出現龜裂、老化、脫落等現象，如果管道在高侵蝕環境和高地下水環境下服役，環氧煤瀝青損傷和砂漿保護層開裂后易引起預應力鋼絲的銹蝕，需對環氧煤瀝青進行改性研究，改進其耐候性。也可研究采用其它管身防護材料，對其適用性、耐久性和經濟性進行研究，最終提高PCCP的耐久性能。

（4） 大口徑的PCCP或BCCP管芯混凝土采用立式振動澆筑法生產，生產現場噪音大，會對工人和神經系統、心腦血管系統以及內分泌系統帶來嚴重的影響，可尋求采用自密實混凝土進行澆筑，對其配制方法、工作性能、流變學特性、抗侵蝕性能、經濟性和穩定性開展研究。

（5） 實際埋地運行過程中，PCCP除了會出現預應力損失、裂縫，還會出現滲漏和大變形等安全隱患。所以需對PCCP進行無損檢測和運行監測，考慮地基、基礎、管線結構、附屬設施等檢測模塊，包括預應力損失、滲漏、變形、裂縫等工程檢測項目，開發數據定位模塊，可以記錄不同時期、不同地點的檢測信息（包括位置信息、工程信息、原始測試數據、報告等），最終建立基于人機交互的PCCP工程質量及全壽命智能監測平臺，真實反映PCCP結構的實際運行情況。

（6） 南水北調中線工程京石段使用的PCCP管徑達4 m，揭開了中國超大口徑PCCP使用的序幕，標志著中國PCCP的生產工藝技術達到了國際先進水平，PCCP也成為長距離輸調水工程中大口徑承壓輸水管道的首選管材。需繼續提高技術水平，研發更大口徑PCCP的生產工藝，提高生產設備能力以及配套的密封、運輸和安裝技術。另外，小口徑（1.2 m以下）PCCP的市場幾乎被輕質、吊裝運輸方便和防腐蝕性能優越的塑料管（PE、PVC等）和球墨鑄鐵管等蠶食，應積極利用新技術、新材料在管道輕質、耐腐蝕方向進行探索研究，開發更多的高耐久性新型PCCP系列產品。

3 結 語

本文從結構設計與分析方法、試驗方法、安全影響評價、健康監測檢測與除險加固、BCCP的研發與使用等5個方面介紹了PCCP的研究進展，并對未來的研究方向進行了展望。盡管現在運行的PCCP在檢測時發現個別斷絲甚至出現爆管現象，但是對于大口徑管道選型，PCCP仍然是性價比優越的管材。本研究旨在拋磚引玉，希望廣大科研與工程技術人員同心協力，促進PCCP技術進步與行業的健康發展，以期讓PCCP更好地服務于國民經濟建設。

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（編輯：黃文晉）

Research progress of prestressed concrete cylinder pipe

SUN Yueyang1，HU Shaowei2，HU Dengxing3，HUANG Yiqun4，WANG Yang5

（1.School of Civil Engineering，Suzhou University of Science and Technology，Suzhou 215011，China； 2.School of Civil Engineering，Chongqing University，Chongqing 400045，China； 3.Ningxia Qinglong Pipe Industry Group Co.，Ltd.，Yinchuan 750002，China； 4.School of Civil Engineering，Fujian University of Technology，Fuzhou 350118，China； 5.College of Water Resources and Hydropower，Wuhan University，Wuhan 430072，China）

Abstract： Prestressed Concrete Cylinder Pipe （PCCP） has been the preferred pipe for long-distance water transfer projects due to its high strength，high impermeability，high sealing，good durability and low maintenance costs.However，as the service life increases，PCCP will have risks such as wires broken，leakage，and pipe bursts.Once an accident occurs，it will threaten the safety of urban water supply，and lead to huge economic losses and negative social impacts.In order to promote the innovation and progress of PCCP，this paper reviews the research by domestic and foreign scholars from five aspects：structural design and analysis methods，test methods，safety impact assessment，health monitoring，detection and strengthening，and the development and application of Bar-wrapped Cylinder Concrete Pressure Pipe （BCCP）.Research prospects were also carried out in terms of prestressed high-strength steel wire，mortar protective cover，anti-cracking aging of pipe body，pouring method of pipe core concrete，full-life intelligent monitoring platform and production technology level，in order to promote the technical progress and healthy development of the PCCP industry，so as to better serve the national economic construction.

Key words： PCCP；BCCP；structure design；safety evaluation；danger elimination and reinforcement

收稿日期：2022-03-30

基金項目：江蘇省高等學?；A科學（自然科學）研究項目（21KJB570003）；國家自然科學基金重點項目（51739008，52130901）；國家自然科學基金青年項目（52109164）；重慶市自然科學基金創新群體項目（cstc2020jcyj-cxttX0003）

作者簡介：孫岳陽，男，講師，博士，主要從事混凝土管道受力性能研究。E-mail：syyang0118@126.com

通信作者：胡少偉，男，教授，博士，主要從事管道及混凝土損傷斷裂研究。E-mail：hushaowei@cqu.edu.cn