摘 要：預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PrestressedConcreteCylinderPipe，簡稱PCCP）作為一種性能優(yōu)良的多用途鋼性管材在我國南水北調(diào)工程中得到廣泛應(yīng)用。但是PCCP管道在施工和輸水運(yùn)行過程中，預(yù)應(yīng)力鋼絲會(huì)遭受不同程度的損傷，在外界環(huán)境及內(nèi)部工作水壓力的作用下，管道會(huì)出現(xiàn)斷絲甚至爆管現(xiàn)象，危及輸水安全。本文以南水北調(diào)中線干線工程（北京段）PCCP輸水管道為研究對象，從PCCP管道斷絲安全風(fēng)險(xiǎn)管理角度出發(fā)，結(jié)合PCCP管道斷絲預(yù)警系統(tǒng)的監(jiān)測情況及影響斷絲的各種可能因素分析，利用（AHP）層次分析方法對PCCP管道安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析評價(jià)，最終建立PCCP管道斷絲風(fēng)險(xiǎn)管理系統(tǒng)，以降低PCCP管道輸水期間的安全風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：PCCP管道，南水北調(diào)，（AHP）層次分析法，斷絲監(jiān)測，安全風(fēng)險(xiǎn)管理

項(xiàng)目概況

南水北調(diào)中線干線工程（北京段）總長56.4km，采用雙排直徑4.0m的PCCP管道。該工程是我國目前采用PCCP管道管徑最大、單節(jié)管道最重的水利工程。由于采用長距離、超大口徑PCCP輸水，而且沿線水文、地質(zhì)條件復(fù)雜，交叉建筑物較多，生產(chǎn)、運(yùn)輸、安裝工藝復(fù)雜，管道工作壓力變化較大，諸多原因造成預(yù)應(yīng)力鋼絲損傷或者腐蝕，產(chǎn)生斷絲現(xiàn)象，從而降低PCCP管道的耐久性，嚴(yán)重影響PCCP管道輸水安全。

斷絲監(jiān)測方法

目前南水北調(diào)中線干線工程（北京段）PCCP管道斷絲監(jiān)測采用的方法為SoundPrint聲監(jiān)測系統(tǒng)。SoundPrint聲監(jiān)測系統(tǒng)工作原理如下：在 PCCP管線內(nèi)部通長鋪設(shè)光纖電纜， PCCP通水運(yùn)行過程中，一旦發(fā)生斷絲，能量釋放發(fā)出聲音，光纖傳感器接收該聲音。數(shù)據(jù)傳輸?shù)讲杉到y(tǒng)，系統(tǒng)識別出反映斷絲特征的信號，通過Internet傳輸?shù)街醒胩幚碓O(shè)備，經(jīng)過分析處理后，即時(shí)確定斷絲數(shù)量，定位斷絲位置。SoundPrint聲監(jiān)測系統(tǒng)傳感器連續(xù)分布具備精度高，誤差小，壽命長，性能穩(wěn)定，監(jiān)測距離長等優(yōu)點(diǎn)。

監(jiān)測成果

2015年3月蓬勃（上海）工程技術(shù)服務(wù)有限公司承擔(dān)了PCCP管道斷絲安全預(yù)警監(jiān)測工作。該系統(tǒng)運(yùn)行近兩年時(shí)間內(nèi)，共監(jiān)測到斷絲活躍區(qū)域27處，其中斷絲數(shù)量較大區(qū)域一處，該部位于2015年12月至2017年1月持續(xù)出現(xiàn)斷絲，其中最嚴(yán)重管節(jié)斷絲數(shù)量達(dá)到193根，嚴(yán)重威脅供水安全。在此期間，國務(wù)院南水北調(diào)辦公室專家委員會(huì)專門組織了研討會(huì)并出具了技術(shù)咨詢意見：要求相關(guān)部門組織專業(yè)人員對管道斷絲的原因進(jìn)行專題調(diào)研分析，在查清原因基礎(chǔ)上制定切實(shí)可行的處理方案;并盡快搭建安全運(yùn)行管理決策系統(tǒng)，對監(jiān)測到的斷絲管道快速進(jìn)行運(yùn)行安全性、可靠性及剩余壽命評估，實(shí)時(shí)報(bào)警，提供管道運(yùn)行、維護(hù)和加固建議指令。

PCCP管道斷絲風(fēng)險(xiǎn)主要因素分析

PCCP管道的管芯纏繞預(yù)應(yīng)力鋼絲，預(yù)應(yīng)力鋼絲通過在管芯上施加均勻的壓預(yù)應(yīng)力以抵償主要由水壓力所引起的內(nèi)壓和土荷載及車輛荷載能外荷載產(chǎn)生的拉應(yīng)力。纏繞在管芯上的預(yù)應(yīng)力鋼絲決定了PCCP管道的強(qiáng)度，但在施工和運(yùn)行過程中，下列原因會(huì)致使PCCP管道的預(yù)應(yīng)力鋼絲遭受損傷：

①選用了質(zhì)量較差的鋼絲，施加預(yù)應(yīng)力過程中出現(xiàn)氫脆現(xiàn)象。

②PCCP管道制造過程中存在缺陷，特別是砂漿保護(hù)層質(zhì)量差，出現(xiàn)麻面甚至裂縫。

③PCCP管道安裝不當(dāng)，由于碰撞等原因造成砂漿保護(hù)層出現(xiàn)裂縫。

④PCCP管道由于埋置于地下，當(dāng)管道處于酸性及腐蝕性土壤中時(shí)容易誘發(fā)腐蝕的化合物侵入砂漿保護(hù)層腐蝕預(yù)應(yīng)力鋼絲。

⑤在輸水運(yùn)行過程中，由于沒有按照操作規(guī)程進(jìn)行正常啟動(dòng)閥及泵而引起的瞬時(shí)水壓波。

PCCP管道斷絲的風(fēng)險(xiǎn)控制標(biāo)準(zhǔn)

為了更明確的表示出斷絲后PCCP所處的受力狀態(tài)，結(jié)合美國AWWA C304中的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，將PCCP所處的受力狀態(tài)按3個(gè)極限狀態(tài)進(jìn)行分析。

通過數(shù)值模擬計(jì)算分析可知：

① 隨著PCCP管道同一部位的斷絲數(shù)量的增加，PCCP管道的承載能力降低，同樣，在這3種極限狀態(tài)下，為了保證安全運(yùn)行，PCCP管道內(nèi)所允許施加的內(nèi)水壓力應(yīng)該逐漸降低，否則容易出現(xiàn)爆管現(xiàn)象。

② PCCP管道某一環(huán)向部位出現(xiàn)斷絲后，該部位混凝土由于受到斷絲的拉伸力而出現(xiàn)裂縫，隨著管道內(nèi)水壓力的增大，斷絲部位的鋼筒也更容易受到內(nèi)水壓力施加給鋼筒向外的壓力而屈服。沿PCCP管道縱向部位，未斷絲的鋼絲離斷絲部位越近，其受到的應(yīng)力越大，也越容易屈服。

③ 通過數(shù)值計(jì)算分析，當(dāng)PCCP管道同一部位的預(yù)應(yīng)力鋼絲的斷絲數(shù)目少于25根時(shí)，PCCP管道仍可以在較高的內(nèi)水壓力、管道外部水土荷載和管道自重應(yīng)力的共同作用下保持良好的整體工作性能。

④ 當(dāng)PCCP管道同一部位的預(yù)應(yīng)力鋼絲的斷絲數(shù)量超過25根時(shí)，在無內(nèi)水壓力而僅僅有外部荷載作用下，PCCP管道混凝土由于斷絲對混凝土的拉伸就已經(jīng)開裂。此時(shí)，如果未及時(shí)進(jìn)行斷絲的修補(bǔ)，當(dāng)管道處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，管道中的壓力水通過混凝土裂縫流至鋼筒或鋼絲層，鋼筒或鋼絲層浸水后，將處于被腐蝕狀態(tài)，耐久性也將遭受影響。在這種情況下，雖然管道在達(dá)到彈性極限狀態(tài)之前仍能承擔(dān)一定的內(nèi)水壓力，但隨著運(yùn)行時(shí)間的推移，鋼筒或鋼絲的銹蝕以及混凝土的劣化會(huì)增加爆管的風(fēng)險(xiǎn)。

基于GIS的PCCP管道斷絲的風(fēng)險(xiǎn)管理系統(tǒng)

PCCP管道工程安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評估和風(fēng)險(xiǎn)管理系統(tǒng)應(yīng)包括：管道、環(huán)境和運(yùn)行狀態(tài)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，管道安全運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)、管道安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評估系統(tǒng)（其中包括：風(fēng)險(xiǎn)評估準(zhǔn)則，監(jiān)測數(shù)據(jù)分析、評估與評價(jià)，管道安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)測預(yù)報(bào)等）和基于GIS的界面的風(fēng)險(xiǎn)管理系統(tǒng)（其中包括：結(jié)合結(jié)構(gòu)狀態(tài)和結(jié)構(gòu)損壞模型及資產(chǎn)管理準(zhǔn)則，對管道剩余壽命的預(yù)測，并對全部管道的維修、維護(hù)、更換情況等進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)管理）。

結(jié)? 論

本文針對南水北調(diào)中線干線工程（北京段）PCCP管道斷絲情況提出利用（AHP）層次分析法建立PCCP管道安全風(fēng)險(xiǎn)層次分析數(shù)學(xué)評價(jià)模型，對影響PCCP管道斷絲的各種可能性因素進(jìn)行專家打分，同時(shí)，通過數(shù)值模擬計(jì)算，建立PCCP管道安全失效的判斷準(zhǔn)則及判斷標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)PCCP管道安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的定量化。在此基礎(chǔ)上，開發(fā)出一款專門針對南水北調(diào)中線PCCP管道工程安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測的管理軟件。

作者簡介：

（康鵬），性別：男，出生年（1979-），籍貫（北京），民族（漢），職稱（高級工程師），學(xué)歷（本科），研究方向（水利工程安全監(jiān)測）。