劉冬雨，郭子玉，馮萃敏，冉強(qiáng)三，張 炯

(1.北京建筑大學(xué)北京未來城市設(shè)計(jì)高精尖創(chuàng)新中心，北京 100044；2.北京市南水北調(diào)大寧管理處，北京 100195；3.北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100082)

0 引 言

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)于1942年在美國首次應(yīng)用于實(shí)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(qiáng)、運(yùn)行費(fèi)用低等特點(diǎn)迅速占領(lǐng)了大口徑壓力輸水管道市場。20世紀(jì)80年代，隨著國內(nèi)一些生產(chǎn)廠商試制PCCP或引進(jìn)PCCP生產(chǎn)線，PCCP管道在我國進(jìn)入了快速發(fā)展階段，目前，PCCP管道已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國內(nèi)大型長距離輸水調(diào)水工程中[1-3]。

PCCP管道長時(shí)間運(yùn)行后，受到多種因素影響，預(yù)應(yīng)力鋼絲會(huì)出現(xiàn)斷裂，隨著使用時(shí)間的增加，斷絲數(shù)量會(huì)進(jìn)一步增多，所在部位管道強(qiáng)度將下降，管體結(jié)構(gòu)損傷會(huì)不斷加劇，將會(huì)導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)破壞甚至發(fā)生爆管事故。PCCP爆管具有突發(fā)性、災(zāi)難性，事先沒有征兆。超大口徑PCCP爆管發(fā)生，不僅帶來城市供水中斷，還會(huì)引起交通、環(huán)境、衛(wèi)生等公共安全事故[4-7]。北美地區(qū)最早出現(xiàn)的PCCP破壞事件發(fā)生在1955年，在20世紀(jì)80年代更多的PCCP破壞引起了權(quán)屬單位的注意[8]。國外PCCP工程事故統(tǒng)計(jì)表明，預(yù)應(yīng)力鋼絲斷裂而引發(fā)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(jīng)應(yīng)用了30 a左右時(shí)間，不僅在使用過程中初步建立了自己的相關(guān)規(guī)范，也針對(duì)PCCP管道運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的鋼絲斷裂的現(xiàn)象有了一定研究和一些有參考價(jià)值的結(jié)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(bào)道的PCCP破壞案例，針對(duì)PCCP管道斷絲的修復(fù)更新、補(bǔ)強(qiáng)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(yīng)用日漸增多，避免管道運(yùn)行安全的隱患已經(jīng)納入運(yùn)行管理單位的日常工作中。開展針對(duì)PCCP管道斷絲數(shù)量對(duì)運(yùn)行安全的影響評(píng)價(jià)，根據(jù)工程實(shí)際、周邊環(huán)境等因素，研究高效便于實(shí)施的斷絲補(bǔ)強(qiáng)加固措施，顯得十分必要和緊迫[13]。

因此，本文緊密結(jié)合國內(nèi)首次使用的超大口徑PCCP管道工程，針對(duì)工程中出現(xiàn)的局部區(qū)域鋼絲斷裂數(shù)量較多的問題進(jìn)行分析研究，提出斷絲修復(fù)方案，確定加固范圍及時(shí)間，分析斷絲修復(fù)后的鋼絲斷裂情況，探討預(yù)應(yīng)力鋼絲修復(fù)的方式，并對(duì)修復(fù)方式進(jìn)行監(jiān)測與評(píng)估，為管線維護(hù)與安全輸水提供理論與技術(shù)參考。

1 工程管道斷絲狀況概述

本工程是國內(nèi)某個(gè)運(yùn)行10 a的超大口徑PCCP輸水工程，某年對(duì)PCCP管道進(jìn)行了歷時(shí)3個(gè)月的停水檢修，完成了全線PCCP管道的人工普查和斷絲專項(xiàng)檢測。其中工程左1發(fā)現(xiàn)斷絲管節(jié)32處，斷絲數(shù)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(fā)現(xiàn)斷絲管節(jié)56處，斷絲數(shù)量共計(jì)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(shù)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(shù)2層，管芯混凝土厚度280 mm，混凝土標(biāo)號(hào)C50，設(shè)計(jì)覆土為5 m，實(shí)際管頂覆土分別為3.47 m、3.25 m。管道所處環(huán)境地下水和地表水對(duì)結(jié)構(gòu)腐蝕情況見表2。

表2 管道沿線地下水和地表水對(duì)管道的腐蝕性評(píng)價(jià) mg/LTab.2 Corrosivity of Underground water and surface water along the pipeline

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

2 斷絲修復(fù)方法

鋼絲出現(xiàn)斷裂，所在部位管道強(qiáng)度下降。自某年通水以來，除了短暫的靜水壓試驗(yàn)外，其余時(shí)間均為重力流輸水，工作內(nèi)壓遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)內(nèi)壓。如果進(jìn)一步發(fā)展，且當(dāng)泵站啟用后，同一部位可能將出現(xiàn)更多斷絲，管道強(qiáng)度顯著降低，最終可能導(dǎo)致爆管。國外PCCP工程事故統(tǒng)計(jì)表明，預(yù)應(yīng)力鋼絲斷裂而引發(fā)PCCP爆管是其主要的事故模式，斷絲往往是PCCP爆管的前兆。

據(jù)資料顯示，目前國內(nèi)工程中針對(duì)PCCP修復(fù)技術(shù)的相關(guān)文獻(xiàn)多為局部修復(fù)、非結(jié)構(gòu)性修復(fù)，這些修復(fù)技術(shù)只能起到臨時(shí)性的保護(hù)作用，不能解決如預(yù)應(yīng)力鋼絲腐蝕、鋼筒腐蝕、PCCP爆管、砂漿保護(hù)層和內(nèi)襯砂漿裂縫等問題[1]。

國外關(guān)于PCCP修復(fù)的相關(guān)文獻(xiàn)[13,16-20]表明，常用PCCP斷絲修復(fù)加固補(bǔ)強(qiáng)的方法有：外部后張預(yù)應(yīng)力法、管線替換法、外包混凝土法、外部黏貼纖維增強(qiáng)復(fù)合材料法、內(nèi)部黏貼碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)加固法、內(nèi)襯鋼板或FRP法以及滑動(dòng)內(nèi)襯高密度聚乙烯補(bǔ)強(qiáng)加固法。常用斷絲修復(fù)加固補(bǔ)強(qiáng)方法的特點(diǎn)見表3。

表3 補(bǔ)強(qiáng)加固方法比較Tab.3 Comparison of reinforcement methods

根據(jù)表3及本工程自身特點(diǎn)，選擇采用表3中第5行所示的不開挖方式對(duì)存在斷絲的管節(jié)進(jìn)行修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)加固，即對(duì)整個(gè)PCCP管節(jié)采用黏貼碳纖維布進(jìn)行加固修復(fù)，并使用碳纖維片材、配套樹脂類黏結(jié)材料及表面刮聚脲涂層封閉處理。同時(shí)對(duì)管道劃定保護(hù)區(qū)域進(jìn)行保護(hù)，并在管道周邊布置土體變形及地下水位等監(jiān)測設(shè)施，在保護(hù)期內(nèi)監(jiān)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(qū)域的工程狀態(tài)，對(duì)可能出現(xiàn)的工程異常情況及時(shí)預(yù)警，減少工程運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

3 斷絲修復(fù)后的監(jiān)測

為了監(jiān)測管道斷絲區(qū)域及周邊環(huán)境狀況，掌握斷絲區(qū)域所在管道的運(yùn)行狀態(tài)及環(huán)境條件變化，在斷絲區(qū)域周邊新增布置地下水位測點(diǎn)、土體變形測點(diǎn)、實(shí)時(shí)斷絲監(jiān)測系統(tǒng)，對(duì)管道斷絲區(qū)域附近地下水位、管頂部位沉降變形和管道斷絲保護(hù)狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)測，以掌握斷絲區(qū)域的工程狀態(tài)，對(duì)可能出現(xiàn)的工程異常情況及時(shí)預(yù)警，最大限度減少工程運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

3.1 地下水位監(jiān)測

管線兩側(cè)地下水位監(jiān)測是PCCP工程現(xiàn)有監(jiān)測設(shè)施中僅有的可反映管線滲漏的監(jiān)測手段，通過測壓管或滲壓計(jì)監(jiān)測管道兩側(cè)地下水位狀況，在一定程度上是可以反映管道是否發(fā)生明顯滲漏的。管道斷絲區(qū)域的上下游各布置地下水位測點(diǎn)1處，測點(diǎn)布置于管底附近，監(jiān)測管底附近土體地下水位變化。管側(cè)以外10 m附近設(shè)置檢測點(diǎn)1處，與管道處地下水位變幅對(duì)比觀測。正常通水工況下每天測試1次，預(yù)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(jiān)測

管道斷絲處設(shè)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(jiān)測斷面分別在缺陷管管頂上方1 m處及管道雙側(cè)2 m處，設(shè)置土體深層沉降測點(diǎn)，并在管側(cè)外10 m附近基點(diǎn)2處設(shè)置對(duì)照監(jiān)測點(diǎn)，與管道處沉降變化對(duì)比觀測，正常通水工況下每周測試1次，預(yù)警值為：累計(jì)變形超過5 mm或沉降速度超過2 mm/d。

3.3 斷絲實(shí)時(shí)監(jiān)測

為了實(shí)時(shí)掌握工程運(yùn)行狀態(tài)，工程采用基于光纖傳感器及光學(xué)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的光纖聲監(jiān)測系統(tǒng)，它主要由光纖傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成[16-18]。

光纖聲監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理是，光纖傳感器的激光器發(fā)射出光束在纖維中傳播，在正常情況下，管道中僅有環(huán)境噪聲，反射回來的光波基本不變，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接收到的信號(hào)沒有明顯動(dòng)態(tài)成分。當(dāng)管道中的鋼絲發(fā)生斷裂時(shí)，應(yīng)變能量突然釋放，產(chǎn)生壓縮波在管道中傳播。壓縮波作用在光纖傳感器上，動(dòng)態(tài)光波則會(huì)反射到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，此種光波中的數(shù)據(jù)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(shù)都可用來及時(shí)確定斷絲數(shù)量，定位斷絲位置[19,20]。

光纖聲監(jiān)測系統(tǒng)可以連續(xù)、自動(dòng)監(jiān)測PCCP管道的斷絲時(shí)刻、位置和斷絲數(shù)量，斷絲數(shù)量監(jiān)測精度可達(dá)1根，斷絲位置監(jiān)測精度可達(dá)1倍管徑，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)斷絲監(jiān)測。

4 斷絲修復(fù)效果

4.1 地下水位

左1及右2這2個(gè)保護(hù)區(qū)域的地下水位監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，PCCP管道斷絲區(qū)域周邊測壓管中滲壓計(jì)測值呈季節(jié)性變化，與PCCP管道運(yùn)行工況無顯著相關(guān)，PCCP管道斷絲區(qū)域臨近測點(diǎn)與對(duì)照測點(diǎn)地下水位變化趨勢一致，測壓管水位變化應(yīng)為正常地下水位動(dòng)態(tài)變化的反映。

監(jiān)測保護(hù)期內(nèi)，某日暴雨對(duì)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(dāng)日上午出現(xiàn)明顯增長，于第3 d凌晨出現(xiàn)最高水位，期間各測點(diǎn)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(wěn)，但仍維持較高水位。PCCP管道斷絲區(qū)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(qū)域周邊地下水位特征值統(tǒng)計(jì) 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(dāng)期內(nèi)地下水位測值范圍為45.20～48.80 m，期內(nèi)變幅約2.7～3.6 m。右2斷面期內(nèi)地下水位測值范圍為40.18～44.48 m，期內(nèi)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(dǎo)致管道周圍的地下水位變化幅度較大，已經(jīng)超出預(yù)警值范圍。由于地下水位升降會(huì)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(xì)孔到達(dá)鋼絲表面，破壞鈍化膜產(chǎn)生鋼絲活化腐蝕，預(yù)應(yīng)力鋼絲暴露在侵蝕性環(huán)境中[15]，隨著侵蝕的進(jìn)一步發(fā)展，容易造成鋼絲斷裂[21]。本次暴雨后的數(shù)月內(nèi)，對(duì)本區(qū)域的斷絲監(jiān)測增加了監(jiān)測頻次，未發(fā)現(xiàn)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(gè)保護(hù)區(qū)域各布置12個(gè)沉降測點(diǎn)，用于監(jiān)測PCCP管道斷絲區(qū)域上部土體沉降變形情況，共布置沉降測點(diǎn)24個(gè)，另于各保護(hù)區(qū)布置沉降觀測工作基點(diǎn)2個(gè)，共4個(gè)。

完成沉降觀測工作基點(diǎn)設(shè)置工作后，開始進(jìn)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(shù)據(jù)表明，自建立沉降觀測以來，左1及右2斷面各沉降測點(diǎn)未出現(xiàn)明顯趨勢性變形。PCCP管道斷絲區(qū)域各沉降測點(diǎn)累計(jì)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(jì)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(jì)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(diǎn)未出現(xiàn)明顯趨勢性變形，PCCP管道斷絲區(qū)域周邊上部土體沉降變形測值指標(biāo)低于警戒值。

由于土體沉降觀測工作基點(diǎn)要求相對(duì)穩(wěn)定，因此大部分工作基點(diǎn)位于管線開挖回填區(qū)域(管線保護(hù)區(qū)域)外，管理保護(hù)十分困難。目前已有部分沉降觀測基點(diǎn)被管線周邊堆填物掩埋，或因管線外側(cè)取土開挖造成工作基點(diǎn)破壞，因此對(duì)于現(xiàn)有沉降觀測工作基點(diǎn)的保護(hù)應(yīng)引起重視。

4.3 修復(fù)后的斷絲

本工程區(qū)域自完成斷絲修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)加固施工后，經(jīng)過2 a的斷絲實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，本區(qū)域未監(jiān)測到新增加斷絲，本區(qū)域上下游共計(jì)150 m范圍內(nèi)，僅有3處管節(jié)新增加1根斷絲。與修復(fù)前(2處斷絲范圍較大管道：左1管道斷絲管節(jié)32處，斷絲數(shù)量約100根；右2斷絲管節(jié)56處，斷絲數(shù)量共55根)相比，本區(qū)域未出現(xiàn)新增斷絲，且臨近區(qū)域新增的斷絲數(shù)量顯著減少，斷絲增加趨勢被遏制。

由此數(shù)據(jù)可知，管內(nèi)黏貼碳纖維的加固方式可有效地對(duì)斷絲管道結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)，起到遏制斷絲管結(jié)構(gòu)進(jìn)一步惡化的趨勢。

5 結(jié)論與建議

管道鋼絲的斷裂是在多種因素的綜合作用下發(fā)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(zhì)量、管道腐蝕與防護(hù)技術(shù)、外部荷載條件等。

(1)采取黏貼碳纖維布作為臨時(shí)安全保障措施。管道補(bǔ)強(qiáng)加固后，通過多年的工程監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，管內(nèi)黏貼碳纖維的加固方式可以有效地對(duì)斷絲管節(jié)結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)，起到遏制斷絲管節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步惡化的作用。

(2)監(jiān)測資料顯示，管道補(bǔ)強(qiáng)加固后，斷絲區(qū)域周邊測壓管中滲壓計(jì)的顯示值呈季節(jié)性變化特征，與PCCP管道運(yùn)行工況無顯著相關(guān)，PCCP管道斷絲區(qū)域臨近測點(diǎn)與對(duì)照測點(diǎn)地下水位變化趨勢一致。

(3)監(jiān)測資料顯示，管道補(bǔ)強(qiáng)加固后，斷絲區(qū)域各沉降測點(diǎn)2 a內(nèi)未出現(xiàn)明顯趨勢性變形，PCCP管道斷絲區(qū)域周邊上部土體沉降變形測值指標(biāo)低于警戒值。

(4)利用光纖聲監(jiān)測系統(tǒng)可以連續(xù)、自動(dòng)監(jiān)測出PCCP管道鋼絲的斷裂時(shí)刻、位置和斷絲數(shù)量，可以及時(shí)掌握工程狀態(tài)，獲取工程安全相關(guān)信息，從而采取應(yīng)對(duì)措施保證工程安全運(yùn)行。