孫岳陽(yáng)　胡少偉　胡登興　黃逸群　王洋

摘要：預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）因其高強(qiáng)度、高抗?jié)B性、高密封性、耐久性好和維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)是長(zhǎng)距離輸調(diào)水工程中的首選管材。但是隨著使用年限的增加，會(huì)出現(xiàn)斷絲、滲漏、爆管等風(fēng)險(xiǎn)，一旦發(fā)生事故，直接威脅城市供水安全，也會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)負(fù)面影響。為了更好地促進(jìn)PCCP技術(shù)創(chuàng)新與進(jìn)步，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析方法、試驗(yàn)方法、安全影響評(píng)價(jià)、健康監(jiān)測(cè)檢測(cè)與除險(xiǎn)加固、BCCP的研發(fā)與使用等5個(gè)方面綜述了國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)PCCP的研究進(jìn)展，并針對(duì)預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼絲、砂漿保護(hù)層、管身防龜裂老化、管芯混凝土的澆筑方式、全壽命智能監(jiān)測(cè)平臺(tái)、生產(chǎn)技術(shù)水平等方面進(jìn)行了研究展望，以期促進(jìn)PCCP技術(shù)進(jìn)步與行業(yè)的健康發(fā)展。

關(guān) 鍵 詞：PCCP； BCCP； 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 安全評(píng)價(jià)； 除險(xiǎn)加固

中圖法分類(lèi)號(hào)： TV68 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.06.023

0 引 言

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（Prestressed Concrete Cylinder Pipe，PCCP）誕生于1893年，歷經(jīng)多次升級(jí)改進(jìn)［1］，其中最重要的兩次升級(jí)發(fā)生在1939年和1942年。1939年，Bonna管道公司首次將預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)應(yīng)用到輸水管道中；1942年，美國(guó)Look Joint公司首次將鋼筒應(yīng)用在混凝土管道中，才有了現(xiàn)如今在全世界大規(guī)模使用的PCCP，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。在帶鋼筒的混凝土管芯外纏繞預(yù)應(yīng)力鋼絲，使得管芯受到一個(gè)初始的預(yù)壓應(yīng)力，充分發(fā)揮混凝土受壓和鋼筋受拉的材料優(yōu)勢(shì)，從而抵消實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的部分內(nèi)水壓力。纏絲完成后最后輥射砂漿保護(hù)層，保護(hù)預(yù)應(yīng)力鋼絲免遭腐蝕。

中國(guó)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(guó)引進(jìn)PCCP核心技術(shù)和設(shè)備，自此拉開(kāi)了國(guó)內(nèi)使用PCCP的序幕。1990年，該公司生產(chǎn)出中國(guó)第一批管徑為2.6 m的埋置式PCCP。30多年來(lái)，從山西萬(wàn)家寨引黃工程到哈爾濱磨盤(pán)山輸水工程；從南水北調(diào)工程到遼寧大伙房水庫(kù)輸水工程；從廣州西江引水工程到遼寧省重點(diǎn)輸水工程等一系列重點(diǎn)工程中擔(dān)綱的管材都是PCCP［2］。僅僅30 a，兩萬(wàn)多千米的PCCP打造了中國(guó)大江大河引水的超級(jí)管網(wǎng)。時(shí)至今日，全國(guó)除西藏自治區(qū)以外，各省、直轄市、自治區(qū)都有使用PCCP的重點(diǎn)工程實(shí)例，其中十大經(jīng)典工程實(shí)例見(jiàn)表1。中國(guó)已成為全球PCCP生產(chǎn)與使用最多的國(guó)家。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)PCCP的廠家多達(dá)40多家，生產(chǎn)線數(shù)量超百條，生產(chǎn)的管徑最大達(dá)4 m，最大工壓可達(dá)3.0 MPa，最大覆土深度可達(dá)20 m，不斷創(chuàng)造著最長(zhǎng)里程、最大工壓、最大管徑等PCCP的中國(guó)之最、亞洲之最、世界之最，在全世界PCCP管道工程中樹(shù)起了中國(guó)品牌。

在“十四五”新發(fā)展格局中，國(guó)家實(shí)施科技強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略、制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略、交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略、區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展戰(zhàn)略。在以“兩新一重”（新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，新型城鎮(zhèn)化建設(shè)，交通、水利等重大工程建設(shè)）為標(biāo)志的龐大基礎(chǔ)設(shè)施體系建設(shè)項(xiàng)目中，對(duì)水資源的調(diào)配都離不開(kāi)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(zhǎng)久等優(yōu)點(diǎn)使其在輸水項(xiàng)目、水資源配置項(xiàng)目各種管材中處于優(yōu)勢(shì)地位，因此PCCP在國(guó)內(nèi)也逐步進(jìn)入黃金時(shí)期。

但是在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，PCCP也暴露出一些問(wèn)題，例如斷絲甚至出現(xiàn)爆管現(xiàn)象。為此，本文依據(jù)收集的國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究資料，結(jié)合國(guó)內(nèi)外關(guān)于PCCP結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析方法、試驗(yàn)方法、安全影響評(píng)價(jià)、健康監(jiān)測(cè)檢測(cè)以及除險(xiǎn)加固等研究成果，總結(jié)了PCCP的相關(guān)研究，并進(jìn)行了展望，以為PCCP行業(yè)的發(fā)展提供方向。

1 PCCP研究進(jìn)展

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析方法

PCCP結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指分析其在各種外力，包括土荷載、活荷載、內(nèi)水壓力、流體自重以及管體自重等作用下各組分的應(yīng)力、應(yīng)變分布和管體整體的受載響應(yīng)規(guī)律。最早采用的是半經(jīng)驗(yàn)的工作應(yīng)力法，該方法是基于完全預(yù)應(yīng)力理論的無(wú)拉應(yīng)力準(zhǔn)則進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，計(jì)算方便快捷。美國(guó)供水工程協(xié)會(huì)（American Water Works Association，簡(jiǎn)稱AWWA）在早期制定的AWWA C301 Prestressed Concrete Pressure Pipe，Steel-Cylinder Type［3］規(guī)范中推薦使用該方法。該方法保證了PCCP管芯在內(nèi)、外荷載作用下所產(chǎn)生的應(yīng)力在預(yù)壓應(yīng)力范圍內(nèi)，安全系數(shù)較高，但往往會(huì)造成鋼筋和混凝土用量的浪費(fèi)，且容易導(dǎo)致局部混凝土受壓應(yīng)力過(guò)大，甚至存在被壓潰的風(fēng)險(xiǎn)。

隨后，1989～1993年，學(xué)者ZARGHAMEE等［4］提出了采用分層模型法計(jì)算PCCP在內(nèi)、外荷載作用下的受力響應(yīng)，并設(shè)計(jì)了大量原型管試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證此模型。將PCCP管壁根據(jù)材料分成若干層，假設(shè)各層之間是完全接觸的，然后根據(jù)各層材料相應(yīng)的本構(gòu)模型計(jì)算內(nèi)、外荷載作用下各層結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變分布。該方法可以得到各種材料都處于彈性階段時(shí)的受力情況，但一旦某層材料進(jìn)入塑性開(kāi)始失效，截面應(yīng)力發(fā)生重分布，模型計(jì)算結(jié)果則與實(shí)際誤差較大。

經(jīng)過(guò)大量工程實(shí)踐，美國(guó)供水工程協(xié)會(huì)基于C301完全預(yù)應(yīng)力理論進(jìn)行改進(jìn)，提出了基于部分預(yù)應(yīng)力理論的極限狀態(tài)計(jì)算法，并將該方法編入了AWWA C304 Design of Prestressed Concrete Cylinder Pipe［5］規(guī)范中。以變形控制為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，允許PCCP在某些荷載組合工況下出現(xiàn)可以控制的裂縫，考慮工作、彈性和強(qiáng)度3種極限狀態(tài)，選擇管頂、管底和管腰作為關(guān)鍵截面，逐一計(jì)算各種荷載組合工況下的PCCP截面應(yīng)力應(yīng)變分布，將計(jì)算的結(jié)果與3種極限狀態(tài)下的判定準(zhǔn)則進(jìn)行驗(yàn)證。中國(guó)水利部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SL702-2015《預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管道技術(shù)規(guī)范》［6］也參考此方法來(lái)設(shè)計(jì)PCCP。

除了以上幾種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，中國(guó)自主編制了預(yù)應(yīng)力管道的通用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)——CECS140-2011《給水排水工程埋地預(yù)應(yīng)力混凝土管和預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》［7］，該標(biāo)準(zhǔn)考慮正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)兩種極限狀態(tài)，以可靠度指標(biāo)來(lái)衡量管道結(jié)構(gòu)的可靠性。

隨著有限元計(jì)算理論的發(fā)展，越來(lái)越多的學(xué)者使用各種有限元軟件，即數(shù)值計(jì)算方法，來(lái)進(jìn)行PCCP結(jié)構(gòu)受力分析，經(jīng)歷了從二維到三維，線性到非線性的發(fā)展。學(xué)者ZARGHAMEE等［8］在2003年通過(guò)建立PCCP 三維計(jì)算模型，研究了斷絲PCCP在內(nèi)、外壓共同作用下的破壞特點(diǎn)和斷絲對(duì)PCCP結(jié)構(gòu)失效的風(fēng)險(xiǎn)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(duì)管道整體剛度的貢獻(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)應(yīng)力鋼絲的動(dòng)態(tài)仿真模擬。2011年，胡少偉等［10］以南水北調(diào)中線工程為背景，進(jìn)行PCCP斷絲原型試驗(yàn)，基于斷絲PCCP外壓試驗(yàn)結(jié)果，建立PCCP三維數(shù)值計(jì)算模型，研究了斷絲數(shù)量對(duì)超大口徑PCCP承載性能的影響規(guī)律。2021年，黃智剛等［11］通過(guò)三維有限元模擬研究了裂縫長(zhǎng)度、貫穿性裂縫和非貫穿性裂縫對(duì)PCCP管體承載能力的影響規(guī)律，為預(yù)存裂縫的PCCP管道在實(shí)際工程中應(yīng)用提供安全性方面的理論支撐。

1.2 試驗(yàn)方法

國(guó)內(nèi)外學(xué)者除了對(duì)PCCP結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和計(jì)算分析方法進(jìn)行了大量的研究，還開(kāi)展了大量的原位試驗(yàn)，揭示了PCCP的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律和破壞機(jī)理。美國(guó)供水工程協(xié)會(huì)規(guī)范AWWA M9 Concerete pressure pipe［12］中給出了PCCP型式檢驗(yàn)的壓力試驗(yàn)方法，明確規(guī)定成品管出廠前需進(jìn)行抗裂內(nèi)壓和抗裂外壓試驗(yàn)檢測(cè)，要求在根據(jù)規(guī)范計(jì)算出的內(nèi)水壓和外壓作用下，PCCP成品管需滿足各項(xiàng)控制開(kāi)裂的標(biāo)準(zhǔn)。

國(guó)內(nèi)進(jìn)行PCCP原型試驗(yàn)研究相對(duì)較晚。2009年，胡少偉［10］對(duì)南水北調(diào)工程超大口徑PCCP進(jìn)行了內(nèi)、外壓現(xiàn)場(chǎng)原型試驗(yàn)，揭示了大口徑PCCP內(nèi)、外荷載作用下的破壞規(guī)律和承載機(jī)理，給出了已有裂縫PCCP的安全評(píng)估方法。2018年，竇鐵生［13-14］在PCCP承受內(nèi)、外壓試驗(yàn)中首次采用BOTDA和FBG光纖傳感技術(shù)，得到了PCCP內(nèi)、外壓加載過(guò)程中鋼筒、管芯、鋼絲和保護(hù)層的應(yīng)變響應(yīng)，揭示了各部位的受載響應(yīng)規(guī)律。GB/T 19685-2017《預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管》［15］中詳細(xì)給出了PCCP出廠前的型式檢驗(yàn)要求，包括外觀質(zhì)量、裂縫寬度和長(zhǎng)度、管芯混凝土強(qiáng)度、保護(hù)層砂漿強(qiáng)度、抗裂內(nèi)壓和抗裂外壓試驗(yàn)。

1.3 安全影響評(píng)價(jià)

根據(jù)相關(guān)資料，近年來(lái)運(yùn)行中的PCCP接連發(fā)生破壞事故，大多數(shù)是由于外部環(huán)境引起保護(hù)層開(kāi)裂，腐蝕介質(zhì)進(jìn)入腐蝕鋼絲，使管道的承載能力大幅下降。國(guó)內(nèi)外學(xué)者則主要研究管道腐蝕、預(yù)應(yīng)力損失、斷絲和裂縫等4個(gè)方面對(duì)PCCP安全的影響，處理好這些問(wèn)題將為PCCP的運(yùn)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(nèi)，由管端向管內(nèi)發(fā)展，最容易遭受破壞的就是管身保護(hù)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(hù)層的剝蝕機(jī)理，認(rèn)為在酸性環(huán)境下，碳化是造成保護(hù)層損壞的主要原因。2008～2009年，王東黎等［17］介紹了國(guó)外PCCP工程的防腐蝕措施，針對(duì)南水北調(diào)北京段PCCP工程，建議采用帶狀鋅犧牲陽(yáng)極法保護(hù)預(yù)應(yīng)力鋼絲的設(shè)計(jì)理念和方法，該方法后來(lái)也寫(xiě)進(jìn)了中國(guó)的SL702-2015規(guī)范中，目前國(guó)內(nèi)供水主干管工程中均采用此方法對(duì)管道實(shí)施防腐［18-19］。2011年，杜建偉［20］對(duì)鹽堿地區(qū)的PCCP防腐材料選用進(jìn)行了研究，對(duì)比了環(huán)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(huán)氧煤瀝青涂料作為PCCP保護(hù)層的防腐材料，環(huán)氧煤瀝青涂料也是目前國(guó)內(nèi)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(guò)纏繞1 570 MPa的高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絲使管芯受到一個(gè)初始的預(yù)壓應(yīng)力，從而抵消部分內(nèi)水壓力。該高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絲是鋼盤(pán)條經(jīng)反復(fù)拉拔而成的，鋼的柔韌性能大幅下降，而脆性增加，氫脆指標(biāo)難以合格，使用幾年后易出現(xiàn)脆化斷裂。為了保護(hù)預(yù)應(yīng)力鋼絲，PCCP中保護(hù)層采用輥射的砂漿保護(hù)層，參考JGJ/T 98-2010《砌筑砂漿配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》［21］，水泥砂漿和預(yù)拌砌筑砂漿的強(qiáng)度等級(jí)最高為M30，而PCCP中要求保護(hù)層砂漿的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值不低于45 MPa，遠(yuǎn)大于M30和M15，強(qiáng)度難以滿足，設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)算校核雖然通過(guò)，但是往往忽略了實(shí)際砂漿強(qiáng)度不足帶來(lái)的PCCP保護(hù)層先天隱蔽性缺陷。另外，當(dāng)PCCP服役于鹽類(lèi)和化學(xué)腐蝕環(huán)境中時(shí)，還需對(duì)保護(hù)層進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)，增加保護(hù)層的厚度和抗離子滲透性能［22］。因此，在施工及運(yùn)行過(guò)程中，主要有如下多種原因會(huì)造成PCCP的斷絲：① 鋼絲的氫脆指標(biāo)不合格；② 制造時(shí)砂漿保護(hù)層的強(qiáng)度不合格，質(zhì)量差；③ PCCP處于腐蝕性土壤中，腐蝕性物質(zhì)侵入砂漿保護(hù)層；④ PCCP安裝不當(dāng)，砂漿保護(hù)層出現(xiàn)裂縫。

預(yù)應(yīng)力是整管強(qiáng)度的保證，是否能夠長(zhǎng)久使用取決于預(yù)應(yīng)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(duì)PCCP中鋼絲斷絲的原因進(jìn)行了分析，并研究了斷絲對(duì)PCCP承載能力的影響。2009～2011年，胡少偉［10］通過(guò)超大口徑斷絲PCCP原型試驗(yàn)和數(shù)值模擬，對(duì)斷絲管的承載能力進(jìn)行了研究，給出了不同數(shù)量斷絲對(duì)PCCP結(jié)構(gòu)性能影響的評(píng)價(jià)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(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。2019年，胡少偉等［24］針對(duì)某輸調(diào)水工程在役超大口徑PCCP斷絲問(wèn)題，建立有限元分析模型，探究了管身中部預(yù)應(yīng)力鋼絲發(fā)生不同比例斷絲時(shí)的管道各部位受力狀態(tài)。

1.3.3 預(yù)應(yīng)力損失研究

預(yù)應(yīng)力混凝土管道從生產(chǎn)、施工到運(yùn)行都不可避免會(huì)發(fā)生預(yù)應(yīng)力損失。如果損失過(guò)大，將導(dǎo)致管芯的預(yù)壓應(yīng)力變小，承載能力將會(huì)受到影響。預(yù)應(yīng)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(chǎn)生。2010年，胡少偉［10］采用光纖光柵應(yīng)變計(jì)，對(duì)PCCP中的預(yù)應(yīng)力損失進(jìn)行了測(cè)量，并基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了預(yù)應(yīng)力損失管的承載能力。

1.3.4 裂縫影響研究

PCCP中常見(jiàn)的裂縫有混凝土管芯內(nèi)壁環(huán)向裂縫和縱向裂縫，兩者形成的機(jī)理不同。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)PCCP中裂縫的發(fā)展規(guī)律和裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)承載性能的安全影響進(jìn)行了大量研究。2015年，Najafi［25］對(duì)管芯環(huán)向裂縫和縱向裂縫進(jìn)行了產(chǎn)生機(jī)理研究和可靠度分析，認(rèn)為環(huán)向裂縫對(duì)PCCP的承載能力影響較小，而縱向裂縫對(duì)PCCP的承載能力影響較大。2010年，胡少偉［10］對(duì)南水北調(diào)工程北京段超大口徑管芯預(yù)存縱向裂縫的PCCP進(jìn)行了抗裂外壓試驗(yàn)，同時(shí)建立三維有限元分析模型，研究了縱向裂縫對(duì)PCCP外壓承載能力的影響，認(rèn)為預(yù)存裂縫對(duì)PCCP的極限荷載影響不大，但是會(huì)在裂縫位置處的混凝土和砂漿保護(hù)層處產(chǎn)生應(yīng)力集中。2021年，黃智剛［11］通過(guò)三維有限元模擬研究了貫穿性裂縫和非貫穿性裂縫對(duì)PCCP管體承載能力的影響規(guī)律，認(rèn)為縱向貫穿性裂縫對(duì)PCCP結(jié)構(gòu)的安全性影響較大，工程中應(yīng)禁止使用縱向帶有貫穿性裂縫的PCCP。

1.4 健康監(jiān)測(cè)、檢測(cè)與除險(xiǎn)加固

由于PCCP安全事故的相繼發(fā)生，越來(lái)越多的學(xué)者致力于PCCP運(yùn)行安全的監(jiān)測(cè)、檢測(cè)及評(píng)估。2005年，Amaitik等［26］總結(jié)了電磁、聲學(xué)、GPR雷達(dá)等常見(jiàn)的PCCP運(yùn)行監(jiān)測(cè)手段以及根據(jù)歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)和檢查結(jié)果，提出了一種基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）的PCCP斷絲預(yù)測(cè)模型，從而評(píng)價(jià)PCCP的運(yùn)行狀態(tài)，并將其應(yīng)用于大型人工河流工程（GMRP）的實(shí)際聲波監(jiān)測(cè)中，結(jié)果表明預(yù)測(cè)性較好。

中國(guó)對(duì)PCCP安全的監(jiān)測(cè)技術(shù)研究較晚。2014年南水北調(diào)中線干線停水檢修時(shí)，通過(guò)電磁法檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)北京段PCCP管道部分管節(jié)存在斷絲。2015年4月至2016年5月，北京市南水北調(diào)建管中心在北京段PCCP管道工程選取試驗(yàn)段（35.7km）安裝了國(guó)內(nèi)首套基于光纖光柵傳感技術(shù)（FBG）研發(fā)的斷絲和漏水實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［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(fēng)險(xiǎn)層次分析數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)模型，對(duì)南水北調(diào)工程中大口徑PCCP的斷絲風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，并開(kāi)發(fā)出一套安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管理軟件和頻譜響應(yīng)分析系統(tǒng)。2018年，魏治文［29］介紹了鄂北地區(qū)水資源配置工程中PCCP管道安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)方案，包括監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)原則、監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、測(cè)點(diǎn)及設(shè)備布置等。

PCCP管道預(yù)應(yīng)力鋼絲出現(xiàn)斷裂后需進(jìn)行加固修復(fù)。2017年，張海豐等［30］總結(jié)了北美地區(qū)廣泛使用的4種PCCP加固修復(fù)技術(shù)：移除更換技術(shù)、體外鋼絞線加固技術(shù)、縮頸鋼筒內(nèi)襯技術(shù)和鋼管穿插技術(shù)，分析了4種技術(shù)的原理，比較了4種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。2019年，趙麗君［31］、張奇［32］等研究并發(fā)明了一種基于預(yù)應(yīng)力鋼絞線與錨具的管道預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)，如圖2（a）所示。翟科杰［33］、魯文妍［34］等研究了碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）加固后的PCCP承載性能，如圖2（b）所示，并進(jìn)行了有限元模擬驗(yàn)證，結(jié)果表明在管芯混凝土開(kāi)裂后，CFRP能很好地參與應(yīng)力重分布，經(jīng)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(fā)與使用

鋼筋纏繞鋼筒混凝土壓力管（Bar-wrapped Cylinder Concrete Pressure Pipe，BCCP）的結(jié)構(gòu)形式（見(jiàn)圖3）與PCCP類(lèi)似，是遵循SL702-2015《預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管道技術(shù)規(guī)范》［5］和GB 50332-2002《給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［35］，參照美國(guó)AWWA C303 Concrete pressure pipe，bar-wrapped steel-cylinder type［36］標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和改進(jìn)，經(jīng)寧夏青龍管業(yè)集團(tuán)股份有限公司3 a研究改進(jìn)而取得成功的專利新產(chǎn)品［37］，是由帶鋼筒的高強(qiáng)混凝土管芯在纏繞預(yù)應(yīng)力鋼筋后，再澆筑細(xì)石混凝土保護(hù)層而制成的復(fù)合管材，結(jié)構(gòu)如圖3所示。該管道采用應(yīng)力等級(jí)較低的冷軋帶肋螺紋鋼筋（直徑一般8～11 mm，屈服強(qiáng)度為650 MPa或970 MPa）和細(xì)石混凝土保護(hù)層，既可以埋地使用，又可以露天使用，目前已應(yīng)用于寧夏、山西、甘肅等20多項(xiàng)輸調(diào)水工程中。孫岳陽(yáng)［38-39］、胡少偉［40］等從結(jié)構(gòu)計(jì)算分析和配筋優(yōu)化方法、纏筋模型、在內(nèi)外壓作用下的承載性能和破壞規(guī)律、受力全過(guò)程數(shù)值仿真模擬、接口力學(xué)性能和預(yù)應(yīng)力損失、裂縫對(duì)其安全影響的評(píng)價(jià)等方面對(duì)BCCP進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究。

2 PCCP研究展望

實(shí)際工程中PCCP的受力行為較為復(fù)雜，尚有一些技術(shù)亟需探究。

（1） PCCP中采用高強(qiáng)的預(yù)應(yīng)力鋼絲，存在氫脆斷裂和腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重影響PCCP管線的運(yùn)行安全，可尋求新型材料來(lái)代替預(yù)應(yīng)力鋼絲，如使用玄武巖纖維復(fù)合筋（Basalt FRP）。玄武巖纖維是玄武巖礦石經(jīng)過(guò)高溫熔融后，通過(guò)高速拉絲漏板拉制而成，制備工藝成熟，成本低，其生產(chǎn)原料取自天然的火山巖礦石而無(wú)任何添加劑，生產(chǎn)過(guò)程中也無(wú)“三廢”排放，對(duì)環(huán)境污染很小，是一種名副其實(shí)的環(huán)保節(jié)能產(chǎn)品，符合中國(guó)“十四五”時(shí)期創(chuàng)新發(fā)展、綠色低碳發(fā)展、高質(zhì)量發(fā)展理念以及“雙碳目標(biāo)”，已被中國(guó)列為中長(zhǎng)期重要發(fā)展的四大高新技術(shù)纖維之一。將Basalt FRP應(yīng)用到PCCP中，需對(duì)其相關(guān)力學(xué)指標(biāo)和工藝指標(biāo)開(kāi)展可靠性、經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性研究。

（2） PCCP中保護(hù)層采用輥射的砂漿保護(hù)層，厚度較薄，易產(chǎn)生開(kāi)裂，可尋求采用自愈合（自修復(fù)）砂漿，如利用砂漿中的水泥基材料進(jìn)行自生愈合，使砂漿保護(hù)層產(chǎn)生的裂縫寬度不斷縮小，甚至愈合，耐久性逐漸恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)建筑材料的可持續(xù)發(fā)展。除了自愈合（自修復(fù)）砂漿外也可選用其它替代材料，對(duì)其力學(xué)性能、耐久性能、經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性開(kāi)展研究，最終延長(zhǎng)PCCP的使用壽命。

（3） 在炎熱的條件下，無(wú)論是PCCP還是BCCP，即使管身外厚涂高固體分環(huán)氧煤瀝青防腐蝕涂料，依然會(huì)出現(xiàn)龜裂、老化、脫落等現(xiàn)象，如果管道在高侵蝕環(huán)境和高地下水環(huán)境下服役，環(huán)氧煤瀝青損傷和砂漿保護(hù)層開(kāi)裂后易引起預(yù)應(yīng)力鋼絲的銹蝕，需對(duì)環(huán)氧煤瀝青進(jìn)行改性研究，改進(jìn)其耐候性。也可研究采用其它管身防護(hù)材料，對(duì)其適用性、耐久性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)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(dòng)澆筑法生產(chǎn)，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)噪音大，會(huì)對(duì)工人和神經(jīng)系統(tǒng)、心腦血管系統(tǒng)以及內(nèi)分泌系統(tǒng)帶來(lái)嚴(yán)重的影響，可尋求采用自密實(shí)混凝土進(jìn)行澆筑，對(duì)其配制方法、工作性能、流變學(xué)特性、抗侵蝕性能、經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性開(kāi)展研究。

（5） 實(shí)際埋地運(yùn)行過(guò)程中，PCCP除了會(huì)出現(xiàn)預(yù)應(yīng)力損失、裂縫，還會(huì)出現(xiàn)滲漏和大變形等安全隱患。所以需對(duì)PCCP進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)和運(yùn)行監(jiān)測(cè)，考慮地基、基礎(chǔ)、管線結(jié)構(gòu)、附屬設(shè)施等檢測(cè)模塊，包括預(yù)應(yīng)力損失、滲漏、變形、裂縫等工程檢測(cè)項(xiàng)目，開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)定位模塊，可以記錄不同時(shí)期、不同地點(diǎn)的檢測(cè)信息（包括位置信息、工程信息、原始測(cè)試數(shù)據(jù)、報(bào)告等），最終建立基于人機(jī)交互的PCCP工程質(zhì)量及全壽命智能監(jiān)測(cè)平臺(tái)，真實(shí)反映PCCP結(jié)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)行情況。

（6） 南水北調(diào)中線工程京石段使用的PCCP管徑達(dá)4 m，揭開(kāi)了中國(guó)超大口徑PCCP使用的序幕，標(biāo)志著中國(guó)PCCP的生產(chǎn)工藝技術(shù)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，PCCP也成為長(zhǎng)距離輸調(diào)水工程中大口徑承壓輸水管道的首選管材。需繼續(xù)提高技術(shù)水平，研發(fā)更大口徑PCCP的生產(chǎn)工藝，提高生產(chǎn)設(shè)備能力以及配套的密封、運(yùn)輸和安裝技術(shù)。另外，小口徑（1.2 m以下）PCCP的市場(chǎng)幾乎被輕質(zhì)、吊裝運(yùn)輸方便和防腐蝕性能優(yōu)越的塑料管（PE、PVC等）和球墨鑄鐵管等蠶食，應(yīng)積極利用新技術(shù)、新材料在管道輕質(zhì)、耐腐蝕方向進(jìn)行探索研究，開(kāi)發(fā)更多的高耐久性新型PCCP系列產(chǎn)品。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析方法、試驗(yàn)方法、安全影響評(píng)價(jià)、健康監(jiān)測(cè)檢測(cè)與除險(xiǎn)加固、BCCP的研發(fā)與使用等5個(gè)方面介紹了PCCP的研究進(jìn)展，并對(duì)未來(lái)的研究方向進(jìn)行了展望。盡管現(xiàn)在運(yùn)行的PCCP在檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)個(gè)別斷絲甚至出現(xiàn)爆管現(xiàn)象，但是對(duì)于大口徑管道選型，PCCP仍然是性價(jià)比優(yōu)越的管材。本研究旨在拋磚引玉，希望廣大科研與工程技術(shù)人員同心協(xié)力，促進(jìn)PCCP技術(shù)進(jìn)步與行業(yè)的健康發(fā)展，以期讓PCCP更好地服務(wù)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)。

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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，F(xiàn)ujian University of Technology，F(xiàn)uzhou 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(xiàng)目：江蘇省高等學(xué)校基礎(chǔ)科學(xué)（自然科學(xué)）研究項(xiàng)目（21KJB570003）；國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（51739008，52130901）；國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目（52109164）；重慶市自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體項(xiàng)目（cstc2020jcyj-cxttX0003）

作者簡(jiǎn)介：孫岳陽(yáng)，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