预应力钢筒混凝土管在水工结构中的应用

　　摘要：针对预应力钢筒混凝土管 (以下简称“PCCP”) 的研究现状和应用现状, 对PCCP在水工结构上的应用研究进展进行了系统的梳理。首先总结了PCCP在国内外的应用现状, 然后分别对预应力钢筒各方面的研究内容进行了细化和梳理:重点分析了前人对预应力钢筒受力性能的研究和数值模拟面临的主要问题, 并分析了各组成结构在PCCP失效过程中起的作用和破坏机理, 最后结合南水北调中PCCP的应用, 对大口径PCCP的研究现状和安全监测研究进行了剖析, 以期对PCCP的应用研究提供新的视角和基础参考。

　　关键词：预应力钢筒混凝土管; 数值模拟; 失效机理; 结构试验; 安全监测;

　　0 引言

　　预应力钢筒混凝土管 (Prestressed Concrete Cylinder Pipe, 简称PCCP) 自1942年问世以来, 以其优越的抗渗性、可靠性、耐久性和抗震性以及运行管理费用低等特性, 在国际上得到广泛应用。目前, 欧美等国的许多输水工程以及利比亚已建成总长超过4 000 km的“大人工河”工程, 均采用了PCCP。在20世纪80年代末90年代初, 我国开始从美国引进PCCP生产线, 迄今已建成管道长度近600 km, 应用于80多项工程。南水北调中线北京段PCCP工程, 线路全长达56.3 km, 工程采用的4 m直径PCCP, 单节最大外径为4 852mm、长5 m、最大重量约为77.4 t, 是迄今国内PCCP工程中线路最长、管径最大、单节管道最重的PCCP工程。随着PCCP在大型管道工程得到更广泛的应用, 国内外学者对其破坏机理与工程失效案例等进行了大量的研究, 并取得了丰富的成果。因此, 本研究从PCCP结构设计、破坏机理和及其安全预警等多个方面进行综述, 分析并总结了PC-CP在设计、施工和运维中存在的问题, 以期对PCCP的更好的在工程中予以应用提供新的视角和基础参考。

　　1 PCCP结构的设计优化

　　PCCP在工程中的使用由来已久, 但在国内外对其设计、施工等方面还未成型, 仍在不断地发展之中。近年来, 由于PCCP工程在我国的大量应用, 为了满足实际需求, 许多学者对PCCP进行了大量的有限元分析研究, 为规范的制定、施工专项方案的实施提供了且有有效的建议和意见。

　　2005年, 张社荣、张彩秀等学者[1,2]对PCCP的设计方法进行了探讨, 依据美国规范中的极限状态设计方式设计了预应力钢筒混凝土管, 并对其设计的PCCP进行数值模拟, 分析了PCCP应力应变以及破坏机制, 同时对比了规范法和有限元法的计算结果, 得出在管道顶部出现管芯内部混凝土的最大拉应力值, 在管外壁腰部出现管芯外侧混凝土的最大拉应力值。该结果为设计和断丝部位的关注区域提供了参考。吴坤占等学者[3]考虑了有限元模型的材料非线性和状态非线性, 以及不同材料间的协调工作, 计算分析了管道在缠丝过程中和施工过程中的管道变形及应力变化情况, 描述了该过程管道裂纹扩展的趋势, 为工程提供了参考。

　　随着有限元数值仿真模拟地不断推进, 也同样面临着许多问题。国内外多位学者建立了包括PC-CP平面二维模型以及PCCP三维实体模型等不同形式的有限元模型, 使得钢丝和管芯之间的接触问题和预应力的施加问题等一些难点问题得到了有效解决, 例如通过降温法、等效荷载法、初应变法等方式来模拟预应力的施加, 但是在一些关键问题, 例如有效地反应钢丝和管芯之间的相互作用等方面还有待于进一步完善。

　　基于此, 大量学者依托各国家级基金以及结合南水北调等PCCP建设项目, 使用模拟仿真软件, 对超大口径PCCP管道在实际施工和运行阶段的安全性、稳定性进行了模拟, 尤其是对管身腐蚀和钢丝断裂对管体强度的影响进行了多种工况的受力特征的研究, 通过不同水压模拟管道应力的变化, 取得了PCCP管钢筋、钢管和混凝土等各材料之间的最大应力指标, 并与材料设计强度进行对比, 为设计和施工提供了较为齐全的数据资料和受力性能情况参考[4]。例如:在内水压力值达到0.6 MPa时, PCCP各部件应力值均小于其对应的设计强度;在内水压力值从0.4 MPa增加到1.4 MPa的过程中, 预应力钢丝中应力增大均匀, 钢筒中应力增加先快后缓, 而混凝土中的拉应力增加先缓后快;当内水压力值增加到极限内压1.4 MPa时, 钢筒和钢丝中的应力均小于材料的设计强度, 并且富余较大, 而此时光芯混凝土最大拉应力超过其抗拉强度, 在拉应力最大处已出现裂纹等[5]。这些研究为PCCP的设计、制作、安装和运维等相关问题提供了针对性的意见和建议, 使得工程从设计阶段就有了较为详实的分析资料和模拟仿真数据, 但同时, 对于这样的大型管道工程, 由于输水压力较大, 一旦管道发生爆裂, 不仅会造成输水线路的中断, 也极有可能带来极大的破坏。因此在假设中, 可能对结构的强度有所保留。因此这些模型有局限性, 例如有的模型中不考虑所有断丝这样的假设可能高估了钢丝断裂造成的损坏, 并将“好”管道错误判断为“坏”管道, 在一定程度上或可导致不必要的资金浪费。

　　2 PCCP的失效与破坏

　　通过仿真分析与工程案例发现, PCCP在工程中的应用存在诸多优点, 包括强度高、抗渗性强、高密封性、耐久性强、方便施工、管理等。但不可否认, 任何结构都不是完美的, PCCP虽然安全稳定性能好, 但实际工程中也存在着许多爆管案例。国外学者[7]通过对从2001年以来进行的500多km PCCP的电磁检测和声学监测数据进行了统计, 包括电磁和声学检测下管段损坏的统计, 以及不同生产年份下管段, 埋置式和内衬式PCCP, 水管和废水管PCCP损坏情况的比较, 阐明了关于PCCP管道性能和破坏的一些主要结论:PCCP有极长的使用寿命, 内衬式PCCP比埋置式PCCP性能更好, 废水管PCCP比水管PCCP更容易损坏。因此, 许多学者在仿真结果的基础上, 对PCCP如何失效以及破坏机理进行了大量研究, 探索PCCP的每个部分结构在失效过程中的诱发作用。

　　孙绍平等[6]针对于PCCP保护层结构的失效情况进行了讨论, 并采用有限元模拟的方法研究了在保护层收缩、预应力钢丝松弛和管内外存在不同温差情况下保护层的径向拉应力分布特征。通过观察发现, 水泥砂浆保护层的可见裂缝 (宽度大于0.05 mm) 仅仅是保护层剥落、损坏的必要条件, 而不是保护层剥落的充分条件。已有表面裂缝存在的水泥砂浆保护层内表面和管芯外表面之间出现过大的拉应力, 导致二者剥离, 才是PCCP外保护层开裂、剥落损坏的充分条件。由于PCCP在外部载荷作用下产生破坏特点, 将整个阶段分为弹性阶段、混凝土开裂阶段、钢丝屈服阶段、破坏阶段四个阶段[8,9], 因此控制砂浆保护层的收缩、减小预应力钢丝的应力松弛而发生钢丝屈服强度的下降, 可以有效缓解管体使用寿命下降的目的。

　　随着研究地进一步深入, 学者们发现PCCP的失效原因不仅仅是结构的某一部分使用的破坏, PCCP的设计、制造、安装、环境和运行各方面都可能是造成其破坏的原因。窦铁生等[10]将PCCP结构的破坏形式概括为沿纵向和沿环向的两大类破坏形式, 同时提出在设计、制造、安装、环境和运行这五个方面下PCCP破坏的原因, 并结合几个典型工程案例进行了系统整理与分析。陈辉等[11]等针对国外主要使用地区 (北美) PCCP结构在使用过程中产生破坏的原因进行了简要分析, 提出外界环境的腐蚀、采取的过度阴极保护措施、制造过程中的质量缺陷问题是PCCP失效的主要原因。沈之基等[12]通过对美国PCCP失效后的灾难性的后果及采取的行动进行了分析, 得出PCCP主要失效原因是保护钢丝的水泥砂浆层自身脆弱, 并且在运行期间得不到有效维护, 管内钢丝易收到腐蚀, 最终在高内压作用下产生爆管现象。许多学者通过深入研究国内外PCCP失效的案例, PCCP在国内规避类似工程问题提供了参考。

　　在PCCP失效与破坏研究的同时, 许多学者为了深入了解PCCP性能, 在对PCCP进行仿真数值模拟分析的同时, 也进行了大量试验研究。

　　窦铁生等[13,14]研究了PCCP在极限内水压和外载荷作用下的承载能力和破坏机理, 以内径为2.6m的埋置式预应力钢混凝土管原型为试验对象, 分别进行了内水压试验、外载荷试验, 在国内外首次采用BOTDA和FBG光纤传感技术, 并在PCCP制造过程中将光纤植入钢筒表面, 在外载荷施加过程中持续监测PCCP各层的应变响应。通过深入分析测试数据得出PCCP各层部件在内水压力作用下的载荷响应规律、管体各层材料开裂特征和屈服荷载大小, 如:试验管在受到0~1.8 MPa的内水压力时, 各层结构变形较协调一致并共同抵御内压, 当内水压力值超过1.8 MPa时砂浆和管芯混凝土均产生开裂现象等。

　　大量实验研究得出钢丝的变形与钢筒外侧混凝土的变形协调一致, 钢筒与钢筒内侧的混凝土变形协调一致, 在对PCCP各层结构在外部载荷作用下的响应数据分析, 管芯腰部外侧混凝土和钢丝受拉应力致使断丝往往较多发生在这一部位。

　　3 PCCP的安全监测

　　PCCP结构多应用于国家基础设施的建设的重大工程, 其结构的安全监测意义重大。对此, 国内外众多学者也做了相应的研究, 并取得了阶段性成果。王五平等[15]介绍了可用于PCCP管爆管预警的光纤监测系统组成及其原理, 并对比试验及工程应用表明, 该系统具有如精度高、监测距离远、使用寿命长等优点, 可推广应用在长距离PCCP输水工程的实时监测与爆管预警。GRAHAM等[16]介绍了从安装永久性光纤声学监测系统开始到管道破裂的时间域和管道的其他变换域的声发射数据分析。随着管道破裂, 分析声学事件的总体特征以及事件的进展和变化。通过每个声学事件在管道破裂时的细节, 进行数学研究以便了解整体特征, 从而开发出允许从状态监测数据进行状态评估的分析方法。杨进新等[17]通过对南水北调中线北京段PCCP的安全监测设计进行研究, 阐述了长距离、超大口径PC-CP输水工程安全监测的设计原则、监测项目、详细布置及监测结果分析, 为同类输水工程的监测设计提供借鉴, 并为超大口径PCCP结构安全与质量控制研究提供了合理的数值依据。CHARLES学者[18]提出PCCP的可预测性和可预防性指数的概念, 该指数是通过评估各种最先进的技术并考虑新兴技术而开发的。建议的可预测性 (Pred) 和可预防性 (Prev) 指数 (P&P) 的数据和信息通过华盛顿郊区卫生委员会 (WSSC) , 马里兰州劳雷尔收集的数据和信息进行评估和验证, 将有助于公用事业预测并以复杂的方式预防PCCP故障。骆建军等[19]针对南水北调等大型工程中大口径PCCP受外界和内部因素影响产生断丝现象, 但不能快速准确找到断丝位置这一问题, 在现场对PCCP结构进行了实验研究, 提出了一套基于频率检测原理的光纤光栅PCCP断丝检测技术, 同时开发出了应用于大口径PCCP断丝检测的检测仪器及相关设备, 形成了一整套PCCP断丝检测的系统, 并通过现场原位试验验证了这一检测系统的可行性、可靠性和实用性, 能够为大型PCCP断丝进行实时检测, 也为下一步南水北调相关管道断丝问题提供了技术指导。冯新等[20]为了对PCCP进行全生命周期的结构状态监测, 提出了基于分布式光纤传感器的PCCP结构状态监测方法, 并在现场对该方法进行了有效性验证。通过PCCP服役期间的受力分析, 提出了一套分布式应变监测的方案, 同时利用分布在某供水工程的光纤传感器, 获得了PCCP在打压试验工况下的分布式应变监测数据。将该数据与数值模拟结果对比分析, 表明分布式光纤传感器能够适用于处于复杂环境的实际工程现场, 并能够准确反映出PCCP的应变特征, 满足PCCP结构状态的监测和安全预警的要求, 为PCCP全生命周期安全提供技术支撑。这些监测手段使得人们从过去仅限于内部视觉检查和探测, 转变为外部数据挖掘和大数据分析检查的多种分析手段, 使得评价PCCP的安全状况的技术水平有了质的改善。

　　虽然现有的安全监测方法并不是完全可靠, 例如在使用的声学光纤AFO监测系统在观察管道中预应力钢丝的实时断裂时, 当PCCP没有达到充分预应力, 断丝不会产生AFO系统能够捕获的明显噪声。这些“未记录”的断丝或预应力不足, 以及其他缺陷 (如腐蚀钢瓶) 可能导致管道失效。但针对于国外PCCP管道领域多年的监测数据, 也发现了一些其他问题[21,22,23]:基于连续声学光纤AFO监测系统在这种增压周期中提供的实时监测, 发现在管道脱水和再填充的关闭期间的压力循环期间记录了超过正常数量的断丝, 且在所提出的情况中, 大多数损坏发生在以下管道中:经历更大的压力变化、之前没有声学活性、以前没有失效的管道会显示异常。这一结果得出, 内部检测技术通常要求管道排空水—导致管道完全减压和重新加压循环等, 这种停机减压和再加压循环的压力变化似乎会加速钢丝损坏。在某些情况下, 循环可能会简单地集中钢丝断裂, 并且这些钢丝在几个月后可能会断开, 从而可能导致不应遇险的管道发生损坏。

　　4 总结

　　预应力钢筒混凝土管在水工结构上的应用具有明显优势, 得到国内外广泛认可, 同时一旦产生爆管等现象造成的损失也是巨大的。随着PCCP的广泛使用和运维期的增加, 面临的不确定因素将大大增加, 因此其结构的稳定性问题会变得更加敏感, 加强对PCCP失效与破坏机理的研究, 并进行必要的监测和检测, 可以有效减少因断丝等事故造成的人员伤亡和财产损失。在国内外工程案例分析的基础上, 对目前工程设计、施工和运维方案提供一些持续性的改进建议, 不仅具有较大是工程需求和应用前景, 也是未来PCCP的主要课题之一。

　　参考文献
　　[1]张社荣, 张彩秀, 顾辉.预应力钢筒混凝土管 (PCCP) 设计方法探讨[J].水利水电技术, 2005, 36 (4) :53-55.
　　[2]张彩秀.预应力钢筒混凝土管 (PCCP) 的有限元分析[D].天津:天津大学, 2006.
　　[3]吴坤占. PCCP管道结构有限元分析研究[D].西安:西安理工大学, 2008.
　　[4]王倩玲, 杨杰, 王法武.预应力钢筒混凝土管 (PCCP) 数值仿真分析综述[J].山西建筑, 2013 (4) :24-27.