內(nèi)壓作用下PCCP變形光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

于小葦

（遼寧水資源管理集團(tuán)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110003）

0 引 言

根據(jù)國(guó)內(nèi)外預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）的綜合應(yīng)用現(xiàn)狀及在工程中的具體發(fā)揮的作用，研究PCCP對(duì)于安全方面的影響，已經(jīng)不能夠滿足大型重要工程的基本需要。對(duì)于基礎(chǔ)理論方面的研究，沒(méi)有比較深入的探索，相關(guān)的試驗(yàn)和試驗(yàn)研究工作也是非常少的。并且因?yàn)橘Y金方面會(huì)受到限制，沒(méi)有足夠的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，對(duì)于PCCP的現(xiàn)場(chǎng)原型試驗(yàn)，所獲得的研究結(jié)果已經(jīng)不能夠滿足當(dāng)前對(duì)于結(jié)構(gòu)理論的深入需求。PCCP如果發(fā)生了斷絲現(xiàn)象，會(huì)極大的影響到正常使用極限狀態(tài)，開(kāi)裂之后內(nèi)水的壓力會(huì)不斷的處于降低的狀態(tài)，如果斷絲的范圍是比較大的時(shí)候，預(yù)應(yīng)力管體自身重量，土的壓力，以及流體自重等各方面的綜合影響之下，就會(huì)失去承載的能力，并且沒(méi)有辦法能夠繼續(xù)承擔(dān)內(nèi)水的壓力，這種情況下會(huì)在內(nèi)水壓力作用下，發(fā)生爆管事故。所以當(dāng)前需要在運(yùn)行PCCP的具體過(guò)程之中，尋求一種有效的手段，來(lái)進(jìn)行比較嚴(yán)格的監(jiān)管控制PCCP斷絲現(xiàn)象發(fā)生。中國(guó)現(xiàn)在的經(jīng)濟(jì)處于不斷的上升時(shí)期，且PCCP管道應(yīng)用的范圍也是非常廣泛的，所以需要使用監(jiān)測(cè)技術(shù)，來(lái)不斷的監(jiān)控管理PCCP，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

1 管道概念

PCCP是一種新型的混凝土復(fù)合管，是比較優(yōu)質(zhì)、新型的高強(qiáng)復(fù)合管，在世界上的使用范圍比較廣泛。PCCP是需要在一種在混凝土材質(zhì)的管芯中，向其中鑲?cè)脘撏搀w，同時(shí)會(huì)在管芯的外面使用纏繞預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼絲的方法，在表層噴涂一層水泥砂漿，所以說(shuō)PCCP是一種復(fù)合管材。PCCP是中國(guó)出現(xiàn)的一種比較新型的輸水管材，具有非常廣泛的適用范圍，并且使用壽命比較長(zhǎng)，具有比較好的抗震性能，同時(shí)安裝起來(lái)也非常方便，運(yùn)行所使用的費(fèi)用也是比較低的，還具有不漏水的優(yōu)點(diǎn)。因此，PCCP廣泛的應(yīng)用于長(zhǎng)距離的輸水，城市給水，污水管道，農(nóng)業(yè)灌溉用水等各方面。

2 發(fā)展現(xiàn)狀以及存在問(wèn)題

從20世紀(jì)40年代開(kāi)始，美國(guó)就已在長(zhǎng)距離的高壓輸水工程中大量使用PCCP。中國(guó)開(kāi)始應(yīng)用PCCP是從1988年開(kāi)始的，現(xiàn)階段PCCP已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，中國(guó)的水利工程、電力工程、市政給排水工程等多個(gè)領(lǐng)域都已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用PCCP，并且中國(guó)年設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力已經(jīng)達(dá)到了上千公里的目標(biāo)。但PCCP管道在具體的生產(chǎn)過(guò)程，以及實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中，都會(huì)受到周圍各種環(huán)境因素的影響，并且這些環(huán)境因素都會(huì)影響到PCCP管道的使用，會(huì)使得PCCP管道的預(yù)應(yīng)力鋼絲發(fā)生被腐蝕的現(xiàn)象，還有一部分的鋼絲在被腐蝕之后，會(huì)嚴(yán)重的發(fā)展到斷絲的地步，那么如果PCCP管道在相同的位置出現(xiàn)了多股斷絲的情況，管道的強(qiáng)度就會(huì)有非常明顯的降低，最后甚至?xí)?dǎo)致發(fā)生爆管的現(xiàn)象。所以在PCCP管道具體運(yùn)營(yíng)中，一定要使用比較有效的監(jiān)測(cè)技術(shù)來(lái)進(jìn)行監(jiān)控管理，需要建立起一套具有針對(duì)性的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，針對(duì)PCCP管線安全運(yùn)營(yíng)實(shí)行在線監(jiān)測(cè)的方式進(jìn)行比較實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)工作，然后及時(shí)發(fā)現(xiàn)有關(guān)PCCP管道發(fā)生損壞的具體情況，及時(shí)進(jìn)行維修和處理工作，盡量減少安全事故發(fā)生的幾率。

PCCP是一種比較新型的組合結(jié)構(gòu)管材，現(xiàn)國(guó)內(nèi)外的許多學(xué)者都已經(jīng)開(kāi)始深入研究了一些大口徑PCCP管道，并且在此過(guò)程中得到了一些比較有參考意義的結(jié)果，但是有關(guān)于如何判斷超大口徑PCCP原型管的相關(guān)斷絲檢測(cè)試驗(yàn)不多，且有關(guān)于研究這方面的檢測(cè)技術(shù)也是比較少的。目前意大利發(fā)明了一套有關(guān)于PCCP管道的斷絲檢測(cè)設(shè)備，但是它的技術(shù)是保密狀態(tài)，并且價(jià)格也非常昂貴，因此應(yīng)及時(shí)開(kāi)發(fā)具有國(guó)內(nèi)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大口徑PCCP管道的斷絲檢測(cè)技術(shù)。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)記載，在最近的50年期間，美國(guó)在使用PCCP管道過(guò)程中已經(jīng)發(fā)生了許多爆管事故，所以美國(guó)混凝土壓力管協(xié)會(huì)高度強(qiáng)調(diào)重視PCCP發(fā)生破壞的原因，并且在他們有關(guān)的技術(shù)報(bào)告中發(fā)生的爆管事故，大部分都是因?yàn)橹車沫h(huán)境腐蝕預(yù)應(yīng)力鋼絲而導(dǎo)致的。PCCP的破壞還有許多因素，如保護(hù)層質(zhì)量比較差、預(yù)應(yīng)力鋼絲差等各種原因，Mehdi Zarghamee在2003年，首次提出了需要從斷絲的數(shù)量，使用年限，損壞情況等多角度來(lái)進(jìn)行考慮，并從中找出可以修補(bǔ)斷絲的方法。

3 變形監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

中國(guó)變形監(jiān)測(cè)技術(shù)方面的研究工作，始于20世紀(jì)50年代，已經(jīng)發(fā)展半個(gè)世紀(jì)，形成了一套比較完整的理論體系。最近的20年來(lái)，大型工程建設(shè)中許多先進(jìn)的儀器設(shè)備也開(kāi)始不斷發(fā)展使用，使得我國(guó)的變形監(jiān)測(cè)工作取得了不錯(cuò)的成績(jī)。在早期所使用的變形監(jiān)測(cè)技術(shù)，主要是使用比較精密的光學(xué)測(cè)量?jī)x器，如早期的變形監(jiān)測(cè)采用精密的光學(xué)測(cè)量?jī)x器進(jìn)行觀測(cè)，隨著電子儀器的發(fā)展，把應(yīng)變計(jì)、鋼筋計(jì)等各種電子儀器廣泛的應(yīng)用于變形監(jiān)測(cè)工作中，使得變形監(jiān)測(cè)工作，在提高自身的工作效率同時(shí)已經(jīng)開(kāi)始走向了自動(dòng)化、智能化的方向，特別是現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了許多如GPS，全站儀的先進(jìn)儀器，由于計(jì)算機(jī)的優(yōu)化數(shù)據(jù)的處理技術(shù)，變形監(jiān)測(cè)工作已經(jīng)使用了采集數(shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、自動(dòng)化處理數(shù)據(jù)的方式。近年來(lái)，變形監(jiān)測(cè)工作中又出現(xiàn)了若干新的技術(shù)方法，這些新技術(shù)擁有廣闊的應(yīng)用前景。尤其是現(xiàn)在發(fā)展比較好的是光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)，是一種把光學(xué)、電子學(xué)都融為一體的新型技術(shù)，光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)的核心在于光纖傳感器。從大范圍來(lái)說(shuō)，只要是使用了光纖技術(shù)的傳感器，都可以被稱之為光纖傳感器，光纖傳感器還可以分為兩種類型：傳光型光纖傳感器和傳感型光纖傳感器。傳光型光纖傳感器已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，尤其是在我國(guó)的數(shù)字通信領(lǐng)域有著很好的前景，并且在變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中也被用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，所以它通常被用來(lái)測(cè)量溫度。

4 光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)

為了很好的應(yīng)用PCCP管道使其不發(fā)生管道爆炸的情況，就需要很好的使用光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)來(lái)進(jìn)行檢測(cè)管理，并且光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有其自身的優(yōu)勢(shì)，首先具有比較小的物理尺寸，所以它可以包括更多的監(jiān)測(cè)內(nèi)容，其次光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有比較高的耐溫的能力，可以抵抗高溫，同時(shí)還可以通過(guò)數(shù)據(jù)來(lái)傳輸通道，甚至還可以在超過(guò)1 000℃的惡劣環(huán)境中被應(yīng)用，并且光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還是具有較高的可靠性，同時(shí)也是一種最簡(jiǎn)單化的傳感單元，還具有抗干擾的能力，可以抵抗無(wú)線電以及供電系統(tǒng)的干擾作用。

5 光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)的相關(guān)研究

Rregory·J·Henry等仔細(xì)研究了美國(guó)休斯頓市發(fā)生的幾起比較典型的PCCP事故，從中發(fā)現(xiàn)如果管道埋置的深度已經(jīng)超過(guò)了設(shè)置的數(shù)值，就會(huì)使其發(fā)生額外的負(fù)荷，導(dǎo)致鋼絲斷裂。通過(guò)使用聲學(xué)光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究也可評(píng)估PCCP的安全性能，Rudy Loera在2007年建立了一套比較可靠的系統(tǒng)，并且提出在系統(tǒng)中起到重要作用的是預(yù)應(yīng)力鋼絲，認(rèn)真的分析研究了斷絲的形式以及影響區(qū)域，同時(shí)也分析了縱向裂縫和環(huán)向裂縫，并且明確提出了斷絲和裂縫的嚴(yán)重危害。通過(guò)不斷的檢測(cè)管道發(fā)生的斷絲情況，以及發(fā)生斷絲的具體位置，提出了需要使用電磁和渦電流綜合技術(shù)來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)斷絲的情況，預(yù)測(cè)了斷絲的發(fā)展趨勢(shì)。在中國(guó)，有使用ANSYS來(lái)進(jìn)行模擬PCCP，然后開(kāi)始從制造施工和運(yùn)行過(guò)程的受力狀態(tài)這個(gè)角度來(lái)進(jìn)行分析探討，研究了PCCP會(huì)發(fā)生變形以及應(yīng)力和裂縫的原因，以及可能在不同負(fù)荷情況下的發(fā)展規(guī)律。胡少偉通過(guò)研究南水北調(diào)工程中使用的PCCP管道監(jiān)測(cè)技術(shù)，重點(diǎn)是根據(jù)超大口徑PCCP的具體結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行了一系列的原型觀測(cè)工作，在理論上進(jìn)行了解析，以及數(shù)值模擬的各項(xiàng)工作，并且提出了PCCP結(jié)構(gòu)需要的質(zhì)量控制體系。和一些國(guó)外的研究進(jìn)行比較會(huì)發(fā)現(xiàn)對(duì)于PCCP的研究進(jìn)度其實(shí)是比較落后的，大部分也只是在改良生產(chǎn)的工藝技術(shù)，或者是開(kāi)始使用CAE軟件進(jìn)行模擬分析，并且對(duì)于PCCP結(jié)構(gòu)承載的影響方面所進(jìn)行的研究也是比較少的，特別是斷絲監(jiān)測(cè)、斷絲精確定位等方面在我國(guó)仍然沒(méi)有明確的理論依據(jù)。目前對(duì)于PCCP管道所進(jìn)行的監(jiān)測(cè)技術(shù)有電磁法檢測(cè)和聲檢測(cè)，現(xiàn)在發(fā)展比較迅速的還是光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)，主要是使用光纖傳感器來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，由于光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)的自身優(yōu)勢(shì)以及特點(diǎn)，所以PCCP管道監(jiān)測(cè)工作還是比較順利的。

6 結(jié)語(yǔ)

中國(guó)經(jīng)濟(jì)正處于不斷發(fā)展之中，PCCP管道已經(jīng)被應(yīng)用于各大企業(yè)，尤其是在城市的長(zhǎng)距離的輸水等方面有重要作用，同時(shí)它具有比較長(zhǎng)的使用壽命，以及良好的抗震性能性能等各方面的優(yōu)勢(shì)也使得其在城市工程中脫穎而出，雖然PCCP應(yīng)用的范圍比較廣泛，被應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，但是仍然存在著一些不可避免的問(wèn)題，需要通過(guò)使用各種監(jiān)測(cè)技術(shù)來(lái)管理，在這其中光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)被大范圍的應(yīng)用，需要對(duì)PCCP管道進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作，只有這樣才可以發(fā)揮PCCP管道的重要作用，為城市工程作出貢獻(xiàn)。促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，提高企業(yè)在國(guó)際中的競(jìng)爭(zhēng)力。

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