預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）研究進(jìn)展

孫岳陽　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)費用低等優(yōu)點，已經(jīng)是長距離輸調(diào)水工程中的首選管材。但是隨著使用年限的增加，會出現(xiàn)斷絲、滲漏、爆管等風(fēng)險，一旦發(fā)生事故，直接威脅城市供水安全，也會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會負(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)計與分析方法、試驗方法、安全影響評價、健康監(jiān)測檢測與除險加固、BCCP的研發(fā)與使用等5個方面綜述了國內(nèi)外學(xué)者對PCCP的研究進(jìn)展，并針對預(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)測平臺、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； 安全評價； 除險加固

中圖法分類號： 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)多次升級改進(jìn)［1］，其中最重要的兩次升級發(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，從而抵消實際運行過程中的部分內(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引進(jìn)PCCP核心技術(shù)和設(shè)備，自此拉開了國內(nèi)使用PCCP的序幕。1990年，該公司生產(chǎn)出中國第一批管徑為2.6 m的埋置式PCCP。30多年來，從山西萬家寨引黃工程到哈爾濱磨盤山輸水工程；從南水北調(diào)工程到遼寧大伙房水庫輸水工程；從廣州西江引水工程到遼寧省重點輸水工程等一系列重點工程中擔(dān)綱的管材都是PCCP［2］。僅僅30 a，兩萬多千米的PCCP打造了中國大江大河引水的超級管網(wǎng)。時至今日，全國除西藏自治區(qū)以外，各省、直轄市、自治區(qū)都有使用PCCP的重點工程實例，其中十大經(jīng)典工程實例見表1。中國已成為全球PCCP生產(chǎn)與使用最多的國家。目前國內(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)造著最長里程、最大工壓、最大管徑等PCCP的中國之最、亞洲之最、世界之最，在全世界PCCP管道工程中樹起了中國品牌。

在“十四五”新發(fā)展格局中，國家實施科技強(qiáng)國戰(zhàn)略、制造強(qiáng)國戰(zhàn)略、交通強(qiáng)國戰(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)項目中，對水資源的調(diào)配都離不開管道輸送，PCCP具備的大口徑并能夠承受高工壓、高覆土、使用年限長久等優(yōu)點使其在輸水項目、水資源配置項目各種管材中處于優(yōu)勢地位，因此PCCP在國內(nèi)也逐步進(jìn)入黃金時期。

但是在長期使用過程中，PCCP也暴露出一些問題，例如斷絲甚至出現(xiàn)爆管現(xiàn)象。為此，本文依據(jù)收集的國內(nèi)外相關(guān)研究資料，結(jié)合國內(nèi)外關(guān)于PCCP結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析方法、試驗方法、安全影響評價、健康監(jiān)測檢測以及除險加固等研究成果，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)計與分析方法

PCCP結(jié)構(gòu)設(shè)計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)驗的工作應(yīng)力法，該方法是基于完全預(yù)應(yīng)力理論的無拉應(yīng)力準(zhǔn)則進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算，計算方便快捷。美國供水工程協(xié)會（American Water Works Association，簡稱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，但往往會造成鋼筋和混凝土用量的浪費，且容易導(dǎo)致局部混凝土受壓應(yīng)力過大，甚至存在被壓潰的風(fēng)險。

隨后，1989～1993年，學(xué)者ZARGHAMEE等［4］提出了采用分層模型法計算PCCP在內(nèi)、外荷載作用下的受力響應(yīng)，并設(shè)計了大量原型管試驗來驗證此模型。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的受力情況，但一旦某層材料進(jìn)入塑性開始失效，截面應(yīng)力發(fā)生重分布，模型計算結(jié)果則與實際誤差較大。

經(jīng)過大量工程實踐，美國供水工程協(xié)會基于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，逐一計算各種荷載組合工況下的PCCP截面應(yīng)力應(yīng)變分布，將計算的結(jié)果與3種極限狀態(tài)下的判定準(zhǔn)則進(jìn)行驗證。中國水利部行業(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］也參考此方法來設(shè)計PCCP。

除了以上幾種結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，中國自主編制了預(yù)應(yīng)力管道的通用設(shè)計標(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)來衡量管道結(jié)構(gòu)的可靠性。

隨著有限元計算理論的發(fā)展，越來越多的學(xué)者使用各種有限元軟件，即數(shù)值計算方法，來進(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年通過建立PCCP 三維計算模型，研究了斷絲PCCP在內(nèi)、外壓共同作用下的破壞特點和斷絲對PCCP結(jié)構(gòu)失效的風(fēng)險分析。2010年，Xiong等［9］建立了超大口徑PCCP纏絲模型，考慮了鋼絲剛度對管道整體剛度的貢獻(xiàn)，實現(xiàn)了預(yù)應(yīng)力鋼絲的動態(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，基于斷絲PCCP外壓試驗結(jié)果，建立PCCP三維數(shù)值計算模型，研究了斷絲數(shù)量對超大口徑PCCP承載性能的影響規(guī)律。2021年，黃智剛等［11］通過三維有限元模擬研究了裂縫長度、貫穿性裂縫和非貫穿性裂縫對PCCP管體承載能力的影響規(guī)律，為預(yù)存裂縫的PCCP管道在實際工程中應(yīng)用提供安全性方面的理論支撐。

1.2 試驗方法

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

國內(nèi)進(jìn)行PCCP原型試驗研究相對較晚。2009年，胡少偉［10］對南水北調(diào)工程超大口徑PCCP進(jìn)行了內(nèi)、外壓現(xiàn)場原型試驗，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的安全評估方法。2018年，竇鐵生［13-14］在PCCP承受內(nèi)、外壓試驗中首次采用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出廠前的型式檢驗要求，包括外觀質(zhì)量、裂縫寬度和長度、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。

1.3 安全影響評價

根據(jù)相關(guān)資料，近年來運行中的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個方面對PCCP安全的影響，處理好這些問題將為PCCP的運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］介紹了國外PCCP工程的防腐蝕措施，針對南水北調(diào)北京段PCCP工程，建議采用帶狀鋅犧牲陽極法保護(hù)預(yù)應(yīng)力鋼絲的設(shè)計理念和方法，該方法后來也寫進(jìn)了中國的SL702-2015規(guī)范中，目前國內(nèi)供水主干管工程中均采用此方法對管道實施防腐［18-19］。2011年，杜建偉［20］對鹽堿地區(qū)的PCCP防腐材料選用進(jìn)行了研究，對比了環(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通過纏繞1 570 MPa的高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絲使管芯受到一個初始的預(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)計規(guī)程》［21］，水泥砂漿和預(yù)拌砌筑砂漿的強(qiáng)度等級最高為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)計時計算校核雖然通過，但是往往忽略了實際砂漿強(qiáng)度不足帶來的PCCP保護(hù)層先天隱蔽性缺陷。另外，當(dāng)PCCP服役于鹽類和化學(xué)腐蝕環(huán)境中時，還需對保護(hù)層進(jìn)行耐久性設(shè)計，增加保護(hù)層的厚度和抗離子滲透性能［22］。因此，在施工及運行過程中，主要有如下多種原因會造成PCCP的斷絲：① 鋼絲的氫脆指標(biāo)不合格；② 制造時砂漿保護(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PCCP中鋼絲斷絲的原因進(jìn)行了分析，并研究了斷絲對PCCP承載能力的影響。2009～2011年，胡少偉［10］通過超大口徑斷絲PCCP原型試驗和數(shù)值模擬，對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PCCP結(jié)構(gòu)性能影響的評價方法。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)場試驗進(jìn)行了對比驗證。2019年，胡少偉等［24］針對某輸調(diào)水工程在役超大口徑PCCP斷絲問題，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)、施工到運行都不可避免會發(fā)生預(yù)應(yīng)力損失。如果損失過大，將導(dǎo)致管芯的預(yù)壓應(yīng)力變小，承載能力將會受到影響。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，對PCCP中的預(yù)應(yīng)力損失進(jìn)行了測量，并基于試驗數(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。國內(nèi)外學(xué)者對PCCP中裂縫的發(fā)展規(guī)律和裂縫對結(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PCCP的承載能力影響較小，而縱向裂縫對PCCP的承載能力影響較大。2010年，胡少偉［10］對南水北調(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，同時建立三維有限元分析模型，研究了縱向裂縫對PCCP外壓承載能力的影響，認(rèn)為預(yù)存裂縫對PCCP的極限荷載影響不大，但是會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］通過三維有限元模擬研究了貫穿性裂縫和非貫穿性裂縫對PCCP管體承載能力的影響規(guī)律，認(rèn)為縱向貫穿性裂縫對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、檢測與除險加固

由于PCCP安全事故的相繼發(fā)生，越來越多的學(xué)者致力于PCCP運行安全的監(jiān)測、檢測及評估。2005年，Amaitik等［26］總結(jié)了電磁、聲學(xué)、GPR雷達(dá)等常見的PCCP運行監(jiān)測手段以及根據(jù)歷史觀測數(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)測模型，從而評價PCCP的運行狀態(tài)，并將其應(yīng)用于大型人工河流工程（GMRP）的實際聲波監(jiān)測中，結(jié)果表明預(yù)測性較好。

中國對PCCP安全的監(jiān)測技術(shù)研究較晚。2014年南水北調(diào)中線干線停水檢修時，通過電磁法檢測，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管道工程選取試驗段（35.7km）安裝了國內(nèi)首套基于光纖光柵傳感技術(shù)（FBG）研發(fā)的斷絲和漏水實時監(jiān)測系統(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)險層次分析數(shù)學(xué)評價模型，對南水北調(diào)工程中大口徑PCCP的斷絲風(fēng)險進(jìn)行評價，并開發(fā)出一套安全運行風(fēng)險實時監(jiān)測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)測設(shè)計方案，包括監(jiān)測設(shè)計原則、監(jiān)測項目、測點及設(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。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)行了有限元模擬驗證，結(jié)果表明在管芯混凝土開裂后，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（見圖3）與PCCP類似，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)計規(guī)范》［35］，參照美國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多項輸調(diào)水工程中。孫岳陽［38-39］、胡少偉［40］等從結(jié)構(gòu)計算分析和配筋優(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、裂縫對其安全影響的評價等方面對BCCP進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究。

2 PCCP研究展望

實際工程中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，嚴(yán)重影響PCCP管線的運行安全，可尋求新型材料來代替預(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)過高溫熔融后，通過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任何添加劑，生產(chǎn)過程中也無“三廢”排放，對環(huán)境污染很小，是一種名副其實的環(huán)保節(jié)能產(chǎn)品，符合中國“十四五”時期創(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)”，已被中國列為中長期重要發(fā)展的四大高新技術(shù)纖維之一。將Basalt FRP應(yīng)用到PCCP中，需對其相關(guān)力學(xué)指標(biāo)和工藝指標(biāo)開展可靠性、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，對其力學(xué)性能、耐久性能、經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性開展研究，最終延長PCCP的使用壽命。

（3） 在炎熱的條件下，無論是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)層開裂后易引起預(yù)應(yīng)力鋼絲的銹蝕，需對環(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澆筑法生產(chǎn)，生產(chǎn)現(xiàn)場噪音大，會對工人和神經(jīng)系統(tǒng)、心腦血管系統(tǒng)以及內(nèi)分泌系統(tǒng)帶來嚴(yán)重的影響，可尋求采用自密實混凝土進(jìn)行澆筑，對其配制方法、工作性能、流變學(xué)特性、抗侵蝕性能、經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性開展研究。

（5） 實際埋地運行過程中，PCCP除了會出現(xiàn)預(yù)應(yīng)力損失、裂縫，還會出現(xiàn)滲漏和大變形等安全隱患。所以需對PCCP進(jìn)行無損檢測和運行監(jiān)測，考慮地基、基礎(chǔ)、管線結(jié)構(gòu)、附屬設(shè)施等檢測模塊，包括預(yù)應(yīng)力損失、滲漏、變形、裂縫等工程檢測項目，開發(fā)數(shù)據(jù)定位模塊，可以記錄不同時期、不同地點的檢測信息（包括位置信息、工程信息、原始測試數(shù)據(jù)、報告等），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)測平臺，真實反映PCCP結(jié)構(gòu)的實際運行情況。

（6） 南水北調(diào)中線工程京石段使用的PCCP管徑達(dá)4 m，揭開了中國超大口徑PCCP使用的序幕，標(biāo)志著中國PCCP的生產(chǎn)工藝技術(shù)達(dá)到了國際先進(jìn)水平，PCCP也成為長距離輸調(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、運輸和安裝技術(shù)。另外，小口徑（1.2 m以下）PCCP的市場幾乎被輕質(zhì)、吊裝運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，開發(fā)更多的高耐久性新型PCCP系列產(chǎn)品。

3 結(jié) 語

本文從結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析方法、試驗方法、安全影響評價、健康監(jiān)測檢測與除險加固、BCCP的研發(fā)與使用等5個方面介紹了PCCP的研究進(jìn)展，并對未來的研究方向進(jìn)行了展望。盡管現(xiàn)在運行的PCCP在檢測時發(fā)現(xiàn)個別斷絲甚至出現(xiàn)爆管現(xiàn)象，但是對于大口徑管道選型，PCCP仍然是性價比優(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

基金項目：江蘇省高等學(xué)?；A(chǔ)科學(xué)（自然科學(xué)）研究項目（21KJB570003）；國家自然科學(xué)基金重點項目（51739008，52130901）；國家自然科學(xué)基金青年項目（52109164）；重慶市自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體項目（cstc2020jcyj-cxttX0003）

作者簡介：孫岳陽，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