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[摘要] 为了全面反映PCCP管道的工作状态，设计不仅采用了常规的土压力计、渗压计、压力传感器、钢筋计，还引入了光栅应变计、无应力计，并研发了专用的PCCP阴极保护测试探头，更创新地将氢气示踪法应用于大口径管道渗漏监测，安全监测数据全面为工程安全运行提供了保证。
[关键词] 南水北调；超大口径PCCP；监测分析
中图分类号： P624.8文献标识码：A 文章编号：
前言
为了全面反映PCCP管道的工作状态，为PCCP管道制造、施工安装、通水运行安全提供充分的压力、渗流、变形、应力、应变数据，在无同类工程监测设计可以借鉴的条件下，经分析研究将PCCP管道的水力特性、标准PCCP管道结构安全、镇墩稳定、包封结构与管道联合受力、隧洞衬砌结构与管道受力状况、暗挖洞施工及运行期结构安全、阴极保护测试等作为监测重点。设计不仅采用了常规的土压力计、渗压计、压力传感器、钢筋计，还引入了光栅应变计、无应力计，并研发了专用的PCCP阴极保护测试探头，更创新地将氢气示踪法应用于大口径管道渗漏监测。
1 管道结构安全监测
(1) 进行PCCP和垫层的联合受力（即土壤—管道相互作用）监测分析，验证马斯顿理论及奥兰多系数，提出高覆土问题的解决方案和沟槽的最佳填筑方式。(2) 通过监测埋设管道在内压、外荷载、管重和管内水重等荷载情况下所产生的极限轴力和极限弯矩，利用极限状态设计法来验证是否超出三个极限状态设计准则。(3) 通过对长期放置的PCCP管、裂缝PCCP管及断丝管道进行现场试验，为PCCP结构安全评价提供合理的数值依据。监测项目包括：a.土压力分布；b.管道预应力钢丝应力。
图1 不同垫层及埋设方式土压力监测 图2 预应力钢丝应力的直接监测
2 镇墩、包封结构及稳定监测
(1) 进行深覆土情况下混凝土包封受力、PCCP管道与混凝土包封的联合受力状况监测分析。(2) 通过分析在充水打压试验、自流及加压输水工况下的镇墩监测数据，分析管道镇墩的止推及防振效果。监测项目包括：a.土压力分布；b.包封混凝土、镇墩混凝土应变；c.包封钢筋、镇墩钢筋应力；d.结构与PCCP间缝隙，PCCP与PCCP间缝隙；e.镇墩沉降、位移监测。
3 岩石隧洞、暗挖洞结构及稳定监测
进行岩石隧洞、暗挖洞结构、围岩及PCCP管道的工作状态监测分析。监测项目包括：a. 外水压力；b. 山岩压力，围岩与支护之间压力，PCCP管外部压力；c. 支护、衬砌内应力；d.钢筋应力；锚杆内力及抗拔力；f.围岩位移。
图3包封监测仪器 图4京石、大件路暗挖监测
4PCCP阴极保护测试探头研发及应用
市场上仅有的测试探头主要利用钢片的办法进行自然腐蚀电位测试，只能测试到钢片的自然腐蚀电位，不能模拟PCCP自然腐蚀电位，而且测试探头的性能指标也不明确[1]。北京市水利规划设计研究院与科大联合开发研制了由混凝土结构、与阴极连接的混凝土用高强钢丝、自然腐蚀状态的预应力钢丝、MnO2参比电极、辅助电极等组成的PCCP专用测试探头，该探头将PCCP的自然腐蚀电位测试、阴极保护通/断电电位测试、极化曲线测试和腐蚀速率测试等四种功能集成于一体，为PCCP阴极保护效果的测量提供了有效手段[2]。该研究成果获得国家专利，并成功应用于南水北调PCCP管道工程，为国内其他同类工程提供借鉴。
图5钢质管道用测试探头结构和安装图图6PCCP阴极保护测试探头结构示意图
5PCCP管道渗漏监测技术研究
由于大口徑地下输水管道结构的特殊性以及检测条件的限制，其渗漏检测一直难以实现，尤其是早期的微量渗漏更无法检测。常规的声波检测法（听音棒、听漏仪、相关仪、Permalog）虽然可以用于地下输水管道渗漏检测，但在无法测取到漏声、环境噪音干扰太大时，都会影响声检测的效果；防腐层破损检测法主要适用于防腐层大面积破损，渗漏量相对较大的地下输水管道的渗漏检测，且该种方法受周围环境的影响较大，对已经建成的管道适用性不强，很难确定渗漏点的具体位置。以氢作为示踪元素的泄漏检测是一项有效技术[3]，闪斯氢气查漏系统采用世界上灵敏度最高的硅气敏传感器，灵敏度0.7ppm，用5%氢气和95%氮气的绝对安全混合气作为示踪气体，将它注入待测管线后气体在漏点处便会逸出，使用相应探头检测出漏气点，从而对漏点进行精确定位。这种方法在世界范围内主要对密封器件作泄漏检测和微泄漏检测，本工程首次将氢气示踪检测法用于地下输水管道渗漏检测，并对不同加氢方式（排空法、高压溶解法、低压溶解法）进行比较，确定了实用有效、经济可行的加氢方法。
6 监测资料分析
经对PCCP管道全线安全监测设施情况统计分析，仪器埋设成功率高，监测数据正常，监测资料全面，对指导管道施工、校核设计参数、积累PCCP管道设计经验提供了可靠的数据保证，并为南水北调PCCP管道工程安全运行提供了重要保障。
图7 典型钢筋计测值过程线 图8典型应变计测值过程线
图9典型土压力计测值过程线图10典型三向测缝计测值过程线
结语
南水北调北京段位于中线干线末端，对上游来水流量及水质变化影响明显；国内首次选用的双排直径4m的PCCP管道方案在减少投资、节约用地、减少水量损失、方便管理运行等方面具有明显优势，但超大口径PCCP管道设计、生产制造、运输安装等可借鉴资料较少，给建设者提出了诸多难题。PCCP管道安全监测布置及结果分析，为今后类似工程的设计及施工提供有益的参考。
参考文献：
[1] 郭永峰、杨进新《南水北调中线PCCP管道工程阴极保护方案研究》
[2] 王东黎、杨进新、杜艳霞《南水北调中线PCCP阴极保护测试探头研究》
[3] 杨进新、忽惠卿、王东黎《南水北调中线PCCP管道工程安全监测方案研究》
作者简介：冯克义（1978年-） 男工程师 硕士研究生 TEL：01088823176；Email：fengye358500@163.com
[关键词] 南水北调；超大口径PCCP；监测分析
中图分类号： P624.8文献标识码：A 文章编号：
前言
为了全面反映PCCP管道的工作状态，为PCCP管道制造、施工安装、通水运行安全提供充分的压力、渗流、变形、应力、应变数据，在无同类工程监测设计可以借鉴的条件下，经分析研究将PCCP管道的水力特性、标准PCCP管道结构安全、镇墩稳定、包封结构与管道联合受力、隧洞衬砌结构与管道受力状况、暗挖洞施工及运行期结构安全、阴极保护测试等作为监测重点。设计不仅采用了常规的土压力计、渗压计、压力传感器、钢筋计，还引入了光栅应变计、无应力计，并研发了专用的PCCP阴极保护测试探头，更创新地将氢气示踪法应用于大口径管道渗漏监测。
1 管道结构安全监测
(1) 进行PCCP和垫层的联合受力（即土壤—管道相互作用）监测分析，验证马斯顿理论及奥兰多系数，提出高覆土问题的解决方案和沟槽的最佳填筑方式。(2) 通过监测埋设管道在内压、外荷载、管重和管内水重等荷载情况下所产生的极限轴力和极限弯矩，利用极限状态设计法来验证是否超出三个极限状态设计准则。(3) 通过对长期放置的PCCP管、裂缝PCCP管及断丝管道进行现场试验，为PCCP结构安全评价提供合理的数值依据。监测项目包括：a.土压力分布；b.管道预应力钢丝应力。
图1 不同垫层及埋设方式土压力监测 图2 预应力钢丝应力的直接监测
2 镇墩、包封结构及稳定监测
(1) 进行深覆土情况下混凝土包封受力、PCCP管道与混凝土包封的联合受力状况监测分析。(2) 通过分析在充水打压试验、自流及加压输水工况下的镇墩监测数据，分析管道镇墩的止推及防振效果。监测项目包括：a.土压力分布；b.包封混凝土、镇墩混凝土应变；c.包封钢筋、镇墩钢筋应力；d.结构与PCCP间缝隙，PCCP与PCCP间缝隙；e.镇墩沉降、位移监测。
3 岩石隧洞、暗挖洞结构及稳定监测
进行岩石隧洞、暗挖洞结构、围岩及PCCP管道的工作状态监测分析。监测项目包括：a. 外水压力；b. 山岩压力，围岩与支护之间压力，PCCP管外部压力；c. 支护、衬砌内应力；d.钢筋应力；锚杆内力及抗拔力；f.围岩位移。
图3包封监测仪器 图4京石、大件路暗挖监测
4PCCP阴极保护测试探头研发及应用
市场上仅有的测试探头主要利用钢片的办法进行自然腐蚀电位测试，只能测试到钢片的自然腐蚀电位，不能模拟PCCP自然腐蚀电位，而且测试探头的性能指标也不明确[1]。北京市水利规划设计研究院与科大联合开发研制了由混凝土结构、与阴极连接的混凝土用高强钢丝、自然腐蚀状态的预应力钢丝、MnO2参比电极、辅助电极等组成的PCCP专用测试探头，该探头将PCCP的自然腐蚀电位测试、阴极保护通/断电电位测试、极化曲线测试和腐蚀速率测试等四种功能集成于一体，为PCCP阴极保护效果的测量提供了有效手段[2]。该研究成果获得国家专利，并成功应用于南水北调PCCP管道工程，为国内其他同类工程提供借鉴。
图5钢质管道用测试探头结构和安装图图6PCCP阴极保护测试探头结构示意图
5PCCP管道渗漏监测技术研究
由于大口徑地下输水管道结构的特殊性以及检测条件的限制，其渗漏检测一直难以实现，尤其是早期的微量渗漏更无法检测。常规的声波检测法（听音棒、听漏仪、相关仪、Permalog）虽然可以用于地下输水管道渗漏检测，但在无法测取到漏声、环境噪音干扰太大时，都会影响声检测的效果；防腐层破损检测法主要适用于防腐层大面积破损，渗漏量相对较大的地下输水管道的渗漏检测，且该种方法受周围环境的影响较大，对已经建成的管道适用性不强，很难确定渗漏点的具体位置。以氢作为示踪元素的泄漏检测是一项有效技术[3]，闪斯氢气查漏系统采用世界上灵敏度最高的硅气敏传感器，灵敏度0.7ppm，用5%氢气和95%氮气的绝对安全混合气作为示踪气体，将它注入待测管线后气体在漏点处便会逸出，使用相应探头检测出漏气点，从而对漏点进行精确定位。这种方法在世界范围内主要对密封器件作泄漏检测和微泄漏检测，本工程首次将氢气示踪检测法用于地下输水管道渗漏检测，并对不同加氢方式（排空法、高压溶解法、低压溶解法）进行比较，确定了实用有效、经济可行的加氢方法。
6 监测资料分析
经对PCCP管道全线安全监测设施情况统计分析，仪器埋设成功率高，监测数据正常，监测资料全面，对指导管道施工、校核设计参数、积累PCCP管道设计经验提供了可靠的数据保证，并为南水北调PCCP管道工程安全运行提供了重要保障。
图7 典型钢筋计测值过程线 图8典型应变计测值过程线
图9典型土压力计测值过程线图10典型三向测缝计测值过程线
结语
南水北调北京段位于中线干线末端，对上游来水流量及水质变化影响明显；国内首次选用的双排直径4m的PCCP管道方案在减少投资、节约用地、减少水量损失、方便管理运行等方面具有明显优势，但超大口径PCCP管道设计、生产制造、运输安装等可借鉴资料较少，给建设者提出了诸多难题。PCCP管道安全监测布置及结果分析，为今后类似工程的设计及施工提供有益的参考。
参考文献：
[1] 郭永峰、杨进新《南水北调中线PCCP管道工程阴极保护方案研究》
[2] 王东黎、杨进新、杜艳霞《南水北调中线PCCP阴极保护测试探头研究》
[3] 杨进新、忽惠卿、王东黎《南水北调中线PCCP管道工程安全监测方案研究》
作者简介：冯克义（1978年-） 男工程师 硕士研究生 TEL：01088823176；Email：fengye358500@163.com