駱建軍 姚宣德

摘要：如何有效地對大口徑PCCP管道斷絲后管道結(jié)構(gòu)的安全進行合理地評價，以便采取積極有效的維修措施，是減少南水北調(diào)大口徑PCCP管道運營期間斷絲安全風(fēng)險的有效途徑。提出利用層次分析方法（AHP）建立PCCP管道安全風(fēng)險層次分析數(shù)學(xué)評價模型，對影響南水北調(diào)地下大口徑PCCP管道斷絲的各種可能因素進行專家打分，同時，通過數(shù)值模擬計算，建立PCCP管道安全失效的判斷準則及判斷標準，實現(xiàn)大口徑PCCP管道安全風(fēng)險評價的定量化。在此基礎(chǔ)上，開發(fā)出一款專門針對南水北調(diào)中線PCCP管道工程安全運行風(fēng)險實時監(jiān)測的管理軟件。該軟件系統(tǒng)采用自動化實時監(jiān)測技術(shù)和基于Web-GIS的風(fēng)險管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)能完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時采集、數(shù)據(jù)檔案的電子化管理以及安全風(fēng)險的動態(tài)評估與預(yù)警預(yù)報。

關(guān)鍵詞：AHP；大口徑PCCP；管道；斷絲；安全風(fēng)險管理

中圖分類號：TV312

文獻標志碼：A 文章編號：1674-4764（2016）03-0065-08

Abstract：Effectively evaluating the safety on the structure of large diameter PCCP pipeline broken wires and taking effective measures to repair are the ways to reduce the safety risk of broken wires during South to North Water Diversion Project large diameter PCCP pipeline operation. Based on the method of analytic hierarchy process， the hierarchy analysis mathematical evaluation model is established. The possible factors of the influences of various of South to North Water Diversion Project of underground large diameter PCCP pipe broken wires are scored by experts. At the same time， the PCCP pipeline safety failure judgment criterion and the judgment standard are established through the numerical simulation. The quantification of safety risk assessment of large diameter PCCP pipe is realized. A specific PCCP North South Pipeline engineering safety running and risk management software is developed. With real-time monitoring automation technology and the risk management system of Web-GIS ， the software can perform real-time acquisition of the monitoring data， data file of electronic management and dynamic assessment and early warming of safety risk.

Keywords：AHP；large diameter PCCP；pipeline；broken wire；safety risk management

作為新型輸水管材，大口徑PCCP管道的經(jīng)濟性、耐久性、抗震性相對其他管材具有顯著的優(yōu)勢；同時，它易于安裝、運行費用較低，且漏水率極低，因此被廣泛采用。

從20世紀40年代起，美國、加拿大等國家采用PCCP管道進行長距離有壓大管徑輸水工程[1]。中國也從1988年開始，在水利、電力、市政等工程領(lǐng)域使用PCCP管道，目前，南水北調(diào)北京段基本上采取了大口徑PCCP管道（內(nèi)徑4 m，見圖1（a））。

大口徑PCCP管道的管芯纏繞預(yù)應(yīng)力鋼絲，預(yù)應(yīng)力鋼絲通過在管芯上施加均勻的壓預(yù)應(yīng)力，以抵償由內(nèi)壓和外荷載產(chǎn)生的拉應(yīng)力。纏繞在管芯上的預(yù)應(yīng)力鋼絲決定了大口徑PCCP管道的強度，但在施工和運行過程中，預(yù)應(yīng)力鋼絲會遭受不同程度的損傷，在外界環(huán)境及內(nèi)部工作水壓力的作用下，管道出現(xiàn)斷絲甚至爆管現(xiàn)象，如圖1（b）所示，國外PCCP爆炸事故統(tǒng)計如表1所示。

目前，中國尚未有關(guān)于大口徑PCCP管道爆管事故的報道，其原因或與采用這種管道的時間并不長有關(guān)。發(fā)達國家大口徑PCCP爆管事故時有發(fā)生，這也給大口徑PCCP在中國的進一步發(fā)展敲響了警鐘，我們應(yīng)當提前做好大口徑PCCP管道由于斷絲而引起爆管事故的安全風(fēng)險管理工作，防患于未然。

國際上采取的管道風(fēng)險管理系統(tǒng)（PRMS），主要結(jié)合了P-Wave探測技術(shù)及SoundPrint監(jiān)測數(shù)據(jù)，并基于GIS的界面管理和評價系統(tǒng)。通過建立風(fēng)險管理系統(tǒng)PRMS，可以預(yù)測每節(jié)管道的剩余壽命，為全部管道的維修、維護、更換以及費用提供決策和支持，到達最大限度降低管道維護成本的目標。

根據(jù)檢索和已查閱的文獻資料表明，目前，中國在大口徑PCCP管道的研究上，主要集中在PCCP管道斷絲的承載能力方面的計算及試驗工作。王五平[2]介紹了國外用于PCCP爆管預(yù)警的光纖聲監(jiān)測系統(tǒng)組成及原理。張宏宇等[3]、董樂等[4]、王東黎等[5]、胡少偉等[6-7]、Valiente[8]以及其他學(xué)者對PCCP管道預(yù)應(yīng)力鋼絲斷絲對PCCP安全性進行了預(yù)測[9-12]。

上述研究表明，目前對大口徑PCCP管道的安全風(fēng)險評估的研究仍然是一個空白。截止目前，南水北調(diào)工程已經(jīng)運營了一段時間，每年的9～10月份的枯水期正是進行PCCP管道檢修的時機，通過一定的儀器設(shè)備能夠檢測到管道的斷絲情況。通過PCCP管道的斷絲來預(yù)測PCCP管道的壽命，這對南水北調(diào)工程及應(yīng)用大口徑PCCP管道的工程意義重大，因此有必要進行相關(guān)的研究工作，以對中國大口徑PCCP管道運營期間的安全風(fēng)險起指導(dǎo)作用。

1 大口徑PCCP管道風(fēng)險評估的AHP

分析法

1.1 PCCP管道斷絲風(fēng)險主要因素分析

造成PCCP安全質(zhì)量事故和影響PCCP結(jié)構(gòu)運行安全的主要因素包括PCCP預(yù)應(yīng)力鋼絲的斷裂和PCCP管道混凝土的開裂。由于大口徑PCCP管道中的預(yù)應(yīng)力鋼絲的抗拉強度很高，工作壓力可以到達1.8 MPa，而且PCCP管道上的混凝土的抗壓能力也非常強，所以PCCP管道在輸水運營時能夠承受較高的水壓力。由于施工質(zhì)量及其他原因，導(dǎo)致PCCP管芯中的混凝土出現(xiàn)裂縫，其壽命將會急劇降低；同時，由于PCCP埋置于地下，受到外界環(huán)境如地下水的酸性以及腐蝕質(zhì)土壤的影響，預(yù)應(yīng)力鋼絲會發(fā)生松弛或斷裂，當鋼絲斷絲的根數(shù)到達一定程度時就會有發(fā)生爆管的危險。另外，由于PCCP管長時間野外放置，造成預(yù)應(yīng)力鋼絲的松弛，也將使PCCP管受力狀況發(fā)生改變，從而影響PCCP管的安全運行。由此可知，影響PCCP管安全運行的主要影響因素有：管道的滲漏、預(yù)應(yīng)力鋼絲的松弛和斷絲、管道的管芯混凝土出現(xiàn)裂縫等。所以PCCP管道工程安全運行風(fēng)險評估系統(tǒng)，應(yīng)包含上述對PCCP管道安全運行產(chǎn)生影響的所有影響因素。

大口徑PCCP管道的管芯纏繞預(yù)應(yīng)力鋼絲，預(yù)應(yīng)力鋼絲通過在管芯上施加均勻的壓預(yù)應(yīng)力以抵償主要由水壓力所引起的內(nèi)壓和土荷載及車輛荷載等外荷載產(chǎn)生的拉應(yīng)力。纏繞在管芯上的預(yù)應(yīng)力鋼絲決定了大口徑PCCP管道的強度，但在施工和運行過程中，下列原因會致使大口徑PCCP管道的預(yù)應(yīng)力鋼絲遭受損傷：

1）選用了質(zhì)量較差的鋼絲，施加預(yù)應(yīng)力過程中出現(xiàn)氫脆現(xiàn)象。

2）PCCP管道制造過程中存在缺陷，特別是砂漿保護層質(zhì)量差，出現(xiàn)麻面甚至裂縫。

3）PCCP管道安裝不當，由于碰撞等原因造成砂漿保護層出現(xiàn)裂縫。

4）PCCP管道由于埋置與地下，當管道處于酸性及腐蝕性土壤中時容易誘發(fā)腐蝕的化合物侵入砂漿層腐蝕砂漿層。

5）在輸水運營過程中，由于沒有按照操作規(guī)程進行正常啟動閥及泵而引起的瞬時水壓波。

預(yù)應(yīng)力鋼絲在酸性環(huán)境中腐蝕到一定程度后出現(xiàn)應(yīng)力松弛甚至斷裂，其所在部位管道強度有一定程度的下降，如果預(yù)應(yīng)力鋼絲的腐蝕進一步發(fā)展，PCCP管道同一部位將會出現(xiàn)更多的斷絲，管道強度明顯降低，當斷絲數(shù)目到達一定數(shù)目后，將導(dǎo)致PCCP管道爆管，PCCP爆管具有突發(fā)性、災(zāi)難性，事先沒有征兆，爆管發(fā)生后，并不僅僅限于管道供水中斷，還會引起洪災(zāi)以及公共安全事故[2，13]。

1.2 PCCP斷絲AHP模型及模糊評價[14]

采用AHP及模糊矩陣法確定大口徑PCCP管道斷絲影響因素的權(quán)重。模糊綜合評價法可以分為單因素的模糊評價和多層次的模糊評價，這里運用多層次的模糊評價方法，其評價過程如下：

1）確定底層單因素集

2）PCCP某一環(huán)向部位出現(xiàn)斷絲后，該部位混凝土由于受到斷絲的拉伸力而出現(xiàn)裂縫，隨著管道內(nèi)水壓力的增大，斷絲部位的鋼筒也更容易受到內(nèi)水壓力施加給鋼筒向外的壓力而屈服。沿PCCP管道縱向部位，未斷絲的鋼絲離斷絲部位越近，其受到的應(yīng)力越大，也越容易屈服。

3）通過數(shù)值計算分析，當PCCP管道同一部位的預(yù)應(yīng)力鋼絲的斷絲數(shù)目少于25根時，PCCP管道仍可以在較高的內(nèi)水壓力、管道外部水土荷載和管自重應(yīng)力的共同作用下保持良好的整體工作性能。

4）當PCCP管道同一部位的預(yù)應(yīng)力鋼絲的斷絲數(shù)超過25根時，在無內(nèi)水壓力而僅僅有外部荷載作用下，PCCP管道混凝土由于斷絲對混凝土的拉伸就已經(jīng)開裂。此時，如果未及時進行斷絲的修補，當管道處于運營狀態(tài)時，管道中的壓力水通過混凝土裂縫流至鋼筒或鋼絲層，鋼筒或鋼絲浸水后，將處于被腐蝕（侵蝕）狀態(tài)，耐久性也將遭受影響。在這種情況下，雖然管道在達到彈性極限狀態(tài)（鋼筒屈服）之前PCCP仍能承擔一定的內(nèi)水壓力，但隨著運營時間的推移，鋼筒或鋼絲的銹蝕以及混凝土的劣化會增加爆管的風(fēng)險[3-4]。

3 基于GIS的PCCP管道斷絲風(fēng)險管理系統(tǒng)

PCCP管道工程安全運行風(fēng)險評估和風(fēng)險管理系統(tǒng)應(yīng)包括：管道、環(huán)境和運行狀態(tài)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，管道安全運行監(jiān)測系統(tǒng)、管道安全運行風(fēng)險評估系統(tǒng)（其中包括：風(fēng)險評估準則，監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析、評估與評價，管道安全運行風(fēng)險的預(yù)測預(yù)報等）和基于GIS的界面的風(fēng)險管理系統(tǒng)（其中包括：結(jié)合結(jié)構(gòu)狀態(tài)和結(jié)構(gòu)損壞模型及資產(chǎn)管理準則，對管道剩余壽命的預(yù)測，并對全部管道的維修、維護、更換情況等進行風(fēng)險管理）。

3.1 PCCP管道斷絲安全風(fēng)險管理軟件系統(tǒng)開發(fā)

大口徑PCCP管道斷絲安全風(fēng)險管理系統(tǒng)采用基于光纖光柵傳感技術(shù)的自動化實時監(jiān)測技術(shù)和Web-GIS的風(fēng)險管理系統(tǒng)。軟件采用B/S架構(gòu)和面向?qū)ο蠹夹g(shù)，包括數(shù)據(jù)采集，信號解調(diào)處理，風(fēng)險評估處理模塊，Web-GIS及實時監(jiān)測技術(shù)。并采用PHP和HTML語言進行軟件源碼編程。

該系統(tǒng)能實時采集監(jiān)測數(shù)據(jù)，能夠?qū)嘟z安全風(fēng)險事件進行動態(tài)評估與預(yù)警預(yù)報，從而為及時針對風(fēng)險做出應(yīng)對措施提供依據(jù)；可切實降低了工程管道的安全運行風(fēng)險，有效預(yù)防或減少了事故的發(fā)生。同時能夠方便運營管理人員對工程管道結(jié)構(gòu)安全狀況進行監(jiān)控和管理維護。

南水北調(diào)中線PCCP管道工程安全運行風(fēng)險管理系統(tǒng)，主要由光纖光柵傳感器數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)解調(diào)儀、數(shù)據(jù)傳輸和安全運行風(fēng)險預(yù)警預(yù)報3個部分組成。軟件框架如圖4所示。

圖5中給出了該風(fēng)險管理系統(tǒng)的主要工作流程。其中，外場設(shè)備主要通過高性能光纖光柵傳感器，對工程管道關(guān)鍵部位結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)或周圍環(huán)境數(shù)據(jù)進行實時信息提取，通過光信號解調(diào)技術(shù)轉(zhuǎn)化為有效物理數(shù)據(jù)信號；然后通過數(shù)據(jù)傳輸層寫入中心數(shù)據(jù)庫，并通過有限元分析模型進行求解，所得物理量具有實時變形監(jiān)控的功能。如果發(fā)生異常錯誤，系統(tǒng)進行風(fēng)險事件預(yù)警，并產(chǎn)生相應(yīng)事件日志提示。用戶可根據(jù)提示信息進行管道安全風(fēng)險補救和預(yù)防措施。

通過Web-GIS對南水北調(diào)工程現(xiàn)場設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)進行分析整理，進而將系統(tǒng)、直觀、準確的數(shù)據(jù)展現(xiàn)給用戶，使用戶可以根據(jù)報表信息及時做出相應(yīng)的決策。

該軟件使用戶能夠方便的對工程管道的安全狀況進行實時監(jiān)控，為管道的安全運營提供專業(yè)軟件平臺，其具有以下特點：

1）界面友好，便于用戶操作。

2）基于GIS地理信息系統(tǒng)技術(shù)，實現(xiàn)管道的統(tǒng)一監(jiān)測和管理。

3）基于B/S架構(gòu)，可實現(xiàn)遠程監(jiān)控管理。

4）采用光纖光柵傳感測試技術(shù)，可高效采集管道結(jié)構(gòu)安全數(shù)據(jù)。

5）可根據(jù)采集數(shù)據(jù)進行安全預(yù)警。

圖6給出了基于Web-GIS的實時監(jiān)控數(shù)據(jù)圖，圖7是實時監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的管理界面。

3.2 基于GIS的管道斷絲實時監(jiān)控系統(tǒng)

基于上述的層次分析法并輔以專家打分等方法，開發(fā)了基于層次分析法的大口徑PCCP管道斷絲安全風(fēng)險管理監(jiān)測（檢測）系統(tǒng)，如圖8所示。圖中的背景圖是主界面中大地圖按一定比例縮小形成的，背景圖上面是可以用鼠標拖動、鍵盤控制的層，通過控制這個層，進一步控制大地圖在主界面上的顯示。

3.3 管道變形風(fēng)險預(yù)警及控制

在菜單或者導(dǎo)航按鈕區(qū)中，選擇【變形風(fēng)險預(yù)警及控制】，單擊它進入風(fēng)險評價頁面，如圖9所示。

管道斷絲風(fēng)險評估由兩部分組成，第1部分是人工對管道相關(guān)構(gòu)件進行損害評價，第2部分為系統(tǒng)用傳感器數(shù)據(jù)進行自動化評估，如圖10所示。

1）構(gòu)件損壞評估

你可以根據(jù)風(fēng)險因素進行損壞的人工選擇，系統(tǒng)已裂縫為例，損壞程度有3種選擇，不同的選擇會對評估結(jié)果具有不同程度的影響。

2）自動化評估

該工作模式下，系統(tǒng)自動根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)實時計算評估，結(jié)合第一步的損害評估結(jié)果，進行綜合評價，并對變形風(fēng)險進行打分。

3.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計及趨勢分析

在菜單中或者導(dǎo)航按鈕區(qū)中選擇【數(shù)據(jù)統(tǒng)計及趨勢分析】，單擊它進入多因素對比趨勢分析界面，在選擇了傳感器與分析時段的開始與結(jié)束時間后，點擊趨勢分析，就可以對比該時間段內(nèi)，多個傳感器的數(shù)據(jù)在相同時間點時的變形變化曲線，便于對多因素進行對比分析，如圖11所示。

4 結(jié) 論

1）建立了基于層次分析法（HAP）的大口徑PCCP管道斷絲安全風(fēng)險評估模型及評價方法，能夠?qū)崿F(xiàn)大口徑PCCP管道斷絲的安全風(fēng)險定量化評估。

2）通過對管道斷絲的分析，確定了PCCP管道斷絲對結(jié)構(gòu)安全影響的風(fēng)險評估準則。

3）開發(fā)出一款專門針對南水北調(diào)中線PCCP管道工程安全運行風(fēng)險實時監(jiān)測的管理軟件，能采用自動化實時監(jiān)測技術(shù)和基于Web-GIS的風(fēng)險管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)能完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時采集、數(shù)據(jù)檔案的電子化管理以及安全風(fēng)險的動態(tài)評估與預(yù)警預(yù)報。

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（編輯 王秀玲）