鄧銘江，胡少偉，李 江，孫奔博

（1.新疆維吾爾自治區(qū)科學技術(shù)協(xié)會，830000，烏魯木齊；2.鄭州大學，450001，鄭州；3.新疆水利水電規(guī)劃設(shè)計管理局，830000，烏魯木齊）

一、引 言

水資源的合理開發(fā)和配置是推動經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展、確保及改善民生狀況的重要戰(zhàn)略措施。為有效緩解我國水資源分配不均和水資源短缺問題，提高城鎮(zhèn)供水、農(nóng)業(yè)灌溉用水、生態(tài)環(huán)境用水的安全保障水平，大量關(guān)鍵性引調(diào)水工程以及城市供水工程已經(jīng)紛紛動工并投入使用。在這些工程中，管道因其具備高效輸水、低水體損失、占地面積小、抗外部環(huán)境影響強、可持續(xù)運行等優(yōu)勢而被廣泛使用。圖1展示了中國供水管道長度近年來的變化趨勢。據(jù)住建部最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，截至2020年，中國城市供水管道總長度已達100.69萬km，排水管道長度為80.27萬km。

圖1 2013—2020年中國供水管道長度統(tǒng)計

玻璃纖維增強塑料夾砂管（FRPM）作為管道工程中重要的組成部分，以其卓越的耐腐蝕性、高強度和良好的密閉性，以及輕質(zhì)設(shè)計、內(nèi)壁光滑、水頭損失極小、安裝簡便等特點而備受青睞。自20世紀90年代末以來，長距離、高壓力、大口徑FRPM管道逐漸開始在新疆引調(diào)水工程中大量應用和推廣。FRPM管直徑范圍通常為DN600～DN2500，工作壓力為公稱壓力PN0.6～2.4 MPa，標準剛度等級為2500 N/m2、5000 N/m2、7500 N/m2和10000 N/m2。在相同流量和管徑條件下，與水泥砂漿內(nèi)襯的預應力鋼筒混凝土管（PCCP）、鋼管（SP）和球墨鑄鐵管（DIP）相比，F(xiàn)RPM管的水頭損失降低了約30%。對于揚水工程而言，F(xiàn)RPM管的運行費用減少了近20%。在相同流量但不同管徑的情況下，F(xiàn)RPM管相比水泥砂漿內(nèi)襯的PCCP管、SP管和DIP管，管徑可以減小一個等級（在大于DN1200的大口徑管材中比較明顯），這不僅使得管材的投資相對減少，而且在大管徑情況下，F(xiàn)RPM管的優(yōu)勢更為顯著。針對幾種常用管材進行了初步的對比（見表1），可以看出，F(xiàn)RPM管價格較優(yōu)，PCCP管和SP管價格接近，DIP管略貴。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，在大于DN2400的管材中，PCCP管價格較優(yōu)，小于DN300的管材中PE類管材價格優(yōu)勢明顯。此外，運費和其他費用對管材造價的比重為6%～20%。

表1 各種管材造價對比表（壓力等級 1.0 MPa，管徑DN1600）

一方面，盡管FRPM管道在經(jīng)濟、環(huán)保和工程應用方面取得顯著成就，但與其他類型管道相比，F(xiàn)RPM管傳統(tǒng)工藝的鋪層設(shè)計與生產(chǎn)自動化程度仍存在一定局限，生產(chǎn)效率較低且缺乏統(tǒng)一的技術(shù)標準。FRPM管道的最顯著特點是其結(jié)構(gòu)和材料具有高度可設(shè)計性，通過合理選擇不同鋪層的厚度、鋪層方向、層間材料和層間接觸等方式，可以實現(xiàn)所需的結(jié)構(gòu)性能。利用復合材料鋪層設(shè)計原理，可以顯著提升FRPM管道的可靠性。目前，許多研究已從試驗和數(shù)值仿真的角度出發(fā)，關(guān)注纖維與基體力學性能、成型工藝、纖維鋪設(shè)方式等，以提高FRPM管道結(jié)構(gòu)的力學性能。通過正確的鋪層設(shè)計，可以改善管道的抗壓、抗彎、抗蠕變等力學性能，從而更好地滿足各類工程需求。另外，當前FRPM管道工程自動巡檢技術(shù)與缺陷定量評價標準尚未統(tǒng)一，這也是一個亟待解決的問題。缺乏統(tǒng)一標準可能導致工程質(zhì)量評價的不確定性，影響工程管理和維護。因此，建立一套完善的自動巡檢技術(shù)和缺陷評價標準對于提高整體工程質(zhì)量具有重要意義，將有助于確保FRPM管道在各類調(diào)水工程中發(fā)揮更大的作用，并為其應用提供更為可靠的技術(shù)支持。

另一方面，在實際工程應用中，F(xiàn)RPM管道的可靠性以及安全性也是必須要考慮的重要因素。通常情況下，F(xiàn)RPM管道大多數(shù)是埋地管道，服役環(huán)境復雜，管道的外壁經(jīng)常受到外部載荷沖擊以及土壤侵蝕等造成材料腐蝕，其內(nèi)壁一直經(jīng)受含有水生物、氯離子和CO2等環(huán)境介質(zhì)的侵蝕，常出現(xiàn)凹陷、腐蝕和裂紋等缺陷，而腐蝕缺陷可能和凹陷缺陷同時出現(xiàn)構(gòu)成復合缺陷，加上溫度和管道內(nèi)壓等載荷的作用，導致管道發(fā)生疲勞破壞。在已經(jīng)投入使用的管道中，隨著使用年限的增加，上述問題日益突出，不僅會降低輸送水資源的能力，嚴重時還會導致管道失效，引發(fā)泄漏、水質(zhì)降低等問題，進而危害人民生命財產(chǎn)安全，對生態(tài)環(huán)境造成破壞。顯然，提升FRPM管道工程的抗災害能力和功能恢復能力也同樣迫在眉睫。

FRPM管道全壽命服役周期內(nèi)，合理進行管材鋪層優(yōu)化設(shè)計與制造工藝創(chuàng)新、質(zhì)量判別與安全評估、提升服役期內(nèi)的功能恢復能力和性能尤顯重要。為此，通過產(chǎn)學研用相結(jié)合，圍繞長距離大口徑FRPM管的管材鋪層設(shè)計與制造工藝、工程設(shè)計、質(zhì)量評定、自動巡檢、運行監(jiān)測與安全保障等關(guān)鍵技術(shù)，針對痛點問題提出前沿方法，并通過持續(xù)15年攻關(guān)，取得了一系列突破性創(chuàng)新成果。最后依托北疆供水工程中的小洼槽工程，闡述FRPM管道在施工和服役期的應用，結(jié)合現(xiàn)有實際工程問題，對未來同類工程提出建議。

二、大口徑FRPM管材鋪層設(shè)計理論與制造工藝創(chuàng)新

1.大口徑FRPM管材鋪層設(shè)計優(yōu)化

按照國家有關(guān)FRPM管強度和剛度實驗規(guī)范，針對FRPM管產(chǎn)品生產(chǎn)中的鋪層設(shè)計和施工階段，結(jié)合先進的設(shè)計系統(tǒng)、生產(chǎn)技術(shù)裝備、工藝以及所采用的原材料，開展玻璃鋼夾砂管道數(shù)值模擬實驗；根據(jù)模擬實驗結(jié)構(gòu)結(jié)果，對計算機鋪層設(shè)計、工藝參數(shù)等進行修正；循環(huán)以上過程，以獲得優(yōu)化的理論設(shè)計結(jié)果；然后進行樣管生產(chǎn)并進行實驗，依據(jù)實驗結(jié)果對設(shè)計和工藝進行局部調(diào)整，如圖2所示。

圖2 玻璃鋼夾砂管設(shè)計流程圖

FRPM管結(jié)構(gòu)鋪層為內(nèi)襯層、夾砂層和外保護層。夾砂層采用多層對稱結(jié)構(gòu)，整個夾砂層自厚度中心對稱分設(shè)多層，按一層纏繞、一層夾砂間隔布置，纏繞層采用往復交叉纏繞和環(huán)向纏繞相結(jié)合的工藝進行成型，使管道的可靠性大大提高。

2.大口徑FRPM管材制造工藝創(chuàng)新

傳統(tǒng)大口徑FRPM管材制作工藝的技術(shù)難題在于夾砂層纏繞。夾砂層纏繞是將石英砂和樹脂以噴灑的形式加到管道的夾砂單元層中，傳統(tǒng)的夾砂工藝對石英砂基本沒有級配要求，不能控制石英砂與樹脂的比例，夾砂過程全部依靠工人肉眼觀察石英砂層的浸潤程度來控制比例，石英砂是以自由落體形式落下而被纏繞于纖維層之間，常引起管道夾砂層夾砂量不均、管壁疏松，同時樹脂及固化劑黏稠度沒有得到很好的控制，致使黏結(jié)、浸漬缺陷大量存在。在這些缺陷存在的薄弱部位，極易造成管道局部分層和開裂，導致管道破損，管體結(jié)構(gòu)承載力降低。

傳統(tǒng)FRPM管材生產(chǎn)工藝主要包括：模具整理、內(nèi)襯層制作、內(nèi)襯工序檢驗、固化、內(nèi)結(jié)構(gòu)層纏繞、夾砂層纏繞、外結(jié)構(gòu)層纏繞、結(jié)構(gòu)層工序檢驗、固化、脫模和檢驗試壓等。針對管材生產(chǎn)中夾砂層纏繞的質(zhì)量控制問題，從管道原材料石英砂級配優(yōu)化和夾砂層樹脂含量自動控制方面進行創(chuàng)新，實現(xiàn)管道夾砂層的質(zhì)量控制，進而提高管道整體質(zhì)量。

（1）優(yōu)化石英砂級配

通過測試和調(diào)整，針對石英砂進行了級配調(diào)整，較好的石英砂級配不僅能有效減少管道夾砂層中的樹脂浪費，還能大大提高管道夾砂層的密實度，夾砂層無明顯氣孔，特別是避免了通常會出現(xiàn)的月牙形氣孔缺陷，提高了抗彎曲強度。

（2）夾砂層樹脂含量自動控制

通過增加高精度的計量泵、稱量系統(tǒng)和PLC（可編程邏輯控制器）控制系統(tǒng)，使管道在夾砂過程中能精確控制樹脂和石英砂的材料用量，確保材料用量比例穩(wěn)定，使管道的各種材料組分含量受控于設(shè)計范圍。

三、長距離FRPM管道工程質(zhì)量評定技術(shù)與安全評價理論

管道結(jié)構(gòu)健康對于管道的安全運行起著至關(guān)重要的作用。FRPM管在安裝和運行期間易出現(xiàn)白斑、白斑裂紋、細微裂紋、環(huán)形內(nèi)襯開裂、鼓包及鼓包開裂、氣泡等6種主要缺陷，通過現(xiàn)場管材取樣，對其進行力學特性試驗研究，以探究其損傷、損壞成因?qū)ζ淞W特性的影響。

1.不同缺陷下玻璃鋼管結(jié)構(gòu)特性試驗研究

（1）試驗裝置及加載

本次室內(nèi)試驗通過輸水管線現(xiàn)場抽取2根相同管徑（160 cm）、相同長度（150 cm）原型玻璃鋼管，分別編號為1#管、2#管，通過人工制造出白斑、裂紋、孔洞等不同缺陷，進行室內(nèi)原型力學特性試驗（見圖3），設(shè)計工況見表2。采集設(shè)備和測試系統(tǒng)采用江蘇東華測試技術(shù)股份有限公司提供的DH5908L動態(tài)采集儀及其采集系統(tǒng)。根據(jù)結(jié)構(gòu)對稱性，選取軸向?qū)ΨQ中心為測量面進行測量，F(xiàn)RPM管道測點布置見圖4所示。

表2 缺陷FRPM管道試驗工況

圖3 FRPM管道外壓試驗

圖4 FRPM管道測點布置圖

（2）試驗結(jié)果

由于1#管和2#管試驗加載終點不一致，取1#管加載到42 kN作為極值荷載進行對比。在保持荷載加載級數(shù)和總荷載值一致的情況下，通過比較位移變化量和環(huán)向應變變化量來表征1#管和2#管的各自特性。無缺陷的FRPM1#管和2#管測點位移與環(huán)向應變對比如圖5～6所示。

圖5 工況一測點1荷載-位移曲線對比

圖6 工況一測點1荷載-環(huán)應變曲線對比

（3）試驗結(jié)論

①通過無缺陷2根FRPM管外壓力學試驗表明，在相同荷載下，2#管較1#管而言，2#管3個測點處位移分別是1#管3個測點處位移的58.20%、59.24%、59.59%；而通過環(huán)向應變對比表明，2#管內(nèi)側(cè)測點1～4的極值環(huán)向應變是1#管內(nèi)側(cè)測點1～4極值環(huán)向應變的212.57%～232.43%；2#管外側(cè)測點5～6是1#管的94.89%～97.21%。

②通過白斑缺陷2根FRPM管外壓力學試驗表明，在相同荷載下，2#管3個測點處位移分別是1#管3個測點處位移的112.41%、39.17%、32.84%；通過6個測點的環(huán)向應變對比表明，2#管內(nèi)側(cè)測點1～6的極值環(huán)應變是1#管內(nèi)側(cè)測點1～6極值環(huán)向應變的181.62%～217.26%。

③通過裂紋缺陷2根FRPM管外壓力學試驗表明，在相同荷載下，2#管3個測點處位移分別是1#管3個測點處位移的109.54%、34.69%、29.65%；通過環(huán)應變對比表明，2#管內(nèi)側(cè)測點1～6的極值環(huán)向應變是1#管內(nèi)側(cè)測點1～6極值環(huán)向應變的104.98%～192.97%。

④通過多種缺陷組合2根FRPM管外壓力學試驗表明，在相同荷載下，2#管3個測點處位移分別是1#管3個測點處位移的102.18%、38.23%、27.19%；通過6個測點的環(huán)向應變對比表明，2#管測點1～6的極值環(huán)向應變是1#管測點1～6極值環(huán)向應變的100.33%～443.74%。

⑤通過對1#管、2#管制造白斑缺陷、裂紋缺陷，并借助加速度傳感器測試錘擊加速度，對比分析表明，1#管、2#管制造白斑缺陷各需錘擊8次和13次，制造裂紋缺陷各需錘擊96次和5次。

2.不同缺陷程度下FRPM管結(jié)構(gòu)損傷仿真研究

（1）模型建立

缺陷制造的方式仿造實驗室情況：在管道頂部施加集中力，使管道受損產(chǎn)生缺陷，然后將集中力卸載，不同的集中力大小所產(chǎn)生的缺陷程度不同。隨后對管道進行壓縮，壓縮量為管道直徑的4%，以此分析不同缺陷程度下管道環(huán)剛度的變化和管道產(chǎn)生的塑性損傷。管道的環(huán)剛度計算采用《玻璃纖維增強塑料夾砂管（GB/T 21238—2007）》所規(guī)定的方法。模擬得到的管道荷載-徑向位移曲線如圖7所示，模擬值與試驗值吻合度較好，表明模擬所采用的形式以及所用參數(shù)較為合理，相關(guān)加載形式及材料參數(shù)可為后續(xù)的損傷反演使用。

圖7 試驗與反演結(jié)果對比

（2）結(jié)果分析

管道塑性應變云圖如圖8所示，管道的徑向位移達到7 mm時，管道的塑性區(qū)主要集中在管道頂部和底部，兩側(cè)基本不產(chǎn)生塑性；管道頂部和底部位置受拉力作用，是導致管道產(chǎn)生損傷破壞的主要原因。

圖8 管道塑性應變云圖

在不同集中力作用下，隨著集中力的增大，管道的塑性變形及應變急劇增大，表明其損傷程度急劇增大。不同缺陷程度下管道環(huán)剛度及環(huán)剛度下降率如表3所示，當集中力值不超過結(jié)構(gòu)自身的承載能力時，其所造成的缺陷對環(huán)剛度影響不大，當該值超過結(jié)構(gòu)承載能力，其所造成的缺陷過大，會導致管道結(jié)構(gòu)整體環(huán)剛度下降。

表3 各缺陷情況下管道損傷程度與環(huán)剛度變化情況

3.FRPM管分層空腔數(shù)值模擬研究

FRPM管纖維纏繞夾砂管的管壁為一多層夾砂芯結(jié)構(gòu)。生產(chǎn)過程中石英砂是以自由落體形式落下而被纏繞于纖維層之間，引起管道夾砂層夾砂量不均，管壁疏松，同時樹脂及固化劑黏稠度沒有得到很好的控制，致使黏結(jié)、浸漬缺陷大量存在，在這些缺陷存在的薄弱部位，極易造成管道局部分層和開裂。工程運行中，玻璃鋼管道在長期荷載情況下產(chǎn)生環(huán)向變形而管壁受到彎曲力作用，這將導致管身產(chǎn)生分層，含砂量越高，分層趨勢就越大。一旦玻璃鋼管道出現(xiàn)如圖9所示分層現(xiàn)象，表明管體的結(jié)構(gòu)強度已經(jīng)遭到破壞，不適于繼續(xù)作為承壓玻璃鋼管道使用。因此，需要開展FRPM管身分層空腔對管體整體影響程度研究。

圖9 FRPM管道分層

（1）模型建立

采用三維實體建模，比例為1:1，模型考慮了管道的內(nèi)襯層、外襯層、夾砂層以及層間的膠結(jié)層，其中內(nèi)/外襯層及夾砂層采用實體單元表示，膠結(jié)層采用零厚度黏聚力單元模擬材料層間接觸，該單元可模擬層間的脫膠行為。模擬所建立的FRPM管三維模型管內(nèi)芯直徑為1.6 m，管長定為1.5 m（結(jié)構(gòu)試驗使用長度），內(nèi)/外襯層厚度均為0.5 cm，夾砂層厚度為1.8 cm，管道總壁厚為2.8 cm。模型計算采用靜態(tài)求解，邊界條件為：底座固定，管道置于加載板與底座中，賦予上下兩個接觸面0.1的摩擦系數(shù)，并對上部加載板施加向下的位移荷載，位移值為15 cm。

（2）結(jié)果分析

①應力分布。管道最大主應力的最大值主要出現(xiàn)在管道頂部和底部的管芯一側(cè)（見圖10），同時在管腰外側(cè)最大主應力值也偏大，約為管頂/底的50%，說明在管頂/底的管芯一側(cè)以及管腰外側(cè)承受了較大的拉應力，而受拉破壞往往是結(jié)構(gòu)主要破壞形式。

圖10 管道最大主應力分布云圖

②破壞情況。管道的破壞主要有兩部分，第一部分為夾砂層的塑性變形（見圖11），管道的塑性應變?nèi)绫?所示，夾砂層的塑性變形主要發(fā)生在管頂/底以及管腰，其中管頂/底部的塑性變形最大，這是由該部位受到較大的拉應力拉扯導致的；另一部分為夾砂層與內(nèi)/外襯層之間的脫膠，脫膠主要發(fā)生在管頂/底的靠管芯一側(cè)，其產(chǎn)生原因同樣是該部位拉應力過大且層間變形不協(xié)調(diào)導致的。通過以上分析，管道底部空腔形成的原因是管道底部拉應力過大且層間變形不協(xié)調(diào)導致。

表4 材料參數(shù)表

圖11 夾砂層塑性應變云圖

③分層空腔長度的影響。為了分析分層空腔長度對管道環(huán)剛度的影響，模擬選取管頂分層空腔寬度為0.63 m（1/8 πD），脫空長度分別為1.5 m、3 m、4.5 m的玻璃鋼管進行環(huán)剛度測試分析，所采用的管道形式如圖12所示，其中紅色區(qū)域為管道的脫空區(qū)域。根據(jù)《玻璃纖維增強塑料夾砂管（GB/T 21238—2007）》中對管剛度試驗的要求及計算方法，選取加載的位移為48 mm。

圖12 環(huán)剛度測試所用管道形式（不同分層空腔長度）

不同脫空長度下的環(huán)剛度模擬測試結(jié)果如表5所示，在不脫空的情況下，管道的初始環(huán)剛度為8.2 kN/m2，該值滿足設(shè)計要求。隨著脫空長度的增加，管道變形所需的作用力直線下降，其對應環(huán)剛度也線性下降。特別是脫空長度為管長的一半時，管道環(huán)剛度為7.35 kN/m2，其環(huán)剛度下降率約為10%。

表5 不同脫空長度下的環(huán)剛度模擬結(jié)果

夾砂層在脫空區(qū)域出現(xiàn)了應力集中，而內(nèi)/外襯層在脫空區(qū)域應力較小，且內(nèi)襯層在該區(qū)域基本不受力。這是由于內(nèi)襯層與夾砂層在脫空區(qū)域應力無法正常傳遞，因此，原本應該被內(nèi)襯層所承受的拉應力全部轉(zhuǎn)為由夾砂層承擔，內(nèi)襯層則退出受力工作，而管道整體結(jié)構(gòu)也受此影響，出現(xiàn)整體剛度下降。

④分層空腔寬度的影響。為了分析分層空腔寬度對管道環(huán)剛度的影響，模擬選取管頂分層空腔長度為1.5 m，寬度分別為0.63 m（1/8 πD）、1.26 m（2/8 πD）、1.89 m（3/8 πD）的玻璃鋼管進行環(huán)剛度測試分析，所采用的管道形式如圖13所示，其中紅色區(qū)域為管道的脫空區(qū)域。選取加載的位移為48 mm。

圖13 環(huán)剛度測試所用管道形式（不同脫空寬度）

不同脫空寬度下的環(huán)剛度模擬測試結(jié)果如表6所示，在不脫空的情況下，管道的初始環(huán)剛度為8.2 kN/m2，該值滿足設(shè)計要求。隨著脫空寬度的增加，管道變形所需的作用力雖然有所下降，但基本穩(wěn)定在115kN左右，其對應環(huán)剛度在7.8 kN/m2左右。因此可以得出，脫空的寬度對管道的環(huán)剛度影響有限，僅管頂區(qū)域的脫空對管道的環(huán)剛度有實質(zhì)的影響。

表6 不同脫空寬度下的環(huán)剛度模擬結(jié)果

夾砂層在脫空區(qū)域出現(xiàn)了應力集中，而內(nèi)/外襯層在脫空區(qū)域應力較小，且內(nèi)襯層在該區(qū)域基本不受力。不同于脫空長度的影響，脫空寬度對管道受力的影響有限，無論脫空寬度有多大，其影響的受力區(qū)域主要還是集中在管頂靠近加載點的區(qū)域，該結(jié)果再次表明，在脫空到一定程度后，脫空寬度不再是影響管道承受外荷載性能的主要因素。

⑤分層空腔位置的影響。為了分析分層空腔位置對管道環(huán)剛度的影響，模擬選取管頂分層空腔長度為1.5 m、脫空寬度為0.63 m（1/8 πD）、脫空位置分別為管道沿長度方向0 m以及3 m的玻璃鋼管進行環(huán)剛度測試分析，所采用的管道形式如圖14所示，其中紅色區(qū)域為管道的脫空區(qū)域，選取加載的位移為48 mm。

圖14 環(huán)剛度測試所用管道形式（不同脫空位置）

不同脫空寬度下的環(huán)剛度模擬測試結(jié)果如表7所示，在不脫空的情況下，管道的初始環(huán)剛度為8.2 kN/m2，該值滿足設(shè)計要求。隨著脫空位置的改變，管道變形管徑尺寸3%所需的作用力雖然有所下降，但基本穩(wěn)定在115 kN左右，其對應環(huán)剛度在7.8 kN/m2左右，說明脫空位置對環(huán)剛度影響有限。

表7 不同脫空位置下的環(huán)剛度模擬結(jié)果

（3）研究結(jié)論

經(jīng)模擬計算，分析了管道在外力荷載下的受力特性以及管道頂部不同脫空程度對玻璃鋼管環(huán)剛度的影響，主要結(jié)論如下：

①受拉破壞往往是結(jié)構(gòu)主要破壞形式，管頂/底的管芯一側(cè)以及管腰外側(cè)承受了較大的拉應力，最大主應力的最大值主要出現(xiàn)在管道頂部和底部的管芯一側(cè)。

②外力荷載會引起管道夾砂層產(chǎn)生塑性變形和夾砂層與內(nèi)/外襯層之間產(chǎn)生脫膠。夾砂層的塑性變形主要發(fā)生在管頂/底以及管腰，其中管頂/底部的塑性變形最大，脫膠主要發(fā)生在管頂/底的靠管芯一側(cè)。管道空腔是由于管身層間變形不協(xié)調(diào)導致。

③脫空長度對管道環(huán)剛度有顯著影響，且當脫空長度為管長的一半時，其環(huán)剛度下降約10%。

④脫空寬度與脫空位置對管道環(huán)剛度影響有限，環(huán)剛度下降率為5%～6%。

⑤缺陷對管道的環(huán)剛度會產(chǎn)生影響，且存在一個缺陷閾值，當缺陷小于該閾值時，管道環(huán)剛度變化不大；當缺陷程度超過該閾值時，管道環(huán)剛度會產(chǎn)生大幅度下降。

4.安全性與使用性分級

依據(jù)前文損傷反演結(jié)果和管道結(jié)構(gòu)安全評估理論，確定出不同缺陷下管材的力學特性衰減程度，如表8所示。進一步定量劃分出玻璃鋼管不同質(zhì)量缺陷對結(jié)構(gòu)安全影響等級和使用性能影響等級，如表9和表10所示。

表8 不同缺陷管材的力學特性下降率

表9 FRPM管（DN1600）質(zhì)量缺陷對結(jié)構(gòu)安全性能影響等級劃分

表10 FRPM管質(zhì)量缺陷對結(jié)構(gòu)使用性能影響等級劃分

5.管材修復等級劃分

依據(jù)室內(nèi)試驗和結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果，從玻璃鋼管的安全性、使用性兩個方面，定量給出分級指標和分級方法，針對不同缺陷類型進行了危害性等級劃分，見表11。

表11 FRPM管質(zhì)量缺陷修復原則

6.管道運行監(jiān)測方案優(yōu)化

為了及時、準確掌握管線工程的運行狀態(tài)，建立管道運行安全監(jiān)測系統(tǒng)對管道開展安全監(jiān)測。如圖15所示，管道運行安全監(jiān)測系統(tǒng)分為兩級，第一級為監(jiān)測站，第二級為數(shù)據(jù)采集站（現(xiàn)地級）。在管道關(guān)鍵斷面部位布置現(xiàn)地級數(shù)據(jù)采集站，傳感器數(shù)據(jù)采集選用2～24通道（可根據(jù)傳感器數(shù)量選取）的數(shù)據(jù)采集單元（MCU）測控裝置，采用標準RS-485/232現(xiàn)場總線，監(jiān)測系統(tǒng)具有自檢（自診斷）、掉電保護、上電復位、軟件監(jiān)控及自動復位系統(tǒng)等功能。采集信息全部采用無線傳輸方式，通過GPRS、GSM、北斗系統(tǒng)等傳輸至自動化系統(tǒng)控制中心，并在本采集站存儲。流量計安裝在有永久電源的檢修井或者氣閥井附近，接入scada系統(tǒng)數(shù)據(jù)讀取和分析。監(jiān)測站建在控制中心，監(jiān)測數(shù)據(jù)信息管理系統(tǒng)和監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合分析系統(tǒng)負責完成數(shù)據(jù)信息的采集、存儲、分析處理，并向現(xiàn)場管理部門發(fā)布所需的信息和發(fā)出報警等。管理部門除接收中心信息外，也可經(jīng)授權(quán)通過內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)或智能終端查詢現(xiàn)地監(jiān)測站設(shè)備狀況、采集的最新數(shù)據(jù)，以及瀏覽歷史數(shù)據(jù)和分析成果。

圖15 運行安全監(jiān)測系統(tǒng)

四、FRPM管道工程功能恢復和性能提升技術(shù)研發(fā)

1.整體不開挖管道修復技術(shù)

傳統(tǒng)的管道修復技術(shù)需要對地面進行開挖，管道修復完畢后，還需要重行整修地面。不僅工程量大，施工期長，所需費用更高，還很容易影響地面的交通情況，難以滿足現(xiàn)代化管道修復的技術(shù)要求。

針對FRPM管道工程危害性等級中的一般缺陷，結(jié)合傳統(tǒng)修復技術(shù)，提出整體不開挖修復的內(nèi)襯PE-100碳納米管修復施工方案。在查明管道損傷的情況下，在原有的破損舊管內(nèi)部，采用修復材料制作一條高強度內(nèi)襯PE-100碳納米新管，解決了管道滲漏和管周基礎(chǔ)穩(wěn)定的問題。

整體不開挖修復的內(nèi)襯PE-100碳納米管修復施工方案具有以下優(yōu)點：

①采用內(nèi)襯法修復的管道不但能增加強度，而且可以防滲漏、防腐蝕。內(nèi)襯法施工速度快、可靠性強，在不降低母材管道糙率和環(huán)剛度的同時，內(nèi)襯PE解決了管壁防滲問題，達到了結(jié)構(gòu)性能提升的目的，修復后的質(zhì)量較為穩(wěn)定。

②在小開挖或不開挖的情況下將管道修復完畢。不破壞其他設(shè)施，不影響交通，不需要采用大型機械，施工操作相對來說也比較簡單方便，工期更短，造價更經(jīng)濟，效果更為顯著。

③采用機器人或遙控設(shè)備進行管道修復作業(yè)，可以在不需要人工進入的情況下完成修復工作，提高安全性和效率。

④建立智能監(jiān)控系統(tǒng)，通過傳感器、數(shù)據(jù)采集和遠程監(jiān)控技術(shù)，可實時監(jiān)測管道運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)問題并采取措施進行修復。

2.管道局部缺陷光固化修復技術(shù)

目前對于管道局部破損或出現(xiàn)氣泡和白斑紋缺陷時，大多采用在玻璃鋼管內(nèi)壁補強的方法進行修復。傳統(tǒng)的修復工藝是利用樹脂加熱或遇光固化原理，將未成型樹脂等補強材料進行攪拌后涂抹在缺陷位置，待樹脂在管道里固化，即可達到對玻璃鋼管進行內(nèi)壁補強的效果。

常溫固化局部修復時，樹脂和玻璃纖維材料都是在管道修復現(xiàn)場進行攪拌，難以控制修復材料的均勻性和配合比例，修復質(zhì)量較差。同時，現(xiàn)場拌和的方式施工工序復雜，施工時間較長。為了進一步提高管道的修復質(zhì)量，節(jié)約施工時間，提出管道局部缺陷光固化修復技術(shù)。該技術(shù)采用預制的光固化片材材料，無需現(xiàn)場拌和，采用紫外光固化，縮短了固化時間，極大地提高了施工效率和修復質(zhì)量。

（1）光固化修復工藝流程

對于管道局部存在的缺陷，首先對管道的缺陷進行定位，確認需修復的缺陷點位置。然后對缺陷位置的管道表面進行處理，并進行涂刷底漆和界面膠后，將預浸樹脂的玻璃纖維材料（光固化片材）按照缺陷點形狀大小設(shè)計剪切，將其放入待修復的管道，緊緊地貼在管壁上。打開紫外光燈組，根據(jù)管道直徑大小，照射5～10 min（見圖16）。固化后的光固化片材緊密粘貼在管道內(nèi)壁上，修復工作完成。

圖16 固化燈照射光固化片材

（2）修復效果與優(yōu)點

光固化修復工藝適用于不同溫濕度條件，節(jié)省了修復時間，解決了FRPM管局部氣泡、白斑、空腔等缺陷問題，提升了加固材料與母材之間的黏結(jié)性能。如表12所示，相比于傳統(tǒng)常溫固化修復工藝，光固化修復工藝固化時間短，受環(huán)境影響小，采用的預制光固化片材具有致密、無縫黏接、防腐、抗?jié)B能力。如圖17所示，局部光固化修復后，母材與片材結(jié)合緊密，管材結(jié)構(gòu)功能恢復至原管級別。

表12 常溫固化與光固化局部修復工藝對比

圖17 光固化修復后效果圖

五、北疆供水工程小洼槽倒虹吸實踐

1.DN3700玻璃鋼管道的設(shè)計條件

北疆供水工程穿越準噶爾盆地和古爾班通古特沙漠，其線路全長大約512 km。其中渠道長大約471 km。工程主要由輸水明渠及倒虹吸組成，包括小洼槽倒虹吸等部分。小洼槽倒虹吸跨越沙漠北緣的蘇魯溝小洼槽，溝寬5.32 km，溝深46 m，兩端高差為4.32 m。倒虹吸全長5.77 km，其中管線長5.32 km。一期工程設(shè)置了2根管道，兩端與引水明渠連接，最大靜水壓力為0.46 MPa。在倒虹吸工程中，管材的選擇以輸水安全為第一，同時要充分考慮經(jīng)濟性；在功能上既要滿足引水要求，又需要布置合理，結(jié)構(gòu)簡單，水力條件好且水頭損失??；既能承受內(nèi)水壓力又能承受外荷載；既要能適應地形又要方便施工；既要在使用性能上便于維修且維修量小，又要盡可能延長使用年限；既要能適應氣候溫差的變化，又要實現(xiàn)連接方式簡單可靠，安裝易行。

小洼槽倒虹吸單管公稱直徑3100 mm，管道長度為2×5136 m，最大工作靜水壓力為0.46 MPa。為滿足一期供水要求，采用雙線布置，均采用地下埋設(shè)式，埋設(shè)深度2.5 m。自2005年以來，每年都會進行管道內(nèi)部檢查，觀察管材的內(nèi)部及接頭是否正常，并監(jiān)測管道的豎向變形。北疆供水工程2005年9月開始試通水，2006年正式通水運行，已安全運行13年。

隨著當?shù)亟?jīng)濟的發(fā)展，原小洼槽倒虹吸一期一步兩根DN3100管道輸水量已不能滿足要求，所以需在原一期一步管道的左側(cè)，距離一期一步管線中心線21.51 m處重新鋪設(shè)一條管線，與原倒虹吸進出口左側(cè)預留接口銜接。倒虹吸管線長度同一期一步，為5.315 km，最大靜水壓力為0.46 MPa，允許的總水頭損失為4.324 m。一期二步工程采用單根內(nèi)徑為3.7 m纏繞FRPM管道。擴建后，小洼槽倒虹吸輸水方式為新增的一期二步單根3.7 mFRPM管道與原一期一步的雙根3.1 mFRPM管道共同輸送設(shè)計流量57 m3/s。

小洼槽倒虹吸管材為DN3700的大直徑FRPM管道，目前在國內(nèi)還沒有相當規(guī)模的運用實例。因此，一期二步管道結(jié)構(gòu)設(shè)計上結(jié)合一期一步DN3100FRPM管結(jié)構(gòu)設(shè)計運用，其技術(shù)參數(shù)如表13所示。

表13 小洼槽倒虹吸管材技術(shù)參數(shù)表

2.DN3700FRPM管鋪層與結(jié)構(gòu)設(shè)計

小洼槽倒虹吸管道內(nèi)徑為3700 mm，壓力等級為0.65 MPa，管道剛度等級為8000 N/m2。采用FRPM管設(shè)計優(yōu)化流程，將北疆供水工程小洼槽倒虹吸管道設(shè)計參數(shù)輸入到設(shè)計優(yōu)化系統(tǒng)，對管道鋪層結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。詳細的厚度設(shè)計結(jié)果如表14所示。

表14 小洼槽倒虹吸DN3700FRPM管鋪層設(shè)計結(jié)果

在新疆小洼槽倒虹吸工程中，初步確定倒虹吸管承插式接頭的局部水頭損失系數(shù)，最終建議其取值范圍為0.0035～0.005。而管道承插口局部水頭損失是由管道承口工作面與管身連接處因高低不平產(chǎn)生渦流造成的，此次管道制作前，充分考慮管道承脖處倒角（R角）的大小，延長承脖長度，將R角由原來的16°減小為8.5°，在此處讓水流更加平緩，減小因渦流而造成的水頭損失。

3.監(jiān)測資料分析

小洼槽倒虹吸單管長5.766 km，最大靜水壓力46.00 m，最大水頭損失4.328 m，采用FRPM管平行雙線布置，內(nèi)徑3.10 m，單管引用流量17.50 m3/s。

（1）監(jiān)測斷面及測點布置

小洼槽倒虹吸管道在1+276和1+268斷面設(shè)置主監(jiān)測斷面，監(jiān)測管道應變、管道接頭變形，每個監(jiān)測斷面在左管道各設(shè)置4個測點；并在1+286斷面設(shè)置管道徑向變形監(jiān)測，1+284斷面設(shè)置土壓力監(jiān)測，1+262和5+546.5斷面設(shè)置接頭變形監(jiān)測，每個斷面設(shè)置4個測點。

（2）監(jiān)測成果分析

①管道內(nèi)水壓力

2018年左右管在運行狀態(tài)正常，觀測點2觀測到的最大、最小水頭分別為34.98 m和33.82 m，變化幅度為1.16m；同一時段，觀測點7觀測到的最大、最小水頭分別為30.10 m和29.75 m，變化幅度為0.35 m。影響管道壓力值的主要因素是倒虹吸進口前池水位和管道出口閘門開度的變化，管道內(nèi)水壓力的變化幅度不大。

②管道應力

1+275監(jiān)測斷面左管管壁環(huán)向應力最大值14.25 MPa，環(huán)向拉伸最小安全系數(shù)為6.1，管道已運行13年，最小安全系數(shù)仍小于安裝設(shè)計要求，管壁受力應是安全的。

③管道變形

a.1+286斷面管道左管整體徑向變形。1+286斷面管道整體變形運行初期較大，隨后較快趨于穩(wěn)定。該斷面管道徑向變形率為1.00%，變形較小，管道整體變形已經(jīng)穩(wěn)定。

b.管道接頭變形監(jiān)測。1+286、1+262和5+546.5斷面管道接頭最大變形前期變幅較大，隨后趨于穩(wěn)定。1+268斷面接頭底部變形較大，說明接頭部位趨于下沉；1+262和5+546.5斷面接頭頂部變形較大，說明接頭兩端趨于下沉。接頭最大變形量為31.00 mm，小于設(shè)計指標（50.00 mm）。

c.管道周圍土壓力監(jiān)測。1+284斷面管道周圍填土壓力逐年趨于穩(wěn)定，最大土壓力出現(xiàn)在管道底部，歷年最大值376.00 KPa，至2018年12月最大累計土壓力261.88 KPa。管道左側(cè)土壓力值在2007年出現(xiàn)突降，底部土壓力在2010年出現(xiàn)突降，在對應部位同一時期管道環(huán)向應變和應力值也均出現(xiàn)了突增，土壓力和管道1應力過程吻合。

d.管道滲漏。2018年，各測壓管的滲壓計測值都無變化，表明測壓管內(nèi)均無水，管道無滲漏現(xiàn)象。

通過上述分析，小洼槽倒虹吸管道壓力值正常，管道最大應力小于設(shè)計允許值，管道接縫、徑向位移變形不大，土壓力逐年趨于穩(wěn)定。小洼槽倒虹吸運行狀態(tài)正常。

六、結(jié) 論

圍繞長距離玻璃纖維增強塑料夾砂管（FRPM管）的管材鋪層設(shè)計理論與制造工藝、輸水管道設(shè)計方法、管道工程質(zhì)量評定技術(shù)、管道安全防護技術(shù)與措施、管道自動巡檢技術(shù)、管道運行監(jiān)測與安全保障等關(guān)鍵技術(shù)，組織優(yōu)勢科研團隊，產(chǎn)學研用結(jié)合，持續(xù)15年攻關(guān)，取得突破性創(chuàng)新成果：

①研發(fā)了適用于不同服役環(huán)境的FRPM管生產(chǎn)工藝。優(yōu)選出適合于大口徑、長距離、高工壓，以連續(xù)纏繞工藝為首選的FRPM管生產(chǎn)工藝，首創(chuàng)了國內(nèi)唯一直徑3700 mm并具有連續(xù)纏繞工藝的大口徑FRPM管生產(chǎn)線，突破了大口徑FRPM制造的技術(shù)瓶頸。

②提出了超大口徑FRPM管材鋪層、設(shè)計與檢驗方法。研發(fā)了石英砂、樹脂預混FRPM管，樹脂石英砂預混設(shè)備以及熱固性樹脂夾砂管用石英砂及配置方法，提出了超大口徑FRPM管鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。

③創(chuàng)建了長距離FRPM管道工程質(zhì)量評定技術(shù)與安全評價體系。系統(tǒng)揭示了FRPM管質(zhì)量缺陷產(chǎn)生機理，首次創(chuàng)建了長距離FRPM管不同缺陷類型危害性等級劃分原則，提出了復雜地質(zhì)條件長距離FRPM管道工程安全評價理論與方法。

④研發(fā)了長距離FRPM管道工程功能恢復和性能提升技術(shù)。開發(fā)了FRPM管的光固化片材局部修復工藝，以及內(nèi)襯PE-100碳納米管的整體不開挖修復技術(shù)，提出了修復效果后評價方法，實現(xiàn)了長距離FRPM管道結(jié)構(gòu)運行安全的有效掌控。

上述成果主要服務于長距離地下輸水管道工程的安全保障，為建立長距離輸水管道工程結(jié)構(gòu)安全保障體系提供技術(shù)支撐，進一步規(guī)范地下管道工程安全管理。成果經(jīng)濟效益和社會效益巨大，具有廣泛的應用前景。