1 绪论

1.1 研究背景及意义

我国水资源分布很不均衡，部分地区水资源缺乏已成为经济发展的制约因素，全国 670 座城市有400座城市不同程度地缺水，108座严重缺水。随着我国经济的发展，城镇人口增多，全国总用水量不断增加，区域用水问题越来越严重，水资源不足已成为社会、经济发展的制约条件，亟待解决。为了解决北方地区的用水问题，国内大中型城市不得不采取长距离引水，如北京、上海、天津、长春、大连、石家庄和深圳等。考虑到地表输水方式对水质造成污染较大，从近几年来的情况看，多采用输水管道，且管道口径越来越大，距离越来越长。故选择一种生产制造方便、耐久安全、经济适用的输水管材，势在必行。2000年，我国开始实施南水北调工程，旨在缓解中国华北和西北地区水资源短缺的现状。把中国长江流域丰盈的水资源抽调一部分送到华北和西北地区。我国南涝北旱，南水北调工程通过跨流域的水资源合理配置，促进南北方经济、社会与人口、资源、环境的协调发展，分东线、中线、西线三条调水线。东线工程起点在长江下游的扬州，终点在天津，供水范围涉及苏、皖、鲁、冀、津五省市。东线工程利用的是元朝的运河，目的是缓解苏、皖、鲁、冀、津等五省市水资源短缺的状况。中线工程从长江最大支流汉江中上游的丹江口水库东岸岸边引水，经长江流域与淮河流域的分水岭南阳方城垭口，沿唐白河流域和黄淮海平原西部边缘开挖渠道，在河南荥阳市王村通过隧道穿过黄河，沿京广铁路西侧北上，自流到北京颐和园团城湖。中线供水区工农业生产在我国占有重要地位，西部沿京广铁路有首都北京及省会石家庄和郑州三大城市，还有南阳、平顶山、许昌、焦作、新乡、鹤壁、安阳、邯郸、邢台、保定等中等城市，东北部有天津和廊坊、衡水、沧州等大中城市。中线工程建成后可缓解京、津及华北地区城市的严重缺水状况，改善生态环境，促进国民经济和社会的持续稳定发展。中线输水工程的输水方式有明渠、管道及明渠与管道相结合等输水方式。随着南水北调中线主体工程的建成运行，沿岸城市配套工程也逐渐开工，由于该区域土地资源稀缺，土地资源珍贵，同时为了保证水体不受污染，输水管道成为一种很好的选择。考虑管道输水水质好、供水安全可靠等特点，管道输水成为主要的供水方式，南水北调中线工程主体工程京石段采用大口径输水管道，北京、天津、石家庄、郑州等沿线的20多座大中城市的配套工程也将采用输水管道，同时，这些城市的生活和工业用水也都涉及到了管道输水。

管道按材料分为金属管和非金属管。金属管包括铸铁管及钢管等；非金属管包括PVC管及石棉水泥管、预应力钢筋混凝土管、普通钢筋混凝土管、预应力钢筒混凝土管、玻璃钢管等。根据各种管道的工作压力性能、耐腐性、输水能力、制作安装工艺、运行维护及工程投资等综合比较分析，适合中线工程的管道有普通钢筋混凝土管、预应力钢筒混凝土管（Prestressed Concrete Cylinder Pipe，PCCP）、玻璃钢管等。普通钢筋混凝土管圆管的水流条件、受力条件等方面均较优越，但对于大口径的管道，施工难度大；矩形断面的箱涵受力条件虽然较圆管差，但施工简单，同时与PCCP管能够比较方便地连接。通过对不同管数、不同流量、不同管径、不同内水压力下的工程投资（含加压泵站投资）及运行管理费等综合工程费用经济分析，现浇混凝土方涵综合工程费用最经济，PCCP管次之，PCCP管比现浇混凝土方涵高4%～15%；玻璃钢管与现浇混凝土圆涵的综合工程费用最高，比现浇混凝土方涵高出约30%。因此，工程中选用PCCP管的输水方案有其自身的优点。

图1.1 PCCP结构示意图

预应力钢筒混凝土管是带钢筒的混凝土管芯上缠绕单层或多层环向预应力钢丝，并辊射水泥砂浆保护层而制成的新型复合型管材。各节PCCP之间由带承插口钢环的柔性接口连接，用橡胶圈对接口进行密封处理，具有良好的适应不同地质条件的能力。PCCP结构示意图如图1.1所示。

PCCP按型式可分为两种：

（1）内衬式预应力钢筒混凝土管（PCCP-L），如图1.2所示，在钢筒内部衬以混凝土后，高强预应力钢丝缠绕于钢筒外侧，再辊射砂浆保护层，多用离心法振捣成型，适用于管口直径小于1.2m的管材。

图1.2 内衬式预应力钢筒混凝土管（PCCP-L）结构示意图

图1.3 埋置式预应力钢筒混凝土管（PCCP-E）结构示意图

（2）埋置式预应力钢筒混凝土管（PCCP-E），如图1.3所示，是将钢筒埋置于混凝土中，高强预应力钢丝缠绕于混凝土管芯外侧，再辊射砂浆保护层，多用立式振捣法成型，适用于管口直径大于1.2m的管材。

PCCP是由混凝土、钢筒、钢丝、保护层组成的复合型管材，与单一材料结构相比具有更多的组合性能的优势，除具有各层材料本身固有性能，如钢筒的耐拉、不透水性；预应力钢丝使PCCP具有承受较强内外荷载的能力；混凝土的耐压、耐腐蚀性能外，PCCP还具有以下优势：

（1）承受内压和外荷载能力强。PCCP由于钢筒的存在和采用钢环承插口“O”形橡圈接头，解决了一般混凝土管存在的渗水问题，使管体能够承受较高的内水压力。PCCP由高强预应力钢丝、钢筒、混凝土组成，预应力钢丝使管体产生初始压应力，当管体承受内外荷载时，PCCP承受的拉应力逐渐抵消预应力钢丝产生的初始压应力，根据不同的内外荷载要求，可采用双层或多层缠丝，使管体产生更大的预应力，进一步提高管体承受荷载的能力。

（2）接头密封性能好，具有良好的抗渗性能。各节PCCP之间由带承插口钢环的柔性接头衔接，承口呈钟形，插口是带有凹槽的特型钢，“O”形橡胶圈与凹槽等断面设计，使橡胶圈受到双向挤压，从而形成极好的密封力。PCCP为复合型管材，特别是钢筒的存在，保证了管身的不透水性能。PCCP特有的复合结构和接头形式，即混凝土包裹的钢筒和橡胶圈受压反弹密封机制，保证了管线既不会出现管身渗水，又不会出现接头漏水，从而具有极好的抗渗性能。

（3）通水能力强。PCCP及接头的内表面光滑，流水阻力小，经水力摩阻实验测定：离心成型的PCCP-L，糙率值为0.012；对于立式振动成型的PCCP-E，糙率为0.0107。由于糙率值较小，水头损失较小，PCCP有较强的通水能力。

（4）使用寿命长且维护费用低。美国混凝土压力管协会对不同管材的管道运行和维护费用进行了调查，调查结果表明PCCP的运行和维护费用约为球墨铸铁管（DIP）的1/3，钢管（SP）的1/5；美国给水协会耐腐蚀委员会、美国工程试验中心、美国工程试验中心和美国土木工程学会和材料学会研究认为，PCCP设计使用寿命50年以上，可以使用100年，使用寿命为其他管道的2倍。

（5）较强的地基适应性和抗震性能。PCCP采用的柔性接头使管体在正常情况下允许有一定转角，使施工方便且具有广泛的适应性（特别是软土地基），同时由于承插口的伸缩设计使PCCP具有高抗震性。这些优异的性能目前都是其他大口径的管材无法替代的，PCCP的替代产品的威胁很小。

PCCP的综合优势十分明显，在大口径输水管线选材时，已越来越显示出其优越性和竞争力。在我国，PCCP越来越受到水利行业的青睐，万家寨引黄工程采用了直径3m的PCCP，运行情况良好；南水北调工程北京段已采用直径4m的PCCP。目前，缺水仍是我国大部分城市所面临的一大问题，为解决缺水给社会发展所带来的一系列问题，目前已开展了大范围的引调水工程；同时，在雨季，我国大部分城市还面临城市内涝、排污等问题，这些相关工程都需大量的PCCP，因此，PCCP在我国有着广泛的应用前景。

目前，国内在大口径PCCP管方面的研究还相对较少。南水北调工程中使用的4m直径PCCP在国内尚属首次，在世界范围内也属罕见。因此，针对PCCP，在其受力模型、试验研究、数值分析、结构可靠度研究、管道抗震性能等方面还需做大量的研究工作。由于 PCCP 中含有混凝土、钢筒、预应力钢丝，节点构造复杂，埋置在地下需要考虑复杂的工况，导致其结构计算具有一定的复杂性。目前，对于 PCCP 的受力机理还不被人们完全认识，特别是地震发生时，PCCP的结构响应特点和破坏形态还没有展开研究。

国内外震害资料显示，由于地震时输水管道的功能失效而导致的灾害给人类造成了很大的生命财产损失，1906年美国旧金山地区发生8.3级地震时，三条主要输水管遭受破坏，城市管网上千处破裂，消防水源断绝，城市50多处起火，大火延续了三天三夜，导致十多平方公里的市区521个街坊烧毁，火灾造成的损失比地震直接破坏的损失高3倍。1923年日本关东地区发生8级地震时，东京市房屋震塌133栋，引起了270多起火灾，大火烧毁45万栋房屋，烧死4万人。1975年我国辽南海域地震时，受到烈度为8度影响的营口市，震后24h内发生36起火灾，城市地下输水管道破坏严重，抢修了一个多月才恢复正常供水。我国处在环太平洋地震带和欧亚地震带之间，地震区域广，地震强度大，发震频率高，是世界上遭受地震灾害最为严重的国家之一。20世纪以来，全球共发生7级以上地震1200余次，其中10%发生在我国。地震是破坏管道系统的重要原因之一，分析地震作用下输水系统中结构的安全，保证输水系统的正常运行，制定规范的运行规程，科学地估计它带来的危害，及时采取有效抗震措施，可以避免或减少地震带来的损失，因此输水管道的抗震分析已日益为人们所重视。