摘要：预应力钢筒混凝土管(PCCP)作为引|调水工程中常用的结构型式，其安全运行直接关系到供水系统的稳定性。预应力钢丝腐蚀断裂是造成PCCP运行期爆管事故的主要原因，开展断丝声光纤监测是保障PCCP长期安全运行的关键技术手段。 本方案基于国产化声光纤综合监测系统，通
预应力钢筒混凝土管(PCCP)作为引|调水工程中常用的结构型式，其安全运行直接关系到供水系统的稳定性。预应力钢丝腐蚀断裂是造成PCCP运行期爆管事故的主要原因，开展断丝声光纤监测是保障PCCP长期安全运行的关键技术手段。 本方案基于国产化声光纤综合监测系统，通过实时记录各节管道断丝根数，判定管道剩余承载力，结合管内压力/应变监测结果实现爆管预警， 为水利工程PCCP管道提供全生命周期健康监测解决方案。
本技术由中国水利水电科学研究院在国家重点研发计划项目资助下，联合国内多家光纤传感技术厂家共同开发，已授权3项国内发明专利，并通过水利部"长距离大口径PCCP无损检测实验平台"验证了系统可靠性。系统采用多原理融合的监测方法，结合高频声学信号识别与低频信号定位，配合非线性有限元分析，形成完整的监测-评估-预警技术体系。
系统采用双原理协同工作模式:基于迈克尔逊干涉原理监测高频声学信号(100kHz)识别断丝特征，同时基于后向瑞利散射原理同步监测低频信号实现断丝精确定位。当PCCP发生断丝时， 钢丝断裂释放的能量会产生特定频段的声发射信号，这些信号通过管道结构传播并被传感光缆捕获。
信号特征分析表明，断丝过程产生的声波信号具有独特的非线性特征:钢丝回弹对管道产生高频冲击激励，在时频谱上表现为"M"状与"V"状条纹组合，且钢丝频率变化趋势与混凝土振动频率变化趋势相反。系统通过模式识别算法对这些特征进行提取和分析，准确区分断丝信号与环境噪声。
传感层:采用专用单模传感光缆(通常为2-4 芯)，沿管道铺设，兼具信号感知与传输双重功能。光缆需满足饮用水标准，抗拉力≥200ON, 最小弯曲半径25cm.在1310nm和1550nm波长条件下的衰减系数分别不大于0.35dB/km和0.20dB/km。数据采集层:核心设备为光纤振动解调主机， 包含声音传感单元(SSU)、位置传感单元(RSU)、 信号调节单元(SCU)等模块。一台标准主机可监测最长50km管道，测量时间≤2s,定位精度±1m,误报率≤5%,漏报率≤1%。数据分析与预警平台:部署云端服务器，具备实时数据处理、断丝特征识别、管道承载力评估、预警信息发布等功能。平台采用B/S架构， 支持多终端访问，可生成日报、周报及专项分析报告。表:系统主要技术指标
指标项参数要求备注适用管径1.8m-4m覆盖常见PCC规格监测距离单通道20km可级联扩展定位精度+1m~t5m取决于安装工艺采样频率100kHz确保高频信号捕获工作温度-5℃~45℃满足野外环境要求电源要求220VAC+10%支持太阳能供电工程实施
前期准备
现场勘察:需收集管道设计图纸、施工记录、 运行历史等资料，重点了解管道走向、接口位置、阀井分布等信息。同时勘察沿线地质条件、 电磁干扰源分布情况，为光缆敷设方案提供依据。系统设计:根据管道长度确定监测分区，一般每20km设置一个采集站；规划光缆路由，确保传感光缆与管壁紧密贴合(距离任一处钢丝不超过1倍管径)；设计信号传输网络，优先采用光纤专网，偏远地区可采用4G无线传输。设备选型:推荐选用通过GB/T41057-2021 《预应力钢筒混凝土管分布式光纤声监测技术要求》认证的设备。核心设备应包括光纤解调主机、传感光缆、穿缆组件、电源系统等，辅助设备可配置光纤干涉仪用于系统校准。安装施工
光缆敷设:对于新建管道，建议采用内衬式安装，将传感光缆固定在管道内壁专用卡槽内；已建管道可采用穿缆器辅助敷设，通过现有检修孔实施。光缆敷设应保持连续，接头处需特殊处理确保信号传输质量。设备安装:数据采集主机宜安装在阀井或专用设备间内，做好防潮、防盗措施；供电系统可采用市电+太阳能互补方案，配备蓄电池确保停电时持续工作≥20天。系统调试:安装完成后需进行全管道敲击测试，验证系统定位精度(要求≤±1m);建立环境噪声基线，设置适应现场工况的报警阈值；模拟断丝信号测试系统响应能力。日常监测:系统应24小时连续运行，年可用率≥95%。监测内容包括:每小时自动验证系统状态、持续记录声学事件、实时下载数据至云端服务器进行分析。数据管理:建立分级数据处理流程:前端设备完成原始信号采集；云端服务器进行事件分类与特征提取；专家系统评估管道安全状态，所有数据应在境内服务器存储，禁止向境外传输。预警处置:系统应设置三级预警机制:单次断丝事件，24小时内书面报告；相邻三节管道24小时内连续3次以上断丝，立即专项报告；断丝密集区趋势恶化，启动应急响应。定期维护:每季度检查传感光缆状态，每年校准系统参数；及时更换老化部件，保持设备良好运行状态。维护记录应归档备查。技术优势与创新点
方案采用的分布式光纤监测技术相比传统方法具有显著优势:
全分布式监测:传感光缆上任意点都可成为传感器，实现无缝连续监测，克服了点式传感器布设密度不足的缺陷。系统可同时监测断丝、泄漏和第三方破坏等多种风险，综合成本降低30% 以上。抗干扰能力强:光纤传感不受电磁干扰影响， 特别适合高压输电走廊、轨道交通等强电磁环境下的管道监测。系统在雷击多发区域表现尤为突出，解决了传统电学传感器易受雷击损坏的问题。长距离监测:单套系统可覆盖50km管道，远超传统技术的监测范围。通过光中继技术， 监测距离可进一步扩展至数百公里，满足超长距离输水工程需求。早期预警能力:系统可捕捉单根钢丝断裂的微弱信号，较传统方法提前6-12个月发现管道隐患。结合有限元分析模型，可准确预测管道剩余寿命为预防性维护桿供科学依据。技术创新点包括:
多原理融合的信号处理算法，提高断丝识别准确率；国产化硬件平台， 打破国外技术垄断；标准化数据接口，便于与现有SCADA系统集成；自适应学习机制，持续优化报警阈值。应用案例与实效验证
南水北调北京段工程
在南水北调中线干线(北京段)工程中，该系统成功应用于35.7公里PCCP管道的安全监测。项目实施后实现了:
精准预警:系统累计识别断丝事件127次，定位误差控制在±1m内，经开挖验证准确率达98%以上。
风险管控:通过断丝分布热力图识别出3处高风险管段，指导管理部门采取降压运行等临时措施，避免了潜在爆管事故。
效益显著:相比传统人工巡检，监测效率提升20倍，年运维成本降低约150万元。
国家标准验证项目
作为GB/T41057-2021标准的主要验证工程，某大型引水项目采用本方案对80公里PCCP管道实施监测。标准验证表明:
性能达标:系统各项指标均优于标准要求，特别是在定位精度(±0.8m)和响应时间(1.5s)方面表现突出。
稳定性好:连续运行18个月无故障，经受住了-25℃低温考验，验证了系统在极端环境下的可靠性。
扩展性强:系统成功整合压力、温度等多源数据，形成了完整的管道健康评估体系。
实施建议与注意事项
分阶段实施策略:建议优先在历史爆管多发区、重要穿跨越段等高危区域部署，逐步扩展至全线。新建项目应同步设计监测系统，降低后期改造难度。人员培训要求:运营单位需配备专职技术人员，接受不少于40学时的专业培训，内容涵盖系统操作、数据分析、应急处置等，建议建立持证上岗制度。数据安全管理:监测数据应按国家网络安全等级保护要求进行管理，实施数据分级授权访问。原始数据保存期限不少于管道设计使用年限。系统优化方向:未来可结合数字李生技术，构建管道三维可视化模型；探索人工智能在断丝模式识别中的应用，提升系统智能化水平。成本控制措施:对于中小型项目，可采用共享式数据中心降低IT投入；优化光缆敷设工艺，减少施工成本；考虑与泄漏监测系统共用基础设施。方案已在多项国家重点工程中得到成功应用， 技术成熟度达到产业化推广阶段。通过科学实施，可显著提升PCCP管道安全管理水平，有效预防爆管事故，保障供水系统安全稳定运行。
来源：黑狗文
