一、方案背景

    作为“城市生命线”涉及的大型原水管线输水配水工程，在保障供水安全层面至关重要，近年来我国兴建了大量的长距离供水工程，使用的是PCCP管道，而预应力钢筋混凝土管（Prestressed Concrete Cylinder Pipe，PCCP）因口径大、压力高，常见的故障是渗漏、泄露和爆管，原因主要包括供水压力过高或突变、管道老化、阻塞、磨损、断裂等，不仅损坏泵设备，而且管道破裂会导致严重损害整个调水工程，严重影响一个城市的基础供水保障，进而影响城市的社会、经济、生活。

    该输水管线目前已经投入使用，在运行过程中也存在一些潜在安全问题，如管道上方地面动土作业对管道的影响问题、管道的渗漏问题、PCCP管道内部腐蚀问题等。上述问题均可能对管道的安全运行产生较大的影响，严重危害管道的正常供水运行。为保障管线安全、稳定、高效的运行，需要一套综合、系统、可靠的大口径pccp管道泄漏监测解决方案，对管线进行实时在线、全生命周期的健康监测。

二、方案设计

（1）断丝检测：

    针对大口径pccp管我们重点对管道断丝做实时健康检测，如果PCCP管道的同一部位出现多股断丝，管道强度将显著降低，并zui终导致爆管。我们采用分布式光纤传感技术，该技术作为一种新型的传感技术，应用在管道断丝监测领域已经成熟，该技术可实时在线对管道的运行状态进行监测，它不仅具有普通光纤传感器的优点，还具有对光纤沿线各点振动和声音的分布式传感能力，光纤即是传输信息的导体，又是分布式测量的传感器。它能够连续测量光纤沿线所在处的振动和声音，可对测量距离在50公里的范围，空间定位精度达到2米的数量级，进行不间断的自动测量，特别适用于需要大范围多点测量的应用场合。

    该PCCP断丝监测系统（pccp断丝检测仪）兼具防开挖功能，在管道铺设的一定范围内人员施工、挖掘开挖等行为作出识别。

（2）水锤泄漏监测

    管道的水锤效应破坏性也是非常大，也是我们监测的重点内容之一。具体采用管线水锤与泄露监测系统解决方案，该方案在pccp管泄漏/爆管子系统运用分段滤波技术将传感器接收的振动信号控制在20KHz这一有效反应水管泄漏声音的频段内，并且可在该频段内组合成不同宽度的频段范围，以适应不同管道泄漏检测场景。

    在确定排气阀位置上安装一体式传感器，必须包括高频压力传感器和水听器，同时传感器套件接触到管道内的水。安装传感器的间距为500-1000 米，现场条件在此间距范围内适当调整位置。传感器通过现场数据采集通信装置 RTU，3G/4G/5G 无线方式或者光纤通信，将采集到数据传输到调度控制中心分析平台对管道进行实时监测和分析。

（3）结构健康检测

3.1、管道径向、纵向位移监测

    管道铺设过程中由于施工等人为因素导致的形变或者地震等引起的地壳运动而产生沉降位移，日积月累会渗漏及爆管，所以对管道健康检测还是有必要的。另外，pccp管道径向、纵向位移监测在覆土压力等竖向荷载作用下，管道容易在地基条件发生变化或基础设施与管道相接部位产生不均匀径向位移。pccp管道主要推力由管道内水压力产生的静水推力和由水的动量改变而发生的动水离心推力组成，在管道推力的作用下管道会在接头处产生平行于管轴线的纵向位移。管道的径向位移和纵向位移是反映管道运行情况的重要指标，因此对其进行监测显得尤为重要。为掌握pccp管道运行期间的变形情况，重点关注在沿线管道：下穿交通道路、高挖方高填方、地基变化、基础设施与管道相接等部位为主要监测断面进行管道变形监测。管道径向及纵向位移监测采用直线位移传感器。

3.2、周边土压力监测

    为掌握pccp管道顶部填土的覆土压力和侧向填土的侧向土压力，重点选择在在沿线管道选取下穿交通道路和高挖方高填方监测断面进行管道覆土压力及基底应力监测。土压监测采用土压力计监测。土压计是一种埋入式压力传感器，主要用于测量土石坝、土提、边坡、路基、挡土墙和隧道等结构物内部土体的应力，适合长期自动化监测。传感器主要部件均用特殊钢材制造，可在恶劣环境使用。其性能优异，具有良好的精度和灵敏度、较好的防水性能、耐腐蚀性和长期稳定性等。在完善电缆保护措施后，可直接埋设在对仪器要求较高的碾压土中。

3.3、渗压监测

    pccp管道全线有压。由于内水压力的作用、承插接头锈蚀、连接橡胶圈圈老化以及不平衡推力产生的接头过大位移等原因，管道接头处存在渗漏的可能。为掌握管道接头密封效果以及监测管道接头的渗漏情况，重点选取：工作压力较大、地基变化、埋置深度深的典型断面布设渗压计和测压管，用以监测管道接头渗漏情况。渗压监测使用渗压计，是一种用于测量孔隙水压力或渗透压力的传感器，广泛应运于大坝、尾矿库、隧道、路基、边坡等工程中的地基深层水压力的测量，从预钻孔压入至设计层面待测点。

（4）智慧水利信息管理系统软件平台设计：

    大口径pccp管道泄漏监测系统平台系统；采用分层 B/S 体系结构，以.NET 为开发平台，统一技术标准、流程规范、数据管理、角色管理、用户登陆、界面风格，构成一个开放统一的平台，构建分层的在线监测系统。

    主要功能模块包括：管道结构健康信息展示、查询模块，可进行多站点采集数据的对比展示与查询（含用户所提供 GIS 数据的处理，或用户所提供 GIS 数据 WebService服务接入软件分析平台）现场监测设备管理模块；

实时告警包含实时告警推送、多方式告警通知(短信、邮件、声光)可实现自定义推送策略(接收等级、方式、人员)、自动推送和手动发送告警；

对数据进行各类分析处理，主要有：数据的统计分析（极值、平均值、有效值、均方值、方差、标准差等）、系统参数识别、系统数据评估（趋势分析、养护管理评定等）等功能。

监测传感器安装位置周边跑冒滴漏的现象，实现 120 升/分微小漏水监测，系统通过频谱分析功能实现报警；

管线异常事件管理，完整、准确掌握输水系统运行状态，通过高频压力和声纳数据实时监测排气阀工作状态；

系统能够机器自学习输水模式，帮助用户快速判断给水系统问题，提高管线运行的可靠性、安全性，基于供水压力实现供水调度，并及时自动发现运行异常，提高调度管理的效率和水平。

识别和展示管线压力瞬变水锤事件（水泵开停、阀门开闭、施工、冲洗、排气故障等），在线记录显示水锤压力变化曲线，实现报警，并确定压力瞬变源和定位；

基于管内 3bar 运行压力以上，实现 300 升/分以上的爆管实时监测和报警，通过时钟同步技术确定爆管位置，精度±30 米范围；

压力瞬变（水锤）分析，结合供水带压管道（GIS）材质、管龄、管径等等参数，基于现场存在的压力瞬变强度和数量，评估管道的爆管风险，并展示危险管线的区域；

三、方案总结

    该大口径pccp管道泄漏监测系统解决方案很好地展示了多维度多传感设备相结合的方式建立管路监测模型。通过AI模型能够对光缆所接收的声学信息进行判断和识别，并结合干涉仪的高频信息过滤来实现断丝信号的准确捕捉；在防开挖监测系统方面系统具有人工智能和自学习功能，可在本身具有的振动信息库中不断累积与丰富，实现样本库的学习。

    通过该方案对大口径、长距离输水pccp管道有较好地了解其运行健康程度，充分运用新一代信息技术，系统构建数字孪生水利体系，为水利决策管理提供前瞻性、科学性、精准性、安全性支持。确保工程安全、供水安全、水质安全，立足工程的规划、设计、建设、运行全生命周期管理，实现与物理水网同步仿真运行、虚实交互、迭代优化。对于构建以数字孪生流域为核心的智慧水利系统具有重大意义。