摘 要：管道施工採用大開挖形式穿越魚塘，根據施工後魚塘是恢復使用或直接保留作爲搶修便道的要求，可以選擇倒虹吸或直管埋設的方式，本文以西江引水工程爲例對這兩種形式從管道結構、施工工藝、工程投資、日後維護及執行費用等方面對兩個方案進行比較分析
關鍵詞：管道設計；方案比選
1 概述
1.1 背景
廣州市西江引水工程是廣州市迎接亞運會、保障供水水源安全、提高供水水質的重點工程。本工程規模350萬m3/d，工程總體系統方案爲：自佛山市三水區西江思賢滘下陳村附近的西江取水，經取水泵站加壓後輸送至鴉崗配水泵站，再透過配水泵站增壓後分別輸送至江村水廠（40萬m3/d）、石門水廠（80萬m3/d）和西村水廠（100萬m3/d），並預留今後新建北部水廠（100萬m3/d）的水泵位置及管道接口
1.2 管道穿越魚塘情況
本工程設計共分三個標段：第一標爲三水區下陳村取水點至三水區與南海區獅山鎮交界處，其中穿越現有魚塘約1.86公里，共分8段，主要分佈在三水區鎮西村、大洲附近及珠二環公路段；第二標段爲三水區與獅山鎮交界至獅山鎮與裏水鎮交界處，穿越現有魚塘約3.3公里，共分13段，主要分佈在珠二環高速段和東西二線段，其中有414米在佛山一環與東西二線快速路控制線範圍內；第三標爲裏水鎮至廣州市三個受水點，該標段分別有DN3600、DN2000、DN1600等多種管徑，其中DN3600管穿越魚塘約2公里，共分5段，主要分佈在佛山一環段，DN2000管穿越魚塘869米，分兩段，主要分佈在海口涌邊，其中有85米位於規劃路綠化帶範圍內，DN1600管穿越魚塘355米，主要分佈在流溪河附近，其中33.5米位於規劃路控制線範圍內。整個工程管道穿越魚塘段長度共約8.5公里。
2 設計方案對比分析
管道過魚塘的施工方案通常有非開挖和大開挖兩種，由於本工程的投資與工期等方面原因，主要採取大開挖的形式進行。
在魚塘段進行大開挖施工，根據不同的思路可以分爲兩種設計方案：
方案一，回填至原魚塘底標高，恢復魚塘的使用；
方案二，回填至地面標高，在管廊範圍內做成永久的搶修施工便道，並與周邊道路連接，方便將來的維護與搶修。
下面將從管道結構、施工工藝、工程投資、日後維護及執行費用等方面對兩個方案進行比較分析。
2.1 結構分析
管道結構設計是透過計算管道受到的外部荷載作用來決定管道的壁厚、埋深等，在一般的埋地管段，管道受到的外部荷載主要是覆土的垂直土壓力與路面的汽車荷載，經過計算，PCCP管在標準構造（壁厚250mm，鋼筒厚度1.5mm）前提下的，覆土深度取2米是比較合理的，設計暫定管道埋深2米。
而穿越魚塘段，則要視將來魚塘恢復與否而分兩種情況分析，如將來不恢復魚塘，管頂覆土後作搶修便道，則可視爲一般的埋地管段設計，管道埋深爲2米，管段平直地鋪設，避免了上彎與下彎。
如將來恢復魚塘，管道埋在魚塘底，受到的主要是水的浮力，需要一定的覆土來抵消水浮力對管道的`影響，不至於在排空的時候造成管道上浮。透過計算，管頂覆土2米能夠抵消水浮力，如按魚塘平均深度爲2米考慮，則過魚塘段的管道埋深爲4米。由於管道埋深在過魚塘處發生變化，需要在兩端設定管道垂直上彎與垂直下彎段。增設了多個管道彎頭，必然增加了沿程的水頭損失，加大了能耗
同時，管道在下（上）彎處產生了動水推力，推力的大小由轉彎的角度決定。因此，需在彎管處設定止推鎮墩。鎮墩的止推力取決於後背土體的抗剪強度，爲了不使管道推力大於後背土的抗推力，管道的上彎與下彎角度取值不宜太大，以15度爲宜。因此，管道的下彎部分縱向長度就大大增加了。這方案不僅增加了鎮墩的造價，更主要的是增加了管坑的開挖量，提高了工程的投資。
方案一由於採用倒虹管，故岸上部分需設定自動排氣閥，DN3600引水主管和DN2800配水支管初步考慮採用DN300，每處每根管道上設有2只排氣閥。DN2000和DN1600配水支管採用單個DN200排氣閥。而方案二平直穿過魚塘，故岸上部分不需設定自動排氣閥，節省了閥體與閥門井的投資。
2.2施工工藝分析
由上分析可知，兩個方案中管道的埋深是不同的，這導致了管坑支護結構、施工工藝與挖土方量的差異。方案一管坑深度達6.4米，屬於深基坑支護，擬採用12米密扣拉森鋼板樁加一道內支撐支護結構，在特殊地段還需要在兩側加水泥攪拌樁止水帷幕，防止深基坑開挖影響周邊設施。
方案二管坑開挖深度爲4.4米，其中鋼板樁支護深度僅2.9米，可採用6米鋼板樁作爲管坑支護結構。
兩種方案比較，方案一基坑支護結構較複雜，施工難度較大，施工週期長，造價高；同時由於管坑深度大，其土方開挖量較多，也直接影響了投資與工期。方案二施工工藝相對較簡單，土方開挖量較少，工期較短。
2.3.水力計算
對兩種方案的水力計算作比較，方案一比方案二多設定了四個彎頭，暫定每個彎頭均爲15°，計算方案一在該處的局部水頭損失。因爲大口徑的管道局部阻力系數不能從水力手冊中查出，所以我們只能根據南洲原水管實際執行情況來推算局部阻力系數，經推算，現確定以下係數。
管徑 角度15°DN36000.118DN28000.091DN20000.064 分別計算三種管徑各自增加的局部水頭損失：
1. DN3600
按正常最高日輸水量爲350萬噸/日計算，那麼一條管道的輸水量爲175萬噸/日
流速：
局部水頭損失：
方案一總局部水頭損失：h總=4×0.024=0.096m
2. DN2800
按正常最高日輸水量爲100萬噸/日計算，那麼一條管道的輸水量爲100萬噸/日
流速：
局部水頭損失：
方案一總局部水頭損失：h總=4×0.016=0.064m
3. DN2000
按正常最高日輸水量爲100萬噸/日計算，那麼一條管道的輸水量爲50萬噸/日
流速：
局部水頭損失：
方案一總局部水頭損失：h總=4×0.011=0.044m
由以上條件可計算出方案一比方案二增加的年執行電費，並列表如下：
增加總水頭損失（米）增加年執行電費（元）DN36000.096257250DN28000.06449000DN20000.04433688注：年執行電費=增加係數×日供水量×工作揚程×電價/（水泵效率×日變化係數）
增加係數取1.05，電價取0.70元，水泵效率取0.80，日變化係數取1.20。
由上計算可知，方案一由於設定了兩組管道彎頭，增加了局部水頭損失，從而增加了電耗，與我們節能降耗的設計原則是相違背的。
2.4.應急搶修
長距離輸水管線在局部位置由於管道自身質量、安裝質量或外界因素影響的原因而造成的管道損壞、開裂等情況是難以避免的。尤其是DN3600如此大直徑的輸水管道，當管壁開裂而出現漏水現象，其涌水量相當大，造成的危害將無法估量。作爲業主，應當密切巡視管道沿線情況，在發生問題後能第一時間趕到現場，搶修管道，把損失降到最低限度。
按照過魚塘段的兩種方案分析，方案一對管道發生問題後的搶修是不利的。首先，管道埋設在魚塘下，當發生問題時較難被發現，發現後也不容易找到準確的滲漏位置，這樣必然延誤了搶修時間；其次，在搶修埋設於魚塘下的管段前，必須先把魚塘的積水抽乾，並外運土方鋪設一條能透過大型設備的臨時搶修便道至施工點，這也延誤了寶貴的搶修時間，而且抽水作業對周邊魚塘產生影響。同時，搶修施工對魚塘主造成了一定的經濟損失，其經濟補償也是一筆不少的費用。而方案二的管道埋設於永久搶修便道下，當管段發生事故，大型搶修設備能第一時間到達損壞點進行開挖搶修，爭取了寶貴的時間，把損失程度降到最低。因此，方案二對輸水管道的維護與搶修是非常有利的。
2.5.投資對比
上述兩種方案對工程投資對比。方案一管坑支護費用高、開挖的範圍大、開挖量多，同時需增加昂貴的止水帷幕與轉彎鎮墩的造價，還需要增加排氣閥及閥井的工程費用，日後的執行費用較高。而採用方案二，則徵借地費用較高。
3 結語
綜上所述，西江引水工程輸水管道過魚塘段開挖施工的兩種設計方案，以列表形式作總結對比：
方案一方案二優點徵借地費用相對較低，工程實施可行性較大
1. 管道埋深小，施工工藝相對簡單；
2. 管線平直，減少水頭損失；
3. 有利於管道的維護與搶修；
4. 工程每延米造價相對較低。缺點1. 管道埋深大，增加開挖量；
2. 管道轉彎多，增加水頭損失；
3. 管坑支護結構複雜，費用高；
4. 施工工藝複雜，工期較長；
5. 增加局部水頭損失，不利於節能降耗
6. 對管道的維護與搶修不利；
7. 工程每延米造價高。1. 徵借地費用較高
綜合上述衆多因素的對比分析，方案二從設計、施工工藝、工期、執行和搶修等多方面均優於方案一，因此，本工程穿越魚塘段推薦採用設計方案二，管道開挖施工後覆土建造永久搶修便道。