摘 要：管道施工采用大开挖形式穿越鱼塘，根据施工后鱼塘是恢复使用或直接保留作为抢修便道的要求，可以选择倒虹吸或直管埋设的方式，本文以西江引水工程为例对这两种形式从管道结构、施工工艺、工程投资、日后维护及运行费用等方面对两个方案进行比较分析
关键词：管道设计；方案比选
1 概述
1.1 背景
广州市西江引水工程是广州市迎接亚运会、保障供水水源安全、提高供水水质的重点工程。本工程规模350万m3/d，工程总体系统方案为：自佛山市三水区西江思贤滘下陈村附近的西江取水，经取水泵站加压后输送至鸦岗配水泵站，再通过配水泵站增压后分别输送至江村水厂（40万m3/d）、石门水厂（80万m3/d）和西村水厂（100万m3/d），并预留今后新建北部水厂（100万m3/d）的水泵位置及管道接口
1.2 管道穿越鱼塘情况
本工程设计共分三个标段：第一标为三水区下陈村取水点至三水区与南海区狮山镇交界处，其中穿越现有鱼塘约1.86公里，共分8段，主要分布在三水区镇西村、大洲附近及珠二环公路段；第二标段为三水区与狮山镇交界至狮山镇与里水镇交界处，穿越现有鱼塘约3.3公里，共分13段，主要分布在珠二环高速段和东西二线段，其中有414米在佛山一环与东西二线快速路控制线范围内；第三标为里水镇至广州市三个受水点，该标段分别有DN3600、DN2000、DN1600等多种管径，其中DN3600管穿越鱼塘约2公里，共分5段，主要分布在佛山一环段，DN2000管穿越鱼塘869米，分两段，主要分布在海口涌边，其中有85米位于规划路绿化带范围内，DN1600管穿越鱼塘355米，主要分布在流溪河附近，其中33.5米位于规划路控制线范围内。整个工程管道穿越鱼塘段长度共约8.5公里。
2 设计方案对比分析
管道过鱼塘的施工方案通常有非开挖和大开挖两种，由于本工程的投资与工期等方面原因，主要采取大开挖的形式进行。
在鱼塘段进行大开挖施工，根据不同的思路可以分为两种设计方案：
方案一，回填至原鱼塘底标高，恢复鱼塘的使用；
方案二，回填至地面标高，在管廊范围内做成永久的抢修施工便道，并与周边道路连接，方便将来的维护与抢修。
下面将从管道结构、施工工艺、工程投资、日后维护及运行费用等方面对两个方案进行比较分析。
2.1 结构分析
管道结构设计是通过计算管道受到的外部荷载作用来决定管道的壁厚、埋深等，在一般的埋地管段，管道受到的外部荷载主要是覆土的垂直土压力与路面的汽车荷载，经过计算，PCCP管在标准构造（壁厚250mm，钢筒厚度1.5mm）前提下的，覆土深度取2米是比较合理的，设计暂定管道埋深2米。
而穿越鱼塘段，则要视将来鱼塘恢复与否而分两种情况分析，如将来不恢复鱼塘，管顶覆土后作抢修便道，则可视为一般的埋地管段设计，管道埋深为2米，管段平直地铺设，避免了上弯与下弯。
如将来恢复鱼塘，管道埋在鱼塘底，受到的主要是水的浮力，需要一定的覆土来抵消水浮力对管道的影响，不至于在排空的时候造成管道上浮。通过计算，管顶覆土2米能够抵消水浮力，如按鱼塘平均深度为2米考虑，则过鱼塘段的管道埋深为4米。由于管道埋深在过鱼塘处发生变化，需要在两端设置管道垂直上弯与垂直下弯段。增设了多个管道弯头，必然增加了沿程的水头损失，加大了能耗
同时，管道在下（上）弯处产生了动水推力，推力的大小由转弯的角度决定。因此，需在弯管处设置止推镇墩。镇墩的止推力取决于后背土体的抗剪强度，为了不使管道推力大于后背土的抗推力，管道的上弯与下弯角度取值不宜太大，以15度为宜。因此，管道的下弯部分纵向长度就大大增加了。这方案不仅增加了镇墩的造价，更主要的是增加了管坑的开挖量，提高了工程的投资。
方案一由于采用倒虹管，故岸上部分需设置自动排气阀，DN3600引水主管和DN2800配水支管初步考虑采用DN300，每处每根管道上设有2只排气阀。DN2000和DN1600配水支管采用单个DN200排气阀。而方案二平直穿过鱼塘，故岸上部分不需设置自动排气阀，节省了阀体与阀门井的投资。
2.2施工工艺分析
由上分析可知，两个方案中管道的埋深是不同的，这导致了管坑支护结构、施工工艺与挖土方量的差异。方案一管坑深度达6.4米，属于深基坑支护，拟采用12米密扣拉森钢板桩加一道内支撑支护结构，在特殊地段还需要在两侧加水泥搅拌桩止水帷幕，防止深基坑开挖影响周边设施。
方案二管坑开挖深度为4.4米，其中钢板桩支护深度仅2.9米，可采用6米钢板桩作为管坑支护结构。
两种方案比较，方案一基坑支护结构较复杂，施工难度较大，施工周期长，造价高；同时由于管坑深度大，其土方开挖量较多，也直接影响了投资与工期。方案二施工工艺相对较简单，土方开挖量较少，工期较短。
2.3.水力计算
对两种方案的水力计算作比较，方案一比方案二多设置了四个弯头，暂定每个弯头均为15°，计算方案一在该处的局部水头损失。因为大口径的管道局部阻力系数不能从水力手册中查出，所以我们只能根据南洲原水管实际运行情况来推算局部阻力系数，经推算，现确定以下系数。
管径 角度15°DN36000.118DN28000.091DN20000.064 分别计算三种管径各自增加的局部水头损失：
1. DN3600
按正常最高日输水量为350万吨/日计算，那么一条管道的输水量为175万吨/日
流速：
局部水头损失：
方案一总局部水头损失：h总=4×0.024=0.096m
2. DN2800
按正常最高日输水量为100万吨/日计算，那么一条管道的输水量为100万吨/日
流速：
局部水头损失：
方案一总局部水头损失：h总=4×0.016=0.064m
3. DN2000
按正常最高日输水量为100万吨/日计算，那么一条管道的输水量为50万吨/日
流速：
局部水头损失：
方案一总局部水头损失：h总=4×0.011=0.044m
由以上条件可计算出方案一比方案二增加的年运行电费，并列表如下：
增加总水头损失（米）增加年运行电费（元）DN36000.096257250DN28000.06449000DN20000.04433688注：年运行电费=增加系数×日供水量×工作扬程×电价/（水泵效率×日变化系数）
增加系数取1.05，电价取0.70元，水泵效率取0.80，日变化系数取1.20。
由上计算可知，方案一由于设置了两组管道弯头，增加了局部水头损失，从而增加了电耗，与我们节能降耗的设计原则是相违背的。
2.4.应急抢修
长距离输水管线在局部位置
由于管道自身质量、安装质量或外界因素影响的原因而造成的管道损坏、开裂等情况是难以避免的。尤其是DN3600如此大直径的输水管道，当管壁开裂而出现漏水现象，其涌水量相当大，造成的危害将无法估量。作为业主，应当密切巡视管道沿线情况，在发生问题后能第一时间赶到现场，抢修管道，把损失降到最低限度。
按照过鱼塘段的两种方案分析，方案一对管道发生问题后的抢修是不利的。首先，管道埋设在鱼塘下，当发生问题时较难被发现，发现后也不容易找到准确的渗漏位置，这样必然延误了抢修时间；其次，在抢修埋设于鱼塘下的管段前，必须先把鱼塘的积水抽干，并外运土方铺设一条能通过大型设备的临时抢修便道至施工点，这也延误了宝贵的抢修时间，而且抽水作业对周边鱼塘产生影响。同时，抢修施工对鱼塘主造成了一定的经济损失，其经济补偿也是一笔不少的费用。而方案二的管道埋设于永久抢修便道下，当管段发生事故，大型抢修设备能第一时间到达损坏点进行开挖抢修，争取了宝贵的时间，把损失程度降到最低。因此，方案二对输水管道的维护与抢修是非常有利的。
2.5.投资对比
上述两种方案对工程投资对比。方案一管坑支护费用高、开挖的范围大、开挖量多，同时需增加昂贵的止水帷幕与转弯镇墩的造价，还需要增加排气阀及阀井的工程费用，日后的运行费用较高。而采用方案二，则征借地费用较高。
3 结语
综上所述，西江引水工程输水管道过鱼塘段开挖施工的两种设计方案，以列表形式作总结对比：
方案一方案二优点征借地费用相对较低，工程实施可行性较大1. 管道埋深小，施工工艺相对简单；
2. 管线平直，减少水头损失；
3. 有利于管道的维护与抢修；
4. 工程每延米造价相对较低。缺点1. 管道埋深大，增加开挖量；
2. 管道转弯多，增加水头损失；
3. 管坑支护结构复杂，费用高；
4. 施工工艺复杂，工期较长；
5. 增加局部水头损失，不利于节能降耗
6. 对管道的维护与抢修不利；
7. 工程每延米造价高。1. 征借地费用较高
综合上述众多因素的对比分析，方案二从设计、施工工艺、工期、运行和抢修等多方面均优于方案一，因此，本工程穿越鱼塘段推荐采用设计方案二，管道开挖施工后覆土建造永久抢修便道。
