區(qū)域土石方平衡法在丘陵地區(qū)設(shè)計(jì)道路標(biāo)高中的應(yīng)用研究

謝宏全,文紹勇

(1.淮海工學(xué)院測(cè)繪工程學(xué)院,江蘇連云港 222005;2.秀山國(guó)興土地開(kāi)發(fā)有限公司,重慶 409900)

區(qū)域土石方平衡法在丘陵地區(qū)設(shè)計(jì)道路標(biāo)高中的應(yīng)用研究

謝宏全1,文紹勇2

(1.淮海工學(xué)院測(cè)繪工程學(xué)院,江蘇連云港 222005;2.秀山國(guó)興土地開(kāi)發(fā)有限公司,重慶 409900)

在對(duì)常規(guī)方法設(shè)計(jì)高程簡(jiǎn)要的基礎(chǔ)上,對(duì)利用區(qū)域土石方平衡法設(shè)計(jì)道路標(biāo)高的全過(guò)程進(jìn)行闡述,最后總結(jié)確定道路標(biāo)高時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題。試驗(yàn)結(jié)果表明,該方法與規(guī)劃區(qū)的地形結(jié)合設(shè)計(jì)城市道路高程可以較好地減少城市建設(shè)投資成本,且不會(huì)對(duì)城市景觀(guān)與城市運(yùn)行成本產(chǎn)生影響。

土石方平衡法;丘陵地區(qū);土方平衡高度;道路設(shè)計(jì)標(biāo)高

一般而言,城市建設(shè)的土石方工程的平場(chǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)高都會(huì)以市政道路的設(shè)計(jì)標(biāo)高作為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。市政道路設(shè)計(jì)標(biāo)高的高與低直接影響到城市建設(shè)的土石方平場(chǎng)工程量,也將影響到整個(gè)城市建設(shè)成本,同時(shí)較大工程量的土石方工程也會(huì)對(duì)水土流失、環(huán)境保護(hù)產(chǎn)生影響[1],因此合理的城市道路設(shè)計(jì)標(biāo)高是減少城市開(kāi)發(fā)建設(shè)成本的有效途徑之一。當(dāng)前道路設(shè)計(jì)主要考慮的是道路設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的土石方平衡問(wèn)題,以及市政道路管控區(qū)內(nèi)的排水問(wèn)題,并未將市政道路所圍成的城市開(kāi)發(fā)建設(shè)用地的場(chǎng)平土石方工程量作為市政道路標(biāo)高設(shè)計(jì)綜合考慮因素,因此極易形成市政道路兩側(cè)的開(kāi)發(fā)地或挖方大于填方,或填方大于挖方,尤其是在丘陵和山區(qū)極易形成大填大挖的情況。本文設(shè)定一個(gè)土石方平衡的區(qū)域,在本區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)道路及開(kāi)發(fā)建設(shè)用地土石方總量的區(qū)域平衡,同時(shí)兼顧道路與原有城市道路的銜接問(wèn)題及市政管網(wǎng)排污、排水問(wèn)題。以重慶市秀山縣城規(guī)劃區(qū)內(nèi)某區(qū)域?yàn)槔齺?lái)進(jìn)行探討。

一、常規(guī)方法設(shè)計(jì)高程的土石方計(jì)算

由于設(shè)計(jì)的主要目的是大范圍的土石方平衡標(biāo)高,不是作實(shí)際的土石方量計(jì)算,因此利用原有地形圖可以得到該片區(qū)的地形相關(guān)數(shù)據(jù)。由于該片區(qū)的地形測(cè)量的精度基本一致,則其挖填平衡后的挖方與填方的相對(duì)誤差也基本一致,仍可以認(rèn)為挖填是基本平衡的。因此可以采用該片區(qū)的現(xiàn)狀地形圖作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)資料,而不必另外實(shí)測(cè)采集地形數(shù)據(jù)。

按照原有設(shè)計(jì)高程來(lái)進(jìn)行建設(shè)用地的平場(chǎng)時(shí),首先計(jì)算要產(chǎn)生的土石方工程量,道路節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)標(biāo)高如圖 1所示。將道路節(jié)點(diǎn)的高程值用手工輸入的方法輸入對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)上,形成設(shè)計(jì)高程地形數(shù)據(jù)。通過(guò) DTM數(shù)據(jù)內(nèi)插的方法進(jìn)行加密,可以得到一個(gè)平場(chǎng)設(shè)計(jì)面,通過(guò)計(jì)算基礎(chǔ)地形與設(shè)計(jì)面之間的土石方工程量,可以得到平場(chǎng)的土石方工程量[2]。采用南方 CASS方格網(wǎng)法計(jì)算,該片區(qū)土石方工程量為挖方 2 242 465.8m3,填方 717 339.2m3。很顯然,挖方大于填方,在暫不考慮回填壓實(shí)度情況下,該片區(qū)將外運(yùn)棄土 1 525 126.6m3。

圖 1 道路節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)標(biāo)高

二、區(qū)域土石方平衡法設(shè)計(jì)道路標(biāo)高過(guò)程

1.區(qū)域土石方平衡法計(jì)算土石方工程量

利用南方 CASS軟件中的區(qū)域土石方平衡方法計(jì)算該片區(qū)土石方平衡時(shí)的高程值及土石方平衡的工程量,計(jì)算結(jié)果如表 1所示。由表 1可以看出,土石方挖填平衡的設(shè)計(jì)標(biāo)高是 369.321 m,土石方工程量是 1 991 628m3,比原控規(guī)少挖 250 837.8m3。如果在土石方平衡的基礎(chǔ)上根據(jù)實(shí)際地形作出微調(diào)工程量會(huì)更低。

表 1 三角網(wǎng)法土石方計(jì)算結(jié)果表

2.修改設(shè)計(jì)高程后的土石方工程量計(jì)算

通過(guò)計(jì)算可知區(qū)域土石方平衡的高度是369.621m(設(shè)其為 H),根據(jù)規(guī)劃道路與現(xiàn)有道路的接口處的標(biāo)高,可以確定接入該區(qū)域的道路入口處標(biāo)高 (設(shè)定為 H1)。將設(shè)計(jì)區(qū)域按照 50m的方格網(wǎng)分割,并設(shè)定中間設(shè)計(jì)標(biāo)高為 H,通過(guò)中間高程 H與接口處高程 H1的高差與距離,計(jì)算出坡度,并以此類(lèi)推計(jì)算出道路設(shè)計(jì)坡度。根據(jù)各接口處到設(shè)計(jì)場(chǎng)地中央的坡度,推算出各接口到設(shè)計(jì)場(chǎng)地中央的各點(diǎn)的設(shè)計(jì)高程。并以此坡度延伸至設(shè)計(jì)邊界,可得出場(chǎng)地內(nèi)一條或者數(shù)條設(shè)計(jì)高程線(xiàn) (如圖 2所示)。

圖 2 設(shè)計(jì)高程線(xiàn)示意圖

按照此高程線(xiàn)橫向延伸可得出該片區(qū)的土石方平衡的初步場(chǎng)設(shè)計(jì)高程。同時(shí)將擬設(shè)計(jì)高程布設(shè)在原地形圖上,通過(guò)計(jì)算與最近各道路接口處的坡度關(guān)系并結(jié)合實(shí)際地形做相應(yīng)的調(diào)整。將初步平場(chǎng)設(shè)計(jì)高程按原設(shè)計(jì)坐標(biāo)輸入初步設(shè)計(jì)地形圖,并通過(guò)計(jì)算初步設(shè)計(jì)高程的土石方平衡高度 H1(368.406m)來(lái)確定初步設(shè)計(jì)高程值與土石方平衡H的差值 H1差,即 H-H1=369.621-368.406=1.215m,然后根據(jù)差值對(duì)設(shè)計(jì)高程作相應(yīng)的調(diào)整。根據(jù)上述數(shù)據(jù),需將確定高程邊緣設(shè)計(jì)高程調(diào)高約2.5m(接口高程不能變化,則需要將設(shè)計(jì)高程調(diào)高2H1差),才能保持平衡,同時(shí)考慮到實(shí)際地形因素和設(shè)計(jì)道路坡度因素,可以考慮在道路上設(shè)置變坡點(diǎn),即除了考慮在邊緣設(shè)計(jì)高程增加外,還可以考慮在場(chǎng)地中部提高變化高程值。將修改后的設(shè)計(jì)高程再作一次土石方平衡計(jì)算,并根據(jù)計(jì)算出的 H1與 H的差值再作一次相應(yīng)的調(diào)整,使 H1≥H,注意H1不應(yīng)過(guò)大于 H,以不超過(guò) 0.2 m為宜。因?yàn)榭紤]到回填壓實(shí)度及開(kāi)發(fā)地地下室及基礎(chǔ)開(kāi)挖,所以 H1可以略大于 H。經(jīng)過(guò)二次修改設(shè)計(jì)高程后的土石方平衡計(jì)算結(jié)果如表 2所示。

表 2 三角網(wǎng)法土石方計(jì)算結(jié)果表

3.設(shè)計(jì)地形圖繪制

經(jīng)過(guò)二次修改設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)的高程其土石方平衡高度 H1=H。該設(shè)計(jì)方案基本可以實(shí)現(xiàn)該區(qū)域土石方平衡。通過(guò)將設(shè)計(jì)成熟的設(shè)計(jì)標(biāo)高采用 DTM內(nèi)插加密的方式對(duì)該片區(qū)的設(shè)計(jì)高程加密,并可得到各道路交叉點(diǎn)的設(shè)計(jì)高程。根據(jù)現(xiàn)狀地形將各道路交叉點(diǎn)的設(shè)計(jì)高程作最后一次微調(diào),在保證市政道路坡度與排水的情況下,調(diào)整該點(diǎn)與周?chē)饕刂品秶鷥?nèi)的地形的差值,以最大限度地減少挖方與填方。最后以剔除道路交叉點(diǎn)外的輔助設(shè)計(jì)高程,并繪制出按現(xiàn)行設(shè)計(jì)高程得出的設(shè)計(jì)地形圖 (如圖 3所示)[3]。從圖 3可以看出整個(gè)設(shè)計(jì)的坡度與城市排水是可行的,且對(duì)城市未來(lái)的景觀(guān)不會(huì)產(chǎn)生大的影響。

圖 3 設(shè)計(jì)地形圖

4.土石方平場(chǎng)計(jì)算

以各道路交叉點(diǎn)高程作為加密基礎(chǔ)高程,將設(shè)計(jì)區(qū)域的設(shè)計(jì)高程進(jìn)行加密。將加密的設(shè)計(jì)高程繪制成一個(gè)三角網(wǎng)作為土石方預(yù)算的成型設(shè)計(jì)面,并計(jì)算出現(xiàn)狀地形與將設(shè)計(jì)高程值提高的土石方平場(chǎng)計(jì)算結(jié)果,該片區(qū)的土石方總挖方為1 303 008.8m3,總填方為 1 394 188.2 m3,出于開(kāi)發(fā)建設(shè)用地開(kāi)挖地下停車(chē)場(chǎng)、回填碾壓的壓實(shí)度以及道路施工換填及道路建設(shè)材料鋪設(shè)所增加的整體方量,認(rèn)為回填方略大于挖方的這個(gè)場(chǎng)地平整方案是可行的。

通過(guò)上述的土石方計(jì)算可以看出,根據(jù)土石方平衡方法設(shè)計(jì)道路標(biāo)高,整個(gè)場(chǎng)地的平場(chǎng)土石方的總挖方的 1 303 008.8m3,總填方為 1 394 188.2m3,與原控規(guī)預(yù)算的土石方量挖方 2 242 465.8m3,填方717 339.2m3相比較,挖方減少 939 457m3。填方增加 676 849 m3容量。按照?qǐng)龅貎?nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)挖方500 m運(yùn)距 14.5元 /m3,回填碾壓 5.5元 /m3,外運(yùn)方量按照1 200 m運(yùn)距 15.5元/m3,棄土場(chǎng)租賃費(fèi)用按照 3元/m3計(jì)算。原控規(guī)方案土石方平場(chǎng)預(yù)算如表 3所示,土石方平衡道路設(shè)計(jì)方案的平場(chǎng)預(yù)算如表 4[4]所示。

表 3 原控規(guī)方案土石方平場(chǎng)預(yù)算表

表 4 土石方平衡道路設(shè)計(jì)方案的平場(chǎng)預(yù)算表

由表 3與表 4可知,采用土石方平衡法來(lái)設(shè)計(jì)控規(guī)道路的設(shè)計(jì)高程比原控規(guī)方案至少要節(jié)約城市建設(shè)投資 1 650.14萬(wàn)元。可見(jiàn),區(qū)域土石方平衡法與規(guī)劃區(qū)的地形結(jié)合來(lái)設(shè)計(jì)城市道路高程可以較好地減少城市建設(shè)投資成本,且不會(huì)對(duì)城市景觀(guān)與城市運(yùn)行成本產(chǎn)生影響。

最后根據(jù)設(shè)計(jì)平面的 DTM數(shù)據(jù)內(nèi)插可得修改后的道路節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)高程成果 (如圖 4所示)。

圖 4 土石方平衡方法設(shè)計(jì)道路節(jié)點(diǎn)高程成果圖

5.確定道路標(biāo)高時(shí)注意問(wèn)題

在利用土石方平衡確定區(qū)域道路標(biāo)高時(shí),要注意以下幾個(gè)問(wèn)題。

1)如果發(fā)現(xiàn)整個(gè)區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)四周高中部低的情況,要及時(shí)作出相應(yīng)調(diào)整,確保城市排水通暢;

2)根據(jù)地形圖,對(duì)區(qū)域內(nèi)的低洼地和小山坡范圍的標(biāo)高進(jìn)行適當(dāng)?shù)奈⒄{(diào),以盡量減少挖方和填方量;

3)道路的坡度不宜過(guò)大,不超過(guò) 3%的坡度;

4)本方法主要針對(duì)新區(qū)開(kāi)發(fā)的控規(guī),對(duì)舊城區(qū)主要還是依據(jù)原有地形地貌,在盡量不改變?cè)械孛驳那闆r下設(shè)計(jì);

5)確定高程時(shí)候注意城市排水系統(tǒng)的一致性[5]。

三、結(jié)束語(yǔ)

土石方平衡法與現(xiàn)行城市道路設(shè)計(jì)方法主要區(qū)別就是在于土石方平衡法將規(guī)劃道路控制區(qū)內(nèi)的所有用地的平場(chǎng)都考慮在道路設(shè)計(jì)標(biāo)高內(nèi),而現(xiàn)行道路設(shè)計(jì)標(biāo)高方法主要考慮道路范圍內(nèi)的土石方平衡,雖有局限,但相對(duì)簡(jiǎn)易,土石方平衡方法則相對(duì)較為繁瑣。但從整個(gè)城市建設(shè)成本來(lái)看,此方法可以有效地減少城市建設(shè)成本,減少城市的大氣污染、粉塵污染、噪音污染,符合我國(guó)建設(shè)綠色 GDP的總體構(gòu)想。因此,考慮到整個(gè)城市建設(shè)發(fā)展的可持續(xù)性,采用土石方平衡法來(lái)確定道路設(shè)計(jì)標(biāo)高是可行的、必要的。大范圍的城市控規(guī)道路設(shè)計(jì)可以將大范圍的設(shè)計(jì)區(qū)域分成若干個(gè)較小區(qū)域來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì),也可以將整個(gè)區(qū)域范圍納入來(lái)進(jìn)行統(tǒng)籌設(shè)計(jì)。

[1]范東明.道路橫斷面成圖及土石方計(jì)算軟件系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)[J].測(cè)繪通報(bào),2004(5):47-48.

[2]徐偉聲.利用 CASS軟件計(jì)算土石方 [J].湖北民族學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008,26(1):118-120.

[3]毛新平,孫克南,趙小宇.利用地形圖對(duì)土地平整等工作土石方量計(jì)算方法探析 [J].河北林業(yè)科技,2008(5):40-41.

[4]包中進(jìn),陸芳春.山區(qū)性城市建設(shè)中土石方優(yōu)化配置探討[J].水土保持研究,2005,12(2):147-148.

[5]北京市市政設(shè)計(jì)研究院.CJJ 37—90城市道路設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1991.

Research on Regional Earthwork Equilibrium Method in Road Elevation Design of Hilly Areas

XIE Hongquan,WEN Shaoyong

2010-05-20

謝宏全 (1964—),男,遼寧葫蘆島人,博士,教授,主要從事 3S集成應(yīng)用和遙感信息工程方面的教學(xué)和科研工作。

0494-0911(2011)02-0039-03

P258

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