基于場平單元特征參數(shù)的復(fù)雜區(qū)域土方平衡改進(jìn)性研究

摘要：指出了土方平衡計(jì)算直接影響土方挖填工程造價(jià)、邊坡支護(hù)工程投資及建構(gòu)筑物基礎(chǔ)建設(shè)投資。針對臺(tái)段式場平項(xiàng)目的特性，應(yīng)用最小二乘原理進(jìn)行單一標(biāo)高設(shè)計(jì)的方法不再適用后，提出了一種基于場平單元特征參數(shù)的土方平衡優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜區(qū)域； 場平單元；土方計(jì)算；土方平衡；優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TU751

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9944（2016）20-0127-02

1 引言：

隨著國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的廣泛開展，很多建設(shè)項(xiàng)目布置在地形落差較大的山區(qū)丘陵地帶，根據(jù)建設(shè)需求常將原始地形平整為多個(gè)臺(tái)段。場地平整主要涉及土方平衡計(jì)算及土方調(diào)配運(yùn)輸兩方面的內(nèi)容[1]，而土方平衡計(jì)算是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)場平工程的重要部分，是工程造價(jià)估算、數(shù)據(jù)放樣及工程款結(jié)算的依據(jù)。然而目前對此的研究多是針對單一設(shè)計(jì)標(biāo)高的平坦地區(qū)，對典型的臺(tái)段式復(fù)雜區(qū)域少有研究。因此，針對具有多個(gè)場平設(shè)計(jì)標(biāo)高的臺(tái)段式建設(shè)項(xiàng)目，探討其土方平衡優(yōu)化非常必要。

2 場地平整土方量計(jì)算原理

目前土方計(jì)算的方法其中主要有DTM法、等高線法、方格網(wǎng)法、斷面法等[2]。其中DTM法適用于任意地形，可建立不規(guī)則三角網(wǎng)TIN，借助計(jì)算機(jī)處理便捷且精度較高，廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程實(shí)踐中；等高線法適用于地勢起伏較大的地形建設(shè)區(qū)域，但由于地區(qū)地形復(fù)雜性和測量點(diǎn)密度的影響，計(jì)算精度不高，一般用于工程前期造價(jià)估算；方格網(wǎng)法是一種流行通用的土方計(jì)算方法，常用于大面積平灘地區(qū)的土方計(jì)算，而當(dāng)?shù)匦纹鸱^大時(shí)，其計(jì)算精度會(huì)受到一定影響；斷面法一般用于條帶狀分布的道路、管道、溝渠等較為平坦的地區(qū)，但由于對測量數(shù)據(jù)要求高、操作復(fù)雜且工作量大，該法使用范圍有限。

對于地形復(fù)雜區(qū)域的建設(shè)項(xiàng)目場平而言，因其場地地形起伏一般較大，更適用基于數(shù)字高程模型的規(guī)格網(wǎng)格法進(jìn)行土方計(jì)算。規(guī)則格網(wǎng)法土方計(jì)算原理：首先依據(jù)不同的場平設(shè)計(jì)標(biāo)高要求，將整個(gè)復(fù)雜區(qū)域劃分為多個(gè)地塊單元；然后根據(jù)各單元設(shè)計(jì)要求計(jì)算設(shè)計(jì)高程；最后計(jì)算每個(gè)方格的挖填方量，并繪出挖填方分界線，匯總得到整個(gè)區(qū)域的土方總量。具體流程如下。

2.1 網(wǎng)格劃分

規(guī)則格網(wǎng)法首先將區(qū)域劃分為若干個(gè)小方格，格網(wǎng)大小，顧及地形起伏條件，對于地勢平坦單一地區(qū)，格網(wǎng)邊長適當(dāng)放寬，地形復(fù)雜區(qū)域，格網(wǎng)邊長適當(dāng)加密，以提高計(jì)算成果精度。場平區(qū)域內(nèi)的方格網(wǎng)選取，可依據(jù)建筑總平面布置圖，在其對應(yīng)地形圖上劃分，設(shè)計(jì)高程單一的平原可取邊長為50 m的方格，丘陵地可取邊長為20 m的方格，臺(tái)階式山地可適當(dāng)加密取邊長為10 m的方格。在完成格網(wǎng)劃分后，可依據(jù)總圖豎向設(shè)計(jì)標(biāo)高，比對每個(gè)方格的地面高程和設(shè)計(jì)高程，地面高程大于設(shè)計(jì)高程，差值為“+”，即為挖方；地面高程小于設(shè)計(jì)高程，差值為“-”，即為填方；而差值數(shù)值為該方格區(qū)域的施工高度h，即挖深或填高[3]。

2.2 挖填分界線確定

挖填分界線指施工高度為0的點(diǎn)連接起來的一條曲線段，挖填分界線也即零線。若土方挖填是連續(xù)變化的，以挖填分界線為界，一側(cè)為挖方，另一側(cè)為填方，而存在挖填邊界線的單元格，既有挖方又有填方，格網(wǎng)四個(gè)頂點(diǎn)的施工高度必有“+”有“-”，應(yīng)用線性內(nèi)插方法，四條方格邊上施工高度為0處，即為格網(wǎng)上挖填零點(diǎn)位置，依次連接得到挖填分界線。挖填分界線位置確定和放樣對場平工程具有指導(dǎo)意義，一般在現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)際標(biāo)記。

2.3 單元格土方量計(jì)算

單元格土方量計(jì)算在主要有四角棱柱體法和三角棱柱體法2種。其中四角棱柱體法分為以下幾種情況：

（1） 方格四個(gè)角點(diǎn)全部為填土式挖方，其土方量計(jì)算公式如下：

挖填方工程量：V=a24（h1+h2+h3+h4）

其中h1，h2，h3，h4為角點(diǎn)填方高度，為絕對值。

（2）方格的相鄰兩角點(diǎn)為挖方，另兩角點(diǎn)為填方，其土方量計(jì)算公式如下：

其挖方部分工程量：V=a24（h21h1+h4+h22h2+h3）

其填方部分工程量：V=a24（h24h1+h4+h23h2+h3）

其中h1，h2為需挖方角點(diǎn)挖方高度，為需填方角點(diǎn)填方高度，為絕對值。

（3）方格的三個(gè)角點(diǎn)為挖方，另一個(gè)角點(diǎn)為填方，其土方量計(jì)算公式如下：

其填方部分工程量：V4=a26h34（h1+h4）（h3+h4）

其挖方部分工程量：V1，2，3=a26（2h1+h2+2h3-h4）+V4

其中h1，h2，h3為需挖方角點(diǎn)挖方高度，h4為需填方角點(diǎn)填方高度，為絕對值。

（4） 方格的一個(gè)角點(diǎn)為挖方，相對的角點(diǎn)為填方。另兩個(gè)角點(diǎn)為零點(diǎn)時(shí)（零線為方格的對角線），其為：

挖填方工程量： V=a2bh

其中a為方格網(wǎng)邊長，b為零點(diǎn)到一角的邊長[4]。

2.4 場平土方量匯總

當(dāng)每個(gè)小方格的土方計(jì)算完成后，分別將挖方區(qū)域和填方區(qū)域的單元格土方量累加求和，即可以得到整個(gè)場平區(qū)域的匯總的土石工程量，計(jì)算公式如下：

匯總的填方土方量：V填=∑Ni=1vi；

匯總的挖方土方量：V挖=∑Ni=1vi。

3 最小二乘法優(yōu)化場地設(shè)計(jì)標(biāo)高

3.1 應(yīng)用原理

根據(jù)最小二乘法的基本原理，平面上任意一點(diǎn)的設(shè)計(jì)標(biāo)高由5個(gè)條件決定，只知道了水平投影方向的坐標(biāo) x、 y，以及場地的原自然地面標(biāo)高，就可以利用最小二乘法優(yōu)化出其余的三個(gè)參數(shù)[5]。從最小二乘的基本原理來看，任意場地的平土標(biāo)高優(yōu)化都可以采用。

3.2 對不規(guī)則場地平涂標(biāo)高的處理

對不規(guī)則場地進(jìn)行平土標(biāo)高優(yōu)化，理論上來講應(yīng)用最小二乘法，是使用每個(gè)點(diǎn)的平面坐標(biāo)及地面自然高，全面的數(shù)據(jù)必然會(huì)得到場地最真實(shí)的平土標(biāo)高。但在實(shí)際操作中，工作量會(huì)非常大，往往利用一定密度的特征點(diǎn)代替地表真是形態(tài)，只要滿足誤差限制是可行的。

對于不規(guī)則場地，應(yīng)用轉(zhuǎn)化的思想，轉(zhuǎn)化為“規(guī)則”場地，對不規(guī)則邊界“規(guī)整”，做成標(biāo)準(zhǔn)的方格單元，通過編程的方式是可以實(shí)現(xiàn)的。

3.3 最小二乘法優(yōu)化場地標(biāo)高的優(yōu)缺點(diǎn)

最小二乘優(yōu)化場地標(biāo)高，是以場平區(qū)域的的自然標(biāo)高逼近平整設(shè)計(jì)平面的方式，在最小二乘意義下曲線擬合的理論來得到最佳標(biāo)高的[6]。最小二乘法優(yōu)化場地標(biāo)高，優(yōu)點(diǎn)是：一次計(jì)算可求設(shè)計(jì)標(biāo)高，速度快簡便易行，適用于格則場地和不規(guī)則場地；缺點(diǎn)是需要借助計(jì)算完成繁瑣計(jì)算，當(dāng)實(shí)際工程中需要平整成更為復(fù)雜的多個(gè)坡面曲面時(shí)，最小二乘法講實(shí)效。

4 土方平衡計(jì)算優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

在實(shí)際的工程建設(shè)項(xiàng)目中，場平改造最為理想的效果是土方平衡。土方平衡指的是挖掉的土方恰好或者接近于填方土石量，這樣在一個(gè)場平區(qū)，以填挖邊界線為參照線，將挖方土石直接填到填方部分；若為地形復(fù)雜的場平區(qū)，劃分為多個(gè)單元，可能涉及將一個(gè)單位的挖方土石填到其他單元的情況。土方平衡在指導(dǎo)土方計(jì)算改造中，在保證較小余土或外運(yùn)土的前提下，完成了場地整平，可以大大的減小工程工作量和運(yùn)輸費(fèi)用，但是多單元的場平區(qū)要預(yù)先做好調(diào)配方案。

土方平衡優(yōu)化設(shè)計(jì)方案在復(fù)雜區(qū)域的場平工程中尤為重要，因?yàn)閱我坏匦螆銎礁脑煊?jì)算簡單，且土方工程量填挖不大；而復(fù)雜區(qū)域在建構(gòu)助物設(shè)計(jì)時(shí)，就要考慮到地形特點(diǎn)因地制宜，往往將建筑物布置在不同高程的錯(cuò)落單元，若達(dá)到實(shí)際要求的前提下，建筑物之間道路聯(lián)通設(shè)計(jì)一定坡度，從而減少土方量并保持建設(shè)工程與周邊輻射范圍地形的適應(yīng)性。所以復(fù)雜區(qū)域的場平工程土方計(jì)算也是依據(jù)工程本身的設(shè)計(jì)要求，將總的場平區(qū)化整為零，零星單元的設(shè)計(jì)、計(jì)算、改造更易控制調(diào)配，只要保證零星單元精度，就可以在整體上做好土方平衡方案的優(yōu)化。

土方平衡的計(jì)算適用于整個(gè)場平區(qū)，若單一設(shè)計(jì)標(biāo)高的場平區(qū)計(jì)算相對簡單；若臺(tái)段式場平區(qū)可將場地劃分為幾個(gè)單元，將某個(gè)單元的余土疊加到其他單元參與平衡計(jì)算，使土方調(diào)配盡量在內(nèi)部場平區(qū)完成，僅產(chǎn)生少量外運(yùn)土。需考慮不同場平單元挖填方量、面積及挖填不平衡系數(shù)等特征參數(shù)，還要顧及挖方松散系數(shù)和填方壓實(shí)系數(shù)，在不同的單元臺(tái)段式場平區(qū)設(shè)計(jì)了不同的標(biāo)高，并結(jié)合場地地形坡度等要素，分析確定穩(wěn)定合理的邊坡挖填坡比，護(hù)坡處理增加了土方平衡計(jì)算的復(fù)雜性，手工計(jì)算幾乎無法完成，計(jì)算機(jī)在處理繁瑣計(jì)算方面有著明顯優(yōu)勢。通過多次迭代計(jì)算，最終得到滿足精度要求的土方平衡設(shè)計(jì)面，為場平工程提供參考方案。設(shè)計(jì)者依據(jù)迭代計(jì)算出的設(shè)計(jì)面，結(jié)合內(nèi)部土方調(diào)配運(yùn)輸工程量，能夠更好地進(jìn)行投資控制和合理安排施工組織。

5 結(jié)語

針對在很多項(xiàng)目出現(xiàn)的臺(tái)段式復(fù)雜區(qū)域場平工程，提出了一種基于場平單元特征參數(shù)的土方平衡優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。利用該優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，考慮到了每個(gè)單元的特點(diǎn)，便于從局部減少邊坡支護(hù)及相鄰臺(tái)段面陡坎加固的費(fèi)用，利于從整體控制土方平衡調(diào)配與精度，是一種可行且有效的復(fù)雜區(qū)域土方平衡優(yōu)化方法。

參考文獻(xiàn)：

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