試論水利工程土方斷面計(jì)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)和改進(jìn)

王亞輝

河南省陸渾水庫管理局

1 前言

在建筑工程中，土方量的計(jì)算非常重要，關(guān)系到工程的具體實(shí)施方案以及工程項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益，計(jì)算土方量的方法目前有DTM 法、區(qū)域土方量平衡法、斷面法、等高線法、方格網(wǎng)法等，在工程項(xiàng)目中，需根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況選擇計(jì)算方法。但一般在水利工程中采取的是土方斷面計(jì)量方法，可以更好地對(duì)開挖和回填提供數(shù)據(jù)支持。而土方斷面計(jì)量方法存在多種，在科學(xué)技術(shù)并不發(fā)達(dá)時(shí)代，現(xiàn)場(chǎng)記錄繪圖是工程土方計(jì)量主要方法，雖然這種方法一直沿用至今，但也存在明顯的劣勢(shì)，所以目前對(duì)于土方斷面計(jì)量有DTM 斷面法、CASS 斷面法等，固然增加了土方量計(jì)算的快捷性和高效性，不過其也存在一定的劣勢(shì)，從而導(dǎo)致土方量計(jì)算不準(zhǔn)確或計(jì)算煩瑣等情況。本文中，對(duì)幾種土方斷面計(jì)量法進(jìn)行綜合分析，并淺議其改良辦法。

2 關(guān)于水利工程土方斷面計(jì)量方法優(yōu)缺點(diǎn)

2.1 DTM生成斷面法

DTM 是利用一個(gè)任意坐標(biāo)系中大量選擇的已知x、y、z 的坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)連續(xù)地面的一種模擬表示，可用于任意斷面圖繪制。通過三角網(wǎng)將測(cè)量坐標(biāo)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行連接，設(shè)計(jì)斷面穿越若干三角形，從而得到插值點(diǎn)，再根據(jù)相關(guān)坐標(biāo)點(diǎn)插值形成斷面線，進(jìn)行最終斷面圖的繪制。此種方法，插值點(diǎn)是在斷面穿越三角形時(shí)所截取的，而非人工隨意選擇，具有較高精準(zhǔn)度，能夠滿足紙張作業(yè)的可視性和計(jì)算性要求，同時(shí)其所得插值點(diǎn)數(shù)據(jù)具有真實(shí)性，能更真實(shí)的反應(yīng)實(shí)測(cè)地貌特征，對(duì)于水利工程復(fù)雜地形適應(yīng)度較高，也是目前水利工程土方量計(jì)算主要方法之一[1]。

但其同樣具有諸多硬性要求，一旦條件不符合，便會(huì)使所測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差。例如，采取DTM斷面法，需要相關(guān)技術(shù)人員熟練測(cè)量布點(diǎn)及三角網(wǎng)控制技術(shù)，具備較高的專業(yè)水平和豐富的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，否則，將導(dǎo)致DTM技術(shù)所生成斷面與實(shí)際勘測(cè)地形嚴(yán)重不符。且一旦涉及設(shè)計(jì)變更，將重新進(jìn)行土方重復(fù)計(jì)算和圖件修改，無疑增加工作量和工程時(shí)間。

2.2 水利工程土方斷面計(jì)量法中已知插值點(diǎn)生成斷面

將已知插值點(diǎn)進(jìn)行連接，從而得到高程數(shù)據(jù)，以便形成斷面線繪制斷面圖。采取已知插值點(diǎn)生成斷面法所截取的斷面圖同樣擁有較高精度，能夠與紙張作業(yè)的可視性和計(jì)算性要求相匹配，可以反映實(shí)測(cè)地形面貌[2]。但其存在適用前提，若排除實(shí)際地貌地形影響，理想狀態(tài)下，所有高程點(diǎn)可處于同一水平線，但實(shí)際情況是，水利工程項(xiàng)目中，地形多變，很難達(dá)到斷面線測(cè)點(diǎn)密集度要求，所以解決辦法一般采取人為干預(yù)，在低密度測(cè)點(diǎn)區(qū)間進(jìn)行插值點(diǎn)設(shè)置，再將坐標(biāo)數(shù)據(jù)整理完善，這種方法根據(jù)已知測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，很好地補(bǔ)充了存在的斷面測(cè)點(diǎn)不足問題，斷面生成較為簡(jiǎn)明。

此類方法缺點(diǎn)依然明顯，人工干預(yù)下，測(cè)量數(shù)據(jù)真實(shí)性和可靠性不能保證，同時(shí)插值點(diǎn)與實(shí)測(cè)地形不符，最終計(jì)算數(shù)據(jù)存在偏差，且計(jì)算步驟較為煩瑣，當(dāng)有設(shè)計(jì)變更需求時(shí)，同樣增加了大量工作時(shí)間，效率不高。

2.3 南方CASS斷面法

使用南方CASS斷面法進(jìn)行土方計(jì)算，首先需要生成里程文件，其原理是利用離散方法對(duì)地形進(jìn)行描述[3]。生成里程文件常用方法有四種選擇，分別是有縱斷面生成，這種生成過程較為靈活、直觀，其次由復(fù)合線生成，其以斷面線為起點(diǎn)，依間距記下每一交點(diǎn)在縱斷面線上離起點(diǎn)的距離和所在等高線的高程。還有等高線生成以及三角網(wǎng)生成，以斷面線為起點(diǎn)，處理斷面線與等高線的所有交點(diǎn)，依間距記下每一交點(diǎn)在縱斷面線上離起點(diǎn)的距離和所在等高線的高程和以斷面線為起點(diǎn)，處理斷面線與三角線的所有交點(diǎn)，依間距記下每一交點(diǎn)在縱斷面線上離起點(diǎn)的距離和所在三角形的高程[4]。南方CASS 斷面法主要是采取CASS 軟件進(jìn)行分析，生成平面數(shù)據(jù)圖、斷面圖、土石方計(jì)算表，到最后完成土方計(jì)算。所以這種方法較為簡(jiǎn)潔明了，比之DTM生成斷面法老說，制圖簡(jiǎn)單，快捷，且在設(shè)計(jì)變更時(shí)，可直接進(jìn)行相應(yīng)更改。

由于這種方法是直接在里程文件生成的斷面圖，所以與實(shí)測(cè)地形存在一定差別。由縱斷面線生成的里程文件，其測(cè)量數(shù)據(jù)稀疏問題得不到很好的解決。例如，在生成渠道斷面時(shí)，相應(yīng)里程文件會(huì)將設(shè)計(jì)中心線的高程數(shù)據(jù)默認(rèn)為原狀斷面線的中點(diǎn)高程[5]。軟件在里程文件建立后便會(huì)進(jìn)行自動(dòng)處理模式，所有測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行TIN 計(jì)算，由中點(diǎn)高程起至外推算。但是設(shè)計(jì)中心線與實(shí)際中心并不是互相吻合的，所以軟件將相鄰地形控制點(diǎn)做了平均化或直接排除，從而使里程文件中生成的原狀斷面圖與實(shí)測(cè)不一致，導(dǎo)致數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差，最終土方計(jì)量結(jié)果存在一定誤差。

2.4 現(xiàn)場(chǎng)記錄和繪圖

此類方法屬于使用時(shí)間較長(zhǎng)的一種計(jì)量方法，主要是利用測(cè)量工具，如卷尺、經(jīng)緯儀等簡(jiǎn)單工具進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)量所得數(shù)據(jù)記錄在記錄簿上，通過坐標(biāo)紙進(jìn)行斷面圖的描繪，結(jié)合計(jì)算工具與所繪制的斷面圖計(jì)算土方。此種方式需要足夠的工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)數(shù)據(jù)測(cè)量把控到位，且繪制圖形準(zhǔn)確規(guī)則[6]。其主要運(yùn)用方法為，相關(guān)人員在工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的記錄，繪制現(xiàn)狀斷面圖，同時(shí)將工程設(shè)計(jì)斷面線也繪制出，兩相比較，可大概判斷回填和挖開區(qū)域，再劃分合適分段長(zhǎng)度，以便計(jì)算梯形面積，使用計(jì)算工具對(duì)梯形面積進(jìn)行求和，便可計(jì)算出回填和開挖區(qū)域面積。

這種方法其優(yōu)點(diǎn)是工程師具有足夠操作空間，且符合實(shí)際地形，精準(zhǔn)度較高。但同時(shí)，這種方法又較為原始，每一個(gè)步驟都需要人工完成，較為耗時(shí)耗力，而且計(jì)算量多，效率不高，若存在設(shè)計(jì)變更等情況，則需要從頭測(cè)量計(jì)算[7]。

3 關(guān)于水利工程土方斷面計(jì)量方法改進(jìn)措施

結(jié)合上述幾種土方斷面計(jì)量方法，可以分析出各種方法之間的優(yōu)劣，DTM生成斷面法和已知插值點(diǎn)生成斷面雖然效率高，但DTM生成斷面法在涉及設(shè)計(jì)變更情況時(shí)需要重新進(jìn)行計(jì)算和圖紙修改，而且操作要求較高，當(dāng)然已知插值點(diǎn)生成斷面和手動(dòng)記錄繪圖也有設(shè)計(jì)變更復(fù)雜問題，已知插值點(diǎn)生成斷面其數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度也有偏差，現(xiàn)場(chǎng)記錄繪圖數(shù)據(jù)準(zhǔn)確但所需計(jì)算量較大，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，南方CASS斷面法雖計(jì)算快捷，設(shè)計(jì)變更簡(jiǎn)單，但精準(zhǔn)度存在問題，總之各種方法各有優(yōu)劣勢(shì)，這也是目前水利工程土方斷面計(jì)量中存在的實(shí)際問題[8]。

但從DTM生成斷面法和南方CASS斷面法中分析其優(yōu)劣勢(shì)，并不是不能找到解決辦法，DTM 生成斷面法存在數(shù)據(jù)準(zhǔn)確和適用度高的優(yōu)點(diǎn)，而南方CASS 斷面法具有計(jì)算快捷方便的優(yōu)點(diǎn)，兩者優(yōu)劣勢(shì)正好可以形成互補(bǔ)，可以達(dá)到準(zhǔn)確快捷的土方計(jì)量目的[9]。在南方CASS斷面法中，無論是設(shè)計(jì)斷面線還是計(jì)算表，都是從里程文件中自動(dòng)生成，并不需要人為操控插值點(diǎn)和數(shù)據(jù)，但其所生成的斷面與實(shí)際地形的多變相差較大，從而導(dǎo)致所得數(shù)據(jù)并不準(zhǔn)確，所以，其解決方法非常明顯，將原狀斷面線和設(shè)計(jì)斷面線運(yùn)用修正技術(shù)，從而矯正數(shù)據(jù)誤差，得到較為精準(zhǔn)的計(jì)算結(jié)果。在實(shí)際操作中，需要將原狀斷面線和設(shè)計(jì)斷面線進(jìn)行替換，以達(dá)到自動(dòng)修正的目的[10]。其中需要注意的是，兩根斷面線應(yīng)具備統(tǒng)一高程和設(shè)計(jì)中線為共同參考線和高程，同時(shí)，在倒角過程中需按規(guī)范進(jìn)行，否則將會(huì)導(dǎo)致軟件無法自動(dòng)計(jì)算，在設(shè)計(jì)線的替換時(shí)，設(shè)計(jì)線應(yīng)與中軸線存在交點(diǎn)，避免設(shè)計(jì)線直接穿過中軸線，從而引起軟件自動(dòng)計(jì)算功能故障。當(dāng)然，如果設(shè)計(jì)線與中軸線為出現(xiàn)交點(diǎn)，也有相應(yīng)解決辦法，如利用編輯多段線就可。

4結(jié)語

綜上所述，水利工程項(xiàng)目中，土方斷面計(jì)量方法多種多樣，有DTM生成斷面法、南方CASS斷面法、現(xiàn)場(chǎng)記錄和繪圖、已插值點(diǎn)生成斷面法，這幾種方法根據(jù)可根據(jù)實(shí)際工程需求進(jìn)行選擇或結(jié)合，但單一的計(jì)算方法都存在其明顯的優(yōu)劣勢(shì)，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中可能出現(xiàn)計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確、計(jì)算效率低、費(fèi)時(shí)費(fèi)力等情況，所以，需要對(duì)目前土方計(jì)量方法給予改進(jìn)，提升計(jì)算精準(zhǔn)度和土方計(jì)量工作效率，以便水利工程項(xiàng)目施工效率和施工質(zhì)量的提升。在本文中，對(duì)幾種土方斷面計(jì)量方法進(jìn)行了優(yōu)劣勢(shì)的分析和功能上的闡述，并結(jié)合其中的優(yōu)劣點(diǎn)給出相應(yīng)解決辦法。而隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，相信在未來，水利工程土方計(jì)量方法能夠得到長(zhǎng)足發(fā)展，我國(guó)水利工程相關(guān)人員能夠用夠擁有更加便捷高效的技術(shù)手段。