浙東山地區(qū)域場地平整標高優(yōu)化方法研究

楊艷婷，舒 愷，姚 艷，周東杰，劉 洋

寧波市電力設計院有限公司，浙江 寧波 315200

1 場地平整標高概述

1.1 場地平整標高的基本概念

平整標高是平整場地的基礎，貫穿于場地土方工程優(yōu)化的整個過程，也是場地垂直布局至關重要的環(huán)節(jié)。依據(jù)工程場地的自然地形條件及場地建設要求確定的場地平整后的高度，才能確定構筑物的每個控制點的設計高度和各種運輸路線的交界處的主要設計高程。場地平整標高的確定與土石方工程量的計算過程存在著極大的關系，土石方量的計算過程是整個山地區(qū)域土石方工程的重要經濟指標。合理確定場地平整標高，對優(yōu)化土石方工程量、節(jié)約企業(yè)用地、節(jié)省土建投資、加快工程建設進度具有重要影響。在場地平整工程設計中，常使用最小二乘法來計算過程場地平整標高，土石方工程量計算過程方法最常用的是方格網法，其計算過程前提是土石方工程量的土石方填挖平衡，而最小二乘法的使用可以使得在對場地平整標高的主要影響因素存在特定限定的條件的要求下，在土石方工程量達到最小的情況下，符合場地平整標高計算過程結果，并在符合場地排水坡度要求的同時避免大規(guī)模填挖，使填挖方量最小。通常，在滿足場地平整要求的前提下，基于總體規(guī)劃設計和豎向布置，考慮場地表面土層平整、回填土和土壤松散系數(shù)，初步確定場地平整標高度以進行填充和挖方，場地開挖達到基本平衡后繪制初始找平圖，然后根據(jù)每個基坑的土石方量計算填充填土的高度，在現(xiàn)場的初始平整標高的基礎上調整水平，并確定每個構筑物的設計標高?；油潦搅恐饕ńㄖ铩嬛锖驮O備基礎、地下結構、道路、排水管線溝槽等的土石方量。每個基坑中的土石方量的數(shù)量與建筑項目中使用的生產設備、氣候條件、建筑工地所在區(qū)域的位置以及工地的地質條件有關。

1.2 場地平整標高的主要影響因素

（1）場地的設計排水坡度應大于3‰，確定道路標高時，應將雨水從建筑物和構筑物側面的闊溝渠排到道路上，應特別注意大坡度區(qū)域的防洪排澇設計。

（2）減少用于建筑和結構基礎以及用于基坑的土石方工程量，使填方和開挖的土石方工程量基本平衡，利用地形并注意避免在地形變化較大的山區(qū)進行大規(guī)模填挖。

（3）建筑和設備基礎和管溝的設計標高至少應高于地下洪水位。場地地下水位較高時勿開挖，以免地下水位相對增加，基礎設施投資增加，破壞施工條件。當?shù)厮缓艿蜁r，可以在小范圍內適當開挖，以增加場地的地基承載力，減小地基的埋深和斷面尺寸。

（4）合理使用基坑中剩余的土壤可以減少地基的埋深。對于填土區(qū)，由于開挖后土壤的孔隙度大于原始土石的孔隙度，應充分考慮土壤的疏松性。

（5）場地平整標高必須保證與場地外道路的合理連接，使場內外道路連接平順，以利于場區(qū)內外的運輸。

1.3 場地平整標高的重要性

場地的自然地形通常是多種多樣的，其總體布局難以滿足各種建筑物和構筑物、運輸線路和場地雨水排水的設計標高要求，因此必須根據(jù)總體規(guī)劃設計的技術來修改場地的自然地形。豎向放置場時需確定場地的標高，這是在山地區(qū)域進行土方工程的先決條件。只有確定場地平整標高，才能有效地進行山地區(qū)域的土石方計算以及確定其他建筑物、構筑物和道路的標高。場地的基礎平整是在合理場地平整標高的基礎上進行的，以使場地平整適應建筑物和構筑物的垂直布置要求，滿足技術工藝和運輸技術條件，并迅速排干場地的雨水。若設計不科學、不合理，將會使獲得的土石方量的準確性降低，導致填土和挖掘量增加，并造成填土和挖掘的不平衡，將影響施工進度并增加基礎設施的投資量。因此，確定場地平整標高是山地區(qū)域土石方工程的關鍵。這直接關系到投資的經濟性以及土地是否充足和合理地利用，是否使用以及是否滿足各種建筑物和結構的功能和技術條件。

2 常用的場地平整標高計算方法

2.1 方格網法

方格網法的原理是在設計現(xiàn)場建立用于場地平整和高程計算過程的坐標系；沿著坐標系的基軸，坐標軸應垂直于或平行于站點上大多數(shù)建筑物和結構的軸，并應選擇基點的布局。根據(jù)不同的精度要求確定網格邊長的值；在網格的每個角上標記自然標高，再根據(jù)改進的最小二乘法確定場地的水平標高，進一步確定施工高度，計算出在該過程中填充和挖掘的土石方量。

2.2 斷面法

斷面法的原理是確定找平區(qū)域，并根據(jù)自然標高布置剖面線；在每個斷面部分上繪制假定的場地平整標高，它應在剖面分布區(qū)域內并且低于原始自然地面的最低點，這樣方便計算過程中水準控制點的每個點的高度；計算過程中每個部分的填方和開挖面積，然后計算出填方和開挖工作量。

2.3 最小二乘法

最小二乘法是一種工程上常用的優(yōu)化算法，通過對數(shù)據(jù)點的誤差求最小平方進而計算出該組數(shù)據(jù)的最佳擬合函數(shù)，可在保持場地土石方填挖平衡的同時使土石方工程量減到最小，但實際獲得的場地平整標高應考慮是否符合最低洪水位、場地排水坡度及避免大規(guī)模填挖的要求。

3 場地平整標高優(yōu)化方法

在山地區(qū)域土木工程中，確定場地平整標高度不僅會影響土石方工程量和工程投資的計算過程，而且會影響技術過程以及公路和鐵路運輸，因而引起了設計人員越來越多的關注。

場地設計標高應力求土石方最小，并使填挖量達到或接近平衡。為了滿足場地的排水要求，通常會使場地具有一定坡度，便于水的排放。在滿足總設計要求后，還需保證交通運輸便利，且場地標高的確定還應與建設項目的道路、排水設施等連接點的標高互相適應。若原地形較為平緩，在對場地設計標高沒有特殊要求的情況下，一般按照挖填土方量相等原則確定場地設計標高。按傳統(tǒng)方法求出的設計平面只能達到填挖量平衡的要求，但卻難以使土石方量降到最少，從而增加工程造價。應用最小二乘法的原理求最佳設計平面標高，不僅可滿足土方挖填平衡要求，還可使土石方的總工程量最少，從而優(yōu)化最小二乘法確定的場地平整標高，使其滿足土石方開挖平衡和最小土石方工程量的要求。因此，文章基于改進的最小二乘方法對場地平整標高進行優(yōu)化，使場地平整標高滿足預期的約束條件，使其能夠很好地應用于工程實踐中。

3.1 改進最小二乘法優(yōu)化場地平整標高模型

最小二乘法可優(yōu)化場地的平整高度。在優(yōu)化過程中，應符合土石方平衡開挖原理和土石方最小開挖量原則。但是，大規(guī)模的山區(qū)容易進行大規(guī)模的填埋和挖掘。為避免此種情況，基于最小二乘法對場地平整標高進行優(yōu)化，以改善其約束條件。為了獲得最佳的場地找平高度，有必要使場地范圍內所存在的場地平整標高或微體積的土石方工程量達到最小，即其平方和達到最?。?/p>

目標函數(shù)：

山區(qū)地形起伏較大，因此有很多開挖和深層填土。傳統(tǒng)最小二乘法獲得的場地平整高程約束條件沒有考慮避免大規(guī)模填土和開挖，文章基于約束條件得到了改善。

改進后約束條件：

式中：m、n、p、q為平整場地內方向上允許坡度限值；Z高為平整場地范圍內允許標高最低限值；Z低為平整場地范圍內允許標高最高限值。

3.2 改進最小二乘法優(yōu)化場地平整標高算例

在一個面積為40m×40m的場地上，各點的間距為10m，橫向坡度取值為0.5%～3%，縱向坡度取值為0.5%～2%，使確定的場地平整標高盡量符合山地區(qū)域土石方工程基本要求，并符合填挖方量基本平衡、土石方工程量最少及避免大規(guī)模填挖的要求。應用上述改進最小二乘法進行優(yōu)化處理。

計算結果顯示，對于施工高度調整系數(shù)的取值，在不同的地形條件下，依據(jù)改進最小二乘法的目標函數(shù)及約束條件，應進行分析計算。與應用傳統(tǒng)方法獲得的結果進行對比，應用改進算法不僅可以滿足山地區(qū)域土石方工程的基本要求，且能實現(xiàn)填挖土石方工程量基本平衡，同時避免場地土石方的大規(guī)模填挖。

4 結論

對于土木工程施工來說，土地平整是一項尤為重要的工作，是工程動工的第一步，也是關鍵的一步，關系著工程項目的投資金額和施工方案，其完成質量直接影響后續(xù)施工能否正常進行。因此，必須做好場地平整施工與管理工作，使工程項目與場地融合成有機的整體，從而提高土地利用效率和工程質量。