南方CASS中土石方計算方法對比及其在實際工程中的運用

南方CASS中土石方計算方法對比及其在實際工程中的運用目錄1原理2計算步驟3不同計算方法在不同環(huán)境中計算結(jié)果比較目錄4計算方法的特點及適應環(huán)境5各計算方法在龍頭山水電站項目中的運用

計算原理DTM是利用地面上離散的高程點通過一定的方法連接成空間三角網(wǎng)結(jié)構(gòu)的地面模型。建立三角網(wǎng)DTM的原始數(shù)據(jù)為實地測定的地面點坐標(X，Y，Z)，然后聯(lián)成三角網(wǎng)計算每一個三棱錐的體積，從而得到指定范圍內(nèi)填方和挖方的土方量。

1原理—DTM法

單個三棱柱計算公式：

方格網(wǎng)法是將現(xiàn)場分成若干正方形方格，確定每個方格頂點的高程，和設計高程比較，得知每個方格頂點的填、挖的高度，取方格頂點填或挖高度的加權(quán)平均值和方格面積可以計算土方量。

1原理—方格網(wǎng)法

挖填方的計算公式：（2）當Hi-H為負時為填方量：（1）當Hi-H為正時為挖方量：

將場地按一定的距離間隔劃分為若干個相互平行的橫斷面并測量各個斷面的地面線，將設計的標準斷面與原地面斷面組成的斷面圖，計算每條斷面線所圍成的面積；以相鄰兩斷面的填挖面積的平均值乘以間距，得出每相鄰兩斷面間的體積；將各相鄰斷面的體積加起來，求出總體積，這種計算土方量的方法稱為斷面法。

1原理—斷面法

斷面法土方計算表達式

等高線法是指用等高線表示地形進行土方計算的方法。計算土方量時可以把地形圖按等高線劃分成幾個部分，然后將等高線所夾的體積近似的看做錐體，由兩條等高線所圍面積可求。兩條等高線之間的高差已知，可求出這兩條等高線之間的土方量，最后計算出填、挖方量。

1原理—等高線法

：

第i分層的體積Vi為：

當山頂面積為0時計算公式為：不同土方計算步驟用復合線圈出所要計算土方的區(qū)域用鼠標點取“工程應用→DTM法土方計算→根據(jù)坐標文件”。選擇邊界線，用鼠標點取所畫的閉合復合線，即可彈出土方計算參數(shù)設置對話框,輸入?yún)?shù)點擊確定進行計算。注：邊界采樣距離設置的不同也會較大程度的影響計算結(jié)果，實際應用中，邊界采樣距離的設定應該接近高程點間的平均間隔更為合適。計算步驟—DTM法

計算步驟—方格網(wǎng)法注：方格網(wǎng)的寬度的選擇是與野外采集點的分布情況有關(guān)的，在選擇方格網(wǎng)寬度的時候，應盡量接近野外采集的平均寬度，這樣的計算結(jié)果才更接近。用復合線畫出所要計算土方的區(qū)域“工程應用”菜單下的“方格網(wǎng)法土方計算”屏幕上將彈出選擇高程坐標文件的對話框，在對話框中選擇所需坐標文件輸入設計的高程及方格網(wǎng)的邊長，點擊確定即可得到計算結(jié)果計算步驟—斷面法傳統(tǒng)計算方法：布置好的剖面線上利用CASS6.1成圖軟件中的工程應用命令→繪斷面圖→根據(jù)已知坐標、根據(jù)里程文件、根據(jù)等高線、根據(jù)三角網(wǎng)、繪設計線、計算斷面面積、查詢斷面點→選擇(1)根據(jù)等高線(2)根據(jù)三角網(wǎng)（一般我們根據(jù)實際情況選擇,地形變化大的用等高線剖斷面,地形變化小的用三角網(wǎng)剖斷面），然后選擇剖面線，在繪制縱斷面圖的命令框內(nèi)把斷面圖的縱橫比設為1:1000。復合線法：在做好的地形圖上布置好設計斷面線，然后將一個一個單獨的斷面線首尾連接，連接成一條復合線。連成后用CASS6.1成圖軟件中的工程應用命令→繪斷面圖→根據(jù)已知坐標、根據(jù)里程文件、根據(jù)等高線、根據(jù)三角網(wǎng)、繪設計線、計算斷面面積、查詢斷面點→選擇(1)根據(jù)等高線(2)根據(jù)三角網(wǎng)，然后選擇剖面線，在繪制縱斷面圖的命令框內(nèi)把斷面圖的縱橫比設為1:1000，距離標注選擇數(shù)字標注。一次操作即可剖取這條復合線上所有的斷面，接下來就是很重要的一點，即確定斷面圖中的有效斷面。計算步驟—斷面法里程文件法：確定一條縱斷面線,利用CASS6.1軟件中的菜單→工程應用→生成里程文件→由縱斷面線生成→新建→選擇縱斷面→填寫斷面間距及斷面左右兩邊長度→確定，這時圖上出現(xiàn)了所設定的斷面線，然后根據(jù)地形變化情況及設計結(jié)構(gòu)線變化對斷面線進行調(diào)整（增加或減少）。（1）縱斷面線生成里程文件法：利用CASS6.1軟件中的菜單→工程應用→生成里程文件→由縱斷面線生成→選擇縱斷面→選擇高程點數(shù)據(jù)文件名，生成的里程文件名，里程文件對應的數(shù)據(jù)文件名斷面線差值間距和起始里程，生成里程文件。

（2）由三角網(wǎng)或等高線生成里程文件：利用CASS6.1軟件中的菜單→工程應用→生成里程文件→由三角網(wǎng)生成（由等高線生成）【一般我們根據(jù)實際情況選擇，地形變化大的用等高線生成,地形變化小的用三角網(wǎng)生成】→選擇斷面線→選擇要輸入的里程文件名→輸入斷面起始里程→生成里程文件。根據(jù)這種方法逐個對所有的斷面線生成里程文件，文件名以斷面線樁號命名（容易區(qū)分，避免重復生成或缺失里程文件），然后將所有的里程文件整合一個里程文件。

利用CASS6.1成圖軟件中的工程應用命令→繪斷面圖→根據(jù)已知坐標、根據(jù)里程文件、根據(jù)等高線、根據(jù)三角網(wǎng)、繪設計線、計算斷面面積、查詢斷面點→選擇所保存的里程文件→在繪制縱斷面圖的命令框內(nèi)把斷面圖的縱橫比設為1:1000,設定斷面圖行、列間距，然后在圖中空白位置確定斷面圖位置，剖取出所有設定好的斷面。計算步驟—斷面法

將剖好的斷面進行相應的整理，然后根據(jù)相應的設計斷面尋找相應的設計線的插入點,將設計線復制到斷面線上后進行處理并利用軟件中的“邊界”命令，查詢出每個斷面的面積。然后將查詢出的斷面面采用平均斷面法計算工程量。比較：

傳統(tǒng)斷面法需要對所有斷面進行剖取，針對斷面線多而密的地形，在反復移動界面過程中容易產(chǎn)生視覺誤差，生成錯誤斷面線，導致工程量計算錯誤后難以檢查，這種方法適合于斷面線比較少的工程量計算。

復合線法雖然可以一次性生成所有所需要的斷面線，但在后期算量過程中處理比較麻煩，并且容易出現(xiàn)劃分上的錯誤。

縱斷面線生成里程文件這種方法在多次操作過程中發(fā)現(xiàn)利用縱斷面直接生成的斷面與斷面法和復合線法生成的斷面線都不一致，說明第一種里程文件生成的斷面線不符合現(xiàn)實地形

由三角網(wǎng)（或等高線）生成里程文件這種方法生成的斷面線與傳統(tǒng)斷面法和復合線法生成的斷面線吻合，說明由三角網(wǎng)（或等高線）生成里程文件的方法可以在斷面法計算工程量中運用。

由三角網(wǎng)（等高線）生成里程文件繪制斷面線的方法適合于繪制的斷面線比較多，斷面線間距比較小，同時在地質(zhì)情況復雜需要對地質(zhì)進行多層劃分時，利用由三角網(wǎng)（或等高線）生成里程文件的方法將大大減少計算誤差，同時可以在多期中間計量中得到運用。點取“工程應用”下的“等高線法土方計算”。根據(jù)屏幕提示，選擇所有計算區(qū)域內(nèi)所有等高線，也可按住鼠標左鍵拖框選取?；剀嚭笃聊惶崾?，輸入最高點高程或直接回車不考慮最高點，回車后屏幕提示，請指定表格左上角位置或直接回車不繪制表格在圖上空白區(qū)域點擊鼠標右鍵，系統(tǒng)將在該點繪出計算成果表格計算步驟—等高線法注：只有封閉的等高線才有效不同方法在同種環(huán)境下計算精度比較不同方法計算結(jié)果比較—平緩地區(qū)

所以表中DTM法與方格網(wǎng)的土方計算結(jié)果很接近。而斷面法的計算結(jié)果與平均值之比最小，其波動也比較大，因為斷面法的計算模型決定了其所適用的計算類型應該為帶狀土方量的計算。等高線法在平緩地區(qū)由于高差小，在繪制等高線時只有少量幾條等高線，計算時等高線密度不夠，不能獲得足夠有效的等高線進行土方的計算，模型不能真實的反應實際地形，所以，等高線法在平緩地區(qū)的土方計算誤差相對DTM法、方格網(wǎng)法、斷面法較大。等高線法主要適用于地形單一、且高差較大的面狀土方計算。

對于平緩地區(qū)的土方計算，相對于其他計算方法，DTM法和方格網(wǎng)法的計算結(jié)果接近，主要原因是方格網(wǎng)在平緩地區(qū)的土方計算有很強的適應性，其計算模型能正確反應實地地形，DTM在高程點密度合適的情況下也能正確反應地表的實際地形情況。不同方法計算結(jié)果比較—山地地區(qū)

對于山地地形，具有高差起伏大、地勢陡峭的特點。方格網(wǎng)法、DTM法、等高線法的差值百分比之和接近說明三種方法計算山地土方時結(jié)果更為穩(wěn)定。

方格網(wǎng)法由于提供的高程數(shù)據(jù)完整、高程點密度足夠所以其計算模型也能準卻的反應實際地形，DTM法的模型在數(shù)據(jù)完整的情況比方格網(wǎng)的計算模型更為準確，而由于高差起伏法，地勢陡峭等高線法在計算時有足夠的等高線進行計算所以三種方法的計算結(jié)果與真實值比較更合理。但是由于等高線法繪制時是通過插入更多高程值獲得的，沒有DTM的計算模型精確。所以其誤差較DTM大。斷面法計算其山地面狀區(qū)域時，由于地形復雜、兩個橫斷面之間的高差起伏較大，兩個斷面之間地形無法準確表達所以其計算結(jié)果不穩(wěn)定。斷面法在復雜地區(qū)的面狀土方計算并不適用。其主要適用于帶狀、寬度不是很大的土方計算。不同方法計算結(jié)果比較—復雜地區(qū)DTM法的計算模型最為準確，方格網(wǎng)法次之。等高線法在表達高程差比較大的地形狀況時比較準確但是在地形平坦的地區(qū)無法建立有效的計算模型，而斷面法在橫斷面的方向跨度較大，若橫向地形變化較大則兩個斷面之間的土方體積與兩個斷面之間形成的梯形柱體體積相差較大。所以斷面法、等高線法對復雜地區(qū)的土方計算顯然并不適用。從計算模型可以得出，DTM法相較與其他方法在計算復雜地區(qū)的土方時其計算結(jié)果更為準確。4不同土方計算特點及適應環(huán)境比較—DTM法

DTM法是靠建立三角網(wǎng)來生成其計算模型，用生成的三角網(wǎng)來計算每個三棱柱的填挖方量，最后累積得到指定范圍內(nèi)填方和挖方分界線。而三角網(wǎng)的實質(zhì)就是用許多相互連接在一起的三角網(wǎng)來構(gòu)建地面的起伏模型，模擬地表的地形起伏情況。必須要有大量分布均勻的散點高程數(shù)據(jù)才能用三角網(wǎng)法來進行方量計算。因此，必須進行大量的野外數(shù)據(jù)采集或?qū)?shù)字等高線進行離散。從計算模型上講，DTM法是計算精度較高的方法。DTM法的高程點采集越密，其計算模型就更接近實地，計算土方量精度越高。優(yōu)點是三角網(wǎng)能很好地適應復雜、不規(guī)則地形，從而更好地表達真實的地面特征。缺點是要注意的其計算過程中數(shù)據(jù)量大，會占用大量存儲空間，計算過程等待時間長。4不同土方計算特點及適應環(huán)境比較—方格網(wǎng)法

方格網(wǎng)法簡便直觀，易于操作，計算精度與地形及采集點密度有關(guān)。方格網(wǎng)法多適用于大面積的土石方估算以及一些地形起伏較小、坡度變化平緩的場地，由于方格網(wǎng)法將其方格均視為獨立的規(guī)則平面，這與計算場地的實際地形會有差別的，有其局限性導致土方量的計算精度不高。方格網(wǎng)法的精度取決于數(shù)據(jù)采集的密度大小，同時和方格網(wǎng)的大小有關(guān)，方格網(wǎng)越小，精度越高。但是有的時候隨著方格網(wǎng)邊長減小其計算結(jié)果也并非越精確。其邊長的選取應與高程點的平均間距大致相同。

方格網(wǎng)法的優(yōu)點該方法的計算過程比較簡單，且在其計算結(jié)果非常直觀地把每個方榕網(wǎng)的挖填方量顯示出來，一目了然，對土石方平衡計算也很有優(yōu)勢速度較快。但是由于該方法建立的計算模型無法有效的適應復雜地況條件下的模型。所以在平緩地區(qū)的計算結(jié)果較為準確，但是在起伏較大的山區(qū)，該方法的缺點就暴露無遺，計算誤差也隨之增大。4不同土方計算特點及適應環(huán)境比較—斷面法

土方計算適用于地形復雜起伏變化較大，或地勢狹長、挖填深度較大且不規(guī)則的地段。主要用在公路土方計算和區(qū)域土方計算，特別復雜的地方可以用任意斷面設計方法。主要有道路斷面、場地斷面和任意斷面三種計算土方量方法，計算操作比較復雜，存在著計算精度和計算速度的矛盾。

斷面法一般用于復雜起伏變化較大的地形、地形狹長、挖填深度較大且不規(guī)則的地段進行土方量計算。例如公路土方計算和區(qū)域土方計算，對于特別復雜的地方可以用任意斷面設計方法。使用斷面法計算土方量，必須對參數(shù)的設置比較清楚。其優(yōu)點是對軟硬件要求不高，對于帶狀地形條件下土方計算有很強的適應性，缺點是這種方法不適合于計算地形復雜多變的面狀地塊。

4不同土方計算特點及適應環(huán)境比較—等高線法

等高線法適用于缺少采集的數(shù)據(jù)或經(jīng)掃描矢量化后得到的數(shù)據(jù)計算，一般是對精度要求不高，對工程量進行概算時使用。當?shù)孛嫫鸱^大、坡度變化較多時，也可采用等高線法估算土石方量，在地形圖精度較高時更為合適。等高線法與方格法一樣，也都需要通過內(nèi)插計算點的高程。此法可計算任意兩條等高線之間的土方量，但所選等高線必須閉合。由于兩條等高線所圍面積可求，高差已知，可求出這兩條等高線之間的土方量。等高線法必須通過計算機輔助完成計算，一般適用于含有等高線的圖紙，用戶可以將圖掃描矢量化后得到電子圖形。

其優(yōu)點是不需要具體高程數(shù)據(jù)就能完成土方量的計算。由于等高線法計算土方量的精度主要是由矢量化后可以得到圖形的精度決定，一般此方法求得的精度較差，僅做工程概算時使用。而且等高線法在實際工程一般很少會用到，其存儲數(shù)