淺談淤地壩土方量計算

淺談淤地壩土方量計算淤地壩土方量計算是黃土高原地區(qū)淤地壩建設的關鍵工作步驟之一，土方量計算的大小直接關系到項目的投資，是項目重要的參數(shù)之一。由于淤地壩在黃土高原地區(qū)開展以來，不僅廣泛受到當?shù)厝罕姷那嗖A，而且通過淤地壩攔泥效益的發(fā)揮，為黃河流域減沙起到了重要的作用。但目前多數(shù)設計單位在壩系可研階段常采用的是的“橫斷面法”手工計算進行淤地壩土方量計算，清基以及削坡所涉及岸坡邊界的確定是比較困難的，同時在計算壩體碾壓土方時也相對對比較繁瑣、容易出錯，效率也不高，有沒有更好的辦法來解決目前淤地壩土方量計算中存在的問題？1淤地壩土方量計算新方法的尋求淤地壩土方量計算主要計算壩體的清基土方、削坡土（石）方，結合槽開挖土（石）方以及壩體碾壓土方。目前壩體土方工程量計算主要有三種方法，即“地形圖法”、“橫斷面法”和“經(jīng)驗估算法”?！暗匦螆D法”（適合規(guī)劃、可研階段、初步設計）計算工作量較大而且計算速度較慢，而“經(jīng)驗估算法”計算結果又比較粗（適合規(guī)劃階段缺乏資料地區(qū)），因此目前淤地壩土方量計算主要采用“橫斷面法”手工計算即“橫斷面法”（適合規(guī)劃、可研階段）?！皺M斷面法”計算比地形圖法計算更為容易，但正如上文所提及的清基、削坡邊界問題，加之計算過程仍比較繁瑣，工作量大，準確度相對不高，計算效率低。通過工作實際淤地壩土方量計算中所存在的突出問題分析，在假定橫斷面均勻（即“橫斷面法”計算假定）的前提下，筆者避開分層的困擾，采用“三維計算法”（是在“橫斷面法”假定的基礎上，對淤地壩土方量計算所采取的一種三維壩體土方量分析計算方法），這樣不僅解決了清基、削坡所涉及的邊界問題，同時把淤地壩壩體土方量計算加以準確化，加之將該法計算過程編成程序，解決了手工計算效率不高的問題。2“三維計算法”的計算原理“三維計算法”的計算原理是將淤地壩按照其壩體參數(shù)虛擬的布置在溝道中，所形成的三維立體在壩軸線方向是無限長的，按照不同溝道斷面（原始溝道斷面、清基斷面、削坡斷面）各自溝底最低點與該點垂直于壩軸線所在平面的直線為運動軌跡（如圖1對三維立體進行切割，即可切割成圖2一樣的不同斷面的三維幾何體（俯視圖）。通過對不同斷面所切割形成的三維幾何體體積的計算（如圖2、圖3、圖4），利用不同溝道三維幾何體體積之間的關系確定清基土方、削坡土石方、壩體碾壓土方，通過計算結合槽的長度確定結合槽的開挖土石方量。同時根據(jù)削坡后的斷面可以確定壩體的壩軸線長度、馬道長度、溝底寬度等壩體參數(shù)?！叭S計算法”原理也比較簡單，主要用到的公式是臺體體積、三棱體體積等。計算的關鍵是要確定清基斷面、削坡石方斷面、削坡全斷面的曲線坐標以及對如何計算三維幾何體體積。通過引入清基厚度以及削坡坡比，根據(jù)原始斷面坐標數(shù)據(jù)以及曲線生成原理利用計算機自動計算清基斷面、削坡斷面坐標，同時根據(jù)“三維計算法”的計算原理，通過程序化設計，實現(xiàn)批量淤地壩土方量的自動計算，不僅大大提高了準確度，解決了清基、削坡所存在的邊界問題，而且大幅度提高了工作效率。3“三維計算法”的特點1）準確性“三維計算法”通過程序化設計，把“橫斷面法”不能解決的清基、削坡邊界問題徹底的解決，同時通過計算方法的不同回避了分層所帶來的精度問題，而且通過“三維計算法”對壩體碾壓土方量計算顯得尤為容易，再加上對每個步驟計算原理以及計算程序編寫的進行過反復校核，同時避免了在對橫斷面進行連續(xù)削坡手工“橫斷面法”計算可能被忽略橫斷面某斷削坡的可能，使得復雜問題簡單化，從而使得計算結果的準確性得到了保障。2）高效性首先來看“橫斷面法”在對60座淤地壩以及2000座淤地壩進行工程量計算時所需時間。大多數(shù)計算者都采用2m曾高進行計算，如果要計算更為準確，層高取0.1m完全可以滿足精度要求，但層高取0.1m的工作量是巨大的。根據(jù)以往計算經(jīng)驗，層高取2m、1m、0.5m、0.1m時平均單壩計算所需時間為20、25、30、40分鐘。以60座淤地壩進行土方量計算為例，計算所需時間如表1。由上表可以看出，層高取2m時計算60座淤地壩耗時2天，層高取1.0m時耗時3天，層高取0.5m時耗時3天，層高取0.1m時耗時5層高取值越小，計算的結果更難以得到保障。假如2000座淤地壩工程量由“橫斷面法”手工計算，所需時間分析見表2。由上表可以看出，2000座淤地壩在層高取0.1m的情況下需166天才能完成計算，差不多半年時間，可見工程量之大。而“三維計算法”根據(jù)輸入的壩體參數(shù)數(shù)據(jù)以及橫斷面坐標數(shù)據(jù)，程序便可很快自動計算出壩體所需土方量。舉個例子，在對60座淤地壩進行土方量計算中，僅需20秒鐘即可完成。如果要對2000座淤地壩要進行計算，大概需要5分鐘即可全部把淤地壩工程量計算出來（壩的座數(shù)和計算時間是不成正比的）。通過兩種算法的計算時間不難看出，60座淤地壩“三維計算法”的效率是“橫斷面法”（層高取0.1m）的7000倍以上，2000座淤地壩“三維計算法”的效率是“橫斷面法”（層高取0.1m）的16000倍以上。因此，三維分析計算效率極高。3）可操作性該程序操作起來方便快捷，同時可根據(jù)土方量的不同參數(shù)（比如清基厚度、削坡坡比、馬道寬度、結合槽設置個數(shù)以及結合槽尺寸等）的設置，做到適合不同地方淤地壩土方量的計算。操作著只需按規(guī)定的壩體參數(shù)格式（如表3）以及壩體橫斷面坐標數(shù)據(jù)格式（如表4）的填寫便可讀取到軟件中進行計算，對于單個淤地壩工程以及多個淤地壩工程的計算均可以實現(xiàn)。4）自動繪制橫斷面圖并輸出到CAD根據(jù)每座單壩的計算，自動將淤地壩橫斷面按照A4紙張的布局對單壩橫斷面、清基線以及削坡線進行縮放，并輸出到CAD中，自動完成高程的標注以及水平距的標注，這樣不僅避免了認為縮放斷面所容易出現(xiàn)計算比例錯誤的可能，而且將繪圖進行程序化，從而保證了圖形繪制的正確，并且還大幅度提高了橫斷面繪圖的效率。計算機自動繪圖前后如圖5、圖5（繪制前）圖6（繪制后）4“橫斷面法”與“三維計算法”之間計算結果比較由于“三維計算法”嚴格按照“橫斷面法”計算假定進行程序編寫，因此計算結果是準確無誤的?，F(xiàn)對23座淤地壩分別采用“三維計算法”及層高取2m的“橫斷面法”計算結果進行計算，差值比較見下表。通過上表不難看出，當層高取2m時的“橫斷面法”和“三維計算法”的計算結果差值是比較大的，削坡土方最大差值接近2.8萬m3，假定削坡土方按4元/m3進行投資計算，則需11.2萬元投資。壩體碾壓土方最大差值接近7000m3，假定壩體碾壓土方按8元/m3進行投資計算，則需5.6萬元投資。因此不難看出，“軟件算法”是校核土方量的重要手段，通過軟件的準確計算，使得計算出的工程量更加符合實際工程量。s結論“三維計算法”比起以往的“橫斷面法”手工算法在計算效率和準確程度上有很大的提高，同時“三維計算法”還具有較強的可操作性以及壩體橫斷面圖自動繪制功能。通過采用“三維計算法”進行土方量計算，不僅節(jié)約了人力物力，而且還大大提高我們的工作效率。“三維計算