淺談淤地壩土方量計(jì)算

淺談淤地壩土方量計(jì)算淤地壩土方量計(jì)算是黃土高原地區(qū)淤地壩建設(shè)的關(guān)鍵工作步驟之一，土方量計(jì)算的大小直接關(guān)系到項(xiàng)目的投資，是項(xiàng)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(dāng)?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(shè)計(jì)單位在壩系可研階段常采用的是的“橫斷面法”手工計(jì)算進(jìn)行淤地壩土方量計(jì)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(jì)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(jì)算中存在的問題？1淤地壩土方量計(jì)算新方法的尋求淤地壩土方量計(jì)算主要計(jì)算壩體的清基土方、削坡土（石）方，結(jié)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(jì)算主要有三種方法，即“地形圖法”、“橫斷面法”和“經(jīng)驗(yàn)估算法”?！暗匦螆D法”（適合規(guī)劃、可研階段、初步設(shè)計(jì)）計(jì)算工作量較大而且計(jì)算速度較慢，而“經(jīng)驗(yàn)估算法”計(jì)算結(jié)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(jì)算主要采用“橫斷面法”手工計(jì)算即“橫斷面法”（適合規(guī)劃、可研階段）?！皺M斷面法”計(jì)算比地形圖法計(jì)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(jì)算過程仍比較繁瑣，工作量大，準(zhǔn)確度相對不高，計(jì)算效率低。通過工作實(shí)際淤地壩土方量計(jì)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(jì)算假定）的前提下，筆者避開分層的困擾，采用“三維計(jì)算法”（是在“橫斷面法”假定的基礎(chǔ)上，對淤地壩土方量計(jì)算所采取的一種三維壩體土方量分析計(jì)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(jì)算加以準(zhǔn)確化，加之將該法計(jì)算過程編成程序，解決了手工計(jì)算效率不高的問題。2“三維計(jì)算法”的計(jì)算原理“三維計(jì)算法”的計(jì)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(diǎn)與該點(diǎn)垂直于壩軸線所在平面的直線為運(yùn)動軌跡（如圖1對三維立體進(jìn)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(jì)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(guān)系確定清基土方、削坡土石方、壩體碾壓土方，通過計(jì)算結(jié)合槽的長度確定結(jié)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(jì)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(jì)算的關(guān)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(biāo)以及對如何計(jì)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(biāo)數(shù)據(jù)以及曲線生成原理利用計(jì)算機(jī)自動計(jì)算清基斷面、削坡斷面坐標(biāo)，同時根據(jù)“三維計(jì)算法”的計(jì)算原理，通過程序化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)批量淤地壩土方量的自動計(jì)算，不僅大大提高了準(zhǔn)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(jì)算法”的特點(diǎn)1）準(zhǔn)確性“三維計(jì)算法”通過程序化設(shè)計(jì)，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(jì)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(jì)算法”對壩體碾壓土方量計(jì)算顯得尤為容易，再加上對每個步驟計(jì)算原理以及計(jì)算程序編寫的進(jìn)行過反復(fù)校核，同時避免了在對橫斷面進(jìn)行連續(xù)削坡手工“橫斷面法”計(jì)算可能被忽略橫斷面某斷削坡的可能，使得復(fù)雜問題簡單化，從而使得計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)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(jìn)行工程量計(jì)算時所需時間。大多數(shù)計(jì)算者都采用2m曾高進(jìn)行計(jì)算，如果要計(jì)算更為準(zhǔn)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(jì)算經(jīng)驗(yàn)，層高取2m、1m、0.5m、0.1m時平均單壩計(jì)算所需時間為20、25、30、40分鐘。以60座淤地壩進(jìn)行土方量計(jì)算為例，計(jì)算所需時間如表1。由上表可以看出，層高取2m時計(jì)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(jì)算的結(jié)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(jì)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(jì)算，差不多半年時間，可見工程量之大。而“三維計(jì)算法”根據(jù)輸入的壩體參數(shù)數(shù)據(jù)以及橫斷面坐標(biāo)數(shù)據(jù)，程序便可很快自動計(jì)算出壩體所需土方量。舉個例子，在對60座淤地壩進(jìn)行土方量計(jì)算中，僅需20秒鐘即可完成。如果要對2000座淤地壩要進(jìn)行計(jì)算，大概需要5分鐘即可全部把淤地壩工程量計(jì)算出來（壩的座數(shù)和計(jì)算時間是不成正比的）。通過兩種算法的計(jì)算時間不難看出，60座淤地壩“三維計(jì)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(jì)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(jì)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(jié)合槽設(shè)置個數(shù)以及結(jié)合槽尺寸等）的設(shè)置，做到適合不同地方淤地壩土方量的計(jì)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(biāo)數(shù)據(jù)格式（如表4）的填寫便可讀取到軟件中進(jìn)行計(jì)算，對于單個淤地壩工程以及多個淤地壩工程的計(jì)算均可以實(shí)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(jì)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(jìn)行縮放，并輸出到CAD中，自動完成高程的標(biāo)注以及水平距的標(biāo)注，這樣不僅避免了認(rèn)為縮放斷面所容易出現(xiàn)計(jì)算比例錯誤的可能，而且將繪圖進(jìn)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(jì)算機(jī)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(jì)算法”之間計(jì)算結(jié)果比較由于“三維計(jì)算法”嚴(yán)格按照“橫斷面法”計(jì)算假定進(jìn)行程序編寫，因此計(jì)算結(jié)果是準(zhǔn)確無誤的?，F(xiàn)對23座淤地壩分別采用“三維計(jì)算法”及層高取2m的“橫斷面法”計(jì)算結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，差值比較見下表。通過上表不難看出，當(dāng)層高取2m時的“橫斷面法”和“三維計(jì)算法”的計(jì)算結(jié)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(jìn)行投資計(jì)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(jìn)行投資計(jì)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(zhǔn)確計(jì)算，使得計(jì)算出的工程量更加符合實(shí)際工程量。s結(jié)論“三維計(jì)算法”比起以往的“橫斷面法”手工算法在計(jì)算效率和準(zhǔn)確程度上有很大的提高，同時“三維計(jì)算法”還具有較強(qiáng)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(jì)算法”進(jìn)行土方量計(jì)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?！叭S計(jì)算