區域土石方平衡法在丘陵地區設計道路標高中的應用研究

謝宏全,文紹勇

(1.淮海工學院測繪工程學院,江蘇連云港 222005;2.秀山國興土地開發有限公司,重慶 409900)

區域土石方平衡法在丘陵地區設計道路標高中的應用研究

謝宏全1,文紹勇2

(1.淮海工學院測繪工程學院,江蘇連云港 222005;2.秀山國興土地開發有限公司,重慶 409900)

在對常規方法設計高程簡要的基礎上,對利用區域土石方平衡法設計道路標高的全過程進行闡述,最后總結確定道路標高時應注意的問題。試驗結果表明,該方法與規劃區的地形結合設計城市道路高程可以較好地減少城市建設投資成本,且不會對城市景觀與城市運行成本產生影響。

土石方平衡法;丘陵地區;土方平衡高度;道路設計標高

一般而言,城市建設的土石方工程的平場設計標高都會以市政道路的設計標高作為依據進行設計。市政道路設計標高的高與低直接影響到城市建設的土石方平場工程量,也將影響到整個城市建設成本,同時較大工程量的土石方工程也會對水土流失、環境保護產生影響[1],因此合理的城市道路設計標高是減少城市開發建設成本的有效途徑之一。當前道路設計主要考慮的是道路設計范圍內的土石方平衡問題,以及市政道路管控區內的排水問題,并未將市政道路所圍成的城市開發建設用地的場平土石方工程量作為市政道路標高設計綜合考慮因素,因此極易形成市政道路兩側的開發地或挖方大于填方,或填方大于挖方,尤其是在丘陵和山區極易形成大填大挖的情況。本文設定一個土石方平衡的區域,在本區域內實現道路及開發建設用地土石方總量的區域平衡,同時兼顧道路與原有城市道路的銜接問題及市政管網排污、排水問題。以重慶市秀山縣城規劃區內某區域為例來進行探討。

一、常規方法設計高程的土石方計算

由于設計的主要目的是大范圍的土石方平衡標高,不是作實際的土石方量計算,因此利用原有地形圖可以得到該片區的地形相關數據。由于該片區的地形測量的精度基本一致,則其挖填平衡后的挖方與填方的相對誤差也基本一致,仍可以認為挖填是基本平衡的。因此可以采用該片區的現狀地形圖作為設計基礎資料,而不必另外實測采集地形數據。

按照原有設計高程來進行建設用地的平場時,首先計算要產生的土石方工程量,道路節點的設計標高如圖 1所示。將道路節點的高程值用手工輸入的方法輸入對應的坐標點上,形成設計高程地形數據。通過 DTM數據內插的方法進行加密,可以得到一個平場設計面,通過計算基礎地形與設計面之間的土石方工程量,可以得到平場的土石方工程量[2]。采用南方 CASS方格網法計算,該片區土石方工程量為挖方 2 242 465.8m3,填方 717 339.2m3。很顯然,挖方大于填方,在暫不考慮回填壓實度情況下,該片區將外運棄土 1 525 126.6m3。

圖 1 道路節點的設計標高

二、區域土石方平衡法設計道路標高過程

1.區域土石方平衡法計算土石方工程量

利用南方 CASS軟件中的區域土石方平衡方法計算該片區土石方平衡時的高程值及土石方平衡的工程量,計算結果如表 1所示。由表 1可以看出,土石方挖填平衡的設計標高是 369.321 m,土石方工程量是 1 991 628m3,比原控規少挖 250 837.8m3。如果在土石方平衡的基礎上根據實際地形作出微調工程量會更低。

表 1 三角網法土石方計算結果表

2.修改設計高程后的土石方工程量計算

通過計算可知區域土石方平衡的高度是369.621m(設其為 H),根據規劃道路與現有道路的接口處的標高,可以確定接入該區域的道路入口處標高 (設定為 H1)。將設計區域按照 50m的方格網分割,并設定中間設計標高為 H,通過中間高程 H與接口處高程 H1的高差與距離,計算出坡度,并以此類推計算出道路設計坡度。根據各接口處到設計場地中央的坡度,推算出各接口到設計場地中央的各點的設計高程。并以此坡度延伸至設計邊界,可得出場地內一條或者數條設計高程線 (如圖 2所示)。

圖 2 設計高程線示意圖

按照此高程線橫向延伸可得出該片區的土石方平衡的初步場設計高程。同時將擬設計高程布設在原地形圖上,通過計算與最近各道路接口處的坡度關系并結合實際地形做相應的調整。將初步平場設計高程按原設計坐標輸入初步設計地形圖,并通過計算初步設計高程的土石方平衡高度 H1(368.406m)來確定初步設計高程值與土石方平衡H的差值 H1差,即 H-H1=369.621-368.406=1.215m,然后根據差值對設計高程作相應的調整。根據上述數據,需將確定高程邊緣設計高程調高約2.5m(接口高程不能變化,則需要將設計高程調高2H1差),才能保持平衡,同時考慮到實際地形因素和設計道路坡度因素,可以考慮在道路上設置變坡點,即除了考慮在邊緣設計高程增加外,還可以考慮在場地中部提高變化高程值。將修改后的設計高程再作一次土石方平衡計算,并根據計算出的 H1與 H的差值再作一次相應的調整,使 H1≥H,注意H1不應過大于 H,以不超過 0.2 m為宜。因為考慮到回填壓實度及開發地地下室及基礎開挖,所以 H1可以略大于 H。經過二次修改設計高程后的土石方平衡計算結果如表 2所示。

表 2 三角網法土石方計算結果表

3.設計地形圖繪制

經過二次修改設計,設計的高程其土石方平衡高度 H1=H。該設計方案基本可以實現該區域土石方平衡。通過將設計成熟的設計標高采用 DTM內插加密的方式對該片區的設計高程加密,并可得到各道路交叉點的設計高程。根據現狀地形將各道路交叉點的設計高程作最后一次微調,在保證市政道路坡度與排水的情況下,調整該點與周圍主要控制范圍內的地形的差值,以最大限度地減少挖方與填方。最后以剔除道路交叉點外的輔助設計高程,并繪制出按現行設計高程得出的設計地形圖 (如圖 3所示)[3]。從圖 3可以看出整個設計的坡度與城市排水是可行的,且對城市未來的景觀不會產生大的影響。

圖 3 設計地形圖

4.土石方平場計算

以各道路交叉點高程作為加密基礎高程,將設計區域的設計高程進行加密。將加密的設計高程繪制成一個三角網作為土石方預算的成型設計面,并計算出現狀地形與將設計高程值提高的土石方平場計算結果,該片區的土石方總挖方為1 303 008.8m3,總填方為 1 394 188.2 m3,出于開發建設用地開挖地下停車場、回填碾壓的壓實度以及道路施工換填及道路建設材料鋪設所增加的整體方量,認為回填方略大于挖方的這個場地平整方案是可行的。

通過上述的土石方計算可以看出,根據土石方平衡方法設計道路標高,整個場地的平場土石方的總挖方的 1 303 008.8m3,總填方為 1 394 188.2m3,與原控規預算的土石方量挖方 2 242 465.8m3,填方717 339.2m3相比較,挖方減少 939 457m3。填方增加 676 849 m3容量。按照場地內轉運挖方500 m運距 14.5元 /m3,回填碾壓 5.5元 /m3,外運方量按照1 200 m運距 15.5元/m3,棄土場租賃費用按照 3元/m3計算。原控規方案土石方平場預算如表 3所示,土石方平衡道路設計方案的平場預算如表 4[4]所示。

表 3 原控規方案土石方平場預算表

表 4 土石方平衡道路設計方案的平場預算表

由表 3與表 4可知,采用土石方平衡法來設計控規道路的設計高程比原控規方案至少要節約城市建設投資 1 650.14萬元。可見,區域土石方平衡法與規劃區的地形結合來設計城市道路高程可以較好地減少城市建設投資成本,且不會對城市景觀與城市運行成本產生影響。

最后根據設計平面的 DTM數據內插可得修改后的道路節點設計高程成果 (如圖 4所示)。

圖 4 土石方平衡方法設計道路節點高程成果圖

5.確定道路標高時注意問題

在利用土石方平衡確定區域道路標高時,要注意以下幾個問題。

1)如果發現整個區域內出現四周高中部低的情況,要及時作出相應調整,確保城市排水通暢;

2)根據地形圖,對區域內的低洼地和小山坡范圍的標高進行適當的微調,以盡量減少挖方和填方量;

3)道路的坡度不宜過大,不超過 3%的坡度;

4)本方法主要針對新區開發的控規,對舊城區主要還是依據原有地形地貌,在盡量不改變原有地貌的情況下設計;

5)確定高程時候注意城市排水系統的一致性[5]。

三、結束語

土石方平衡法與現行城市道路設計方法主要區別就是在于土石方平衡法將規劃道路控制區內的所有用地的平場都考慮在道路設計標高內,而現行道路設計標高方法主要考慮道路范圍內的土石方平衡,雖有局限,但相對簡易,土石方平衡方法則相對較為繁瑣。但從整個城市建設成本來看,此方法可以有效地減少城市建設成本,減少城市的大氣污染、粉塵污染、噪音污染,符合我國建設綠色 GDP的總體構想。因此,考慮到整個城市建設發展的可持續性,采用土石方平衡法來確定道路設計標高是可行的、必要的。大范圍的城市控規道路設計可以將大范圍的設計區域分成若干個較小區域來進行設計,也可以將整個區域范圍納入來進行統籌設計。

[1]范東明.道路橫斷面成圖及土石方計算軟件系統的關鍵技術[J].測繪通報,2004(5):47-48.

[2]徐偉聲.利用 CASS軟件計算土石方 [J].湖北民族學院學報:自然科學版,2008,26(1):118-120.

[3]毛新平,孫克南,趙小宇.利用地形圖對土地平整等工作土石方量計算方法探析 [J].河北林業科技,2008(5):40-41.

[4]包中進,陸芳春.山區性城市建設中土石方優化配置探討[J].水土保持研究,2005,12(2):147-148.

[5]北京市市政設計研究院.CJJ 37—90城市道路設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社,1991.

Research on Regional Earthwork Equilibrium Method in Road Elevation Design of Hilly Areas

XIE Hongquan,WEN Shaoyong

2010-05-20

謝宏全 (1964—),男,遼寧葫蘆島人,博士,教授,主要從事 3S集成應用和遙感信息工程方面的教學和科研工作。

0494-0911(2011)02-0039-03

P258

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