GPCAD在礦山地質環境治理工程土石方計算中的應用

還祥生

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GPCAD在礦山地質環境治理工程土石方計算中的應用

還祥生

（北京市地質礦產勘查開發總公司，北京 100050）

規劃總圖設計軟件GPCAD是基于AUTOCAD軟件開發的，用于城市總體規劃、控制性詳細規劃，主要功能有地形處理、地形分析、土石方量計算等。GPCAD軟件采用方格網法進行土石方量計算，本文介紹了規劃總圖設計軟件GPCAD計算土石方的基本原理，介紹了方格網劃分、零點位置計算和工程量計算公式。礦山地質環境問題主要包括地形地貌破壞、土地資源占壓和生態破壞等，礦山開采過程中形成的大量廢棄土石方是造成上述問題的根源。因此，礦山地質環境治理工程項目設計、施工通常涉及到大面積的地形整治工程和大規模土石方量的計算，本文結合礦山地質環境治理工程設計實例，通過計算范圍確定、方格網布設、自然標高采集、設計標高設定，介紹了各步驟的操作方法，運用GPCAD進行大規模土石方量計算，計算得出區塊土石方挖、填方量和凈方量。

GPCAD軟件；方格網；礦山地質環境治理；土石方量計算

0　引言

礦山開采破壞形成的地質環境問題主要包括地形地貌破壞、土地資源占壓和生態破壞等，矸石、廢渣等大規模、大方量的土石料堆是破壞礦山地質環境的主要因素（張興等，2011；張進德，2010；張興，2009）。礦山地質環境治理工程常采用土石方清運、地形整治、綠化工程等治理措施對礦山地質環境進行修復，這就涉及到大規模的土石方量計算。土石方量計算結果的精確度直接關系到工程的投資預算及設計方案的優化，也直接關系到業主單位、施工單位的利益（羅云志等，2008；馬占林等，2010）。為避免或減少建設工程各參建方對土石方量的爭議，如何利用測量成果或數字地形準確的計算出土石方量就成了各方關注的焦點問題。本文通過礦山地質環境治理工程實例，闡述了GPCAD軟件計算大規模土石方量的應用和結論與建議，為從事礦山地質環境治理工程的相關人員提供一定的參考與啟發。

1　GPCAD計算土石方量的基本原理

GPCAD是基于AUTOCAD軟件開發的規劃總圖設計軟件，主要適用于城市總體規劃/控制性詳細規劃，修建性詳細規劃/居住區規劃，工廠總圖等設計領域。GPCAD主要功能有地形處理、地形分析、地形三維、地塊規劃、土石方量計算、總平面設計等。GPCAD軟件具有功能強大、性能穩定、技術領先等優勢。

GPCAD中的土石方計算主要是用于計算建設場地平整的土石方工程量，其土石方計算采用的是方格網計算法，適用于變化連續的地形情況。

方格網法是將場地劃分為若干個具有一定間距的正方形方格，設定方格網角點的高程，對方格網面按四角高程的平均值計算土石方量（汪海燕，2010）。挖、填方量分別用“-”、“+”號表示，然后分別計算每一方格的挖、填方量。將所有方格的挖、填方量匯總，即得場地挖方和填方的總土石方量。

1.1方格網劃分

根據已有地形圖布設一定間距的方格網，將場地劃分成若干個方格，按照自然標高與設計標高設定每個方格網角點高程，兩者的差值即代表各角點的施工高度（挖或填），挖方為“-”，填方為“+”，見圖1。

圖1　方格網法計算土石方示意圖Fig.1 Sketch Diagram of Earthwork Calculation with Grid Net

1.2零點位置計算

同時具有填方與挖方的方格，應先計算出方格網邊上的零點的位置，并標注于方格網上，連接零點即得填方區與挖方區的分界線（即零線）。零點的位置確定與計算見圖2：

通過計算x1、x2確定零點的位置，按下式計算：

式中： x1、x2——角點至零點的距離（m）；h1、h2——相鄰兩角點的施工高度（m），均用絕對值；a——方格網的邊長（m）。

圖2　零點位置計算示意圖Fig .2 Sketch Diagram of Zero Position Calculation

1.3工程量計算

GPCAD軟件采用雙向切分三棱錐平均值計算土石方量，根據方格各角點施工高度的不同，零線（即方格邊上零點的連線）將三角形劃分為兩種情況：三角形全部為挖方或填方（圖3），以及部分挖方和部分填方（圖4）。

圖3　全填或全挖模型示意圖Fig.3 Sketch Diagram of All Digging or Filling Model

圖4　部分挖、填模型示意圖Fig.4 Sketch Diagram of Part Diging and Part Filling Model

（1）第一種情況：三角形全部為挖方或填方全填或全挖將形成底面為三角形的三棱柱，其體積V

式中：h1、h2、h3——角點的施工高度（m）；a——方格網的邊長（m）。

（2）第二種情況：部分挖方和部分填方由于零線將三角形劃分成底面為三角形的錐體和底面為四邊形的鍥體，錐體和楔體體積公式分別計算如下：

錐體體積V1 計算：

楔體體積V2 計算：

式中：h1、h2、h3——角點的施工高度（m），均取絕對值；a——方格網的邊長（m）。

最后，分別統計所有方格土石方量計算為“+”和為“-”的體積總和，這樣“-”的體積總和就是該地形內土石方量挖方數，“+”的體積總和就是該地形內土石方量填方數。

2　應用實例

河北省張家口下花園區資源枯竭城市礦山地質環境治理項目治理目標是消除地質災害隱患、保護地下水系、涵養地表水源、恢復生態植被，最大限度地增加和恢復可利用土地資源，其主要治理工程設計為地形整治工程。

2.1地形整治工程設計思路

地形整治工程采用規劃總圖設計軟件GPCAD進行地形分析、場地標高設計和土方量計算。利用GPCAD進行地形設計、土方量計算需要區塊范圍、控制點標高和區塊控制坡度等參數。根據項目區地形特征和相關規劃要求，首先劃定地形整治范圍，并劃分1～19個區塊（土石方計算的方格網單元）；控制點標高和區塊控制坡度根據項目所在地相關規劃、建設用地性質和周邊道路控制點標高等確定。

2.2GPCAD計算土石方

通過計算范圍確定、方格網布設、自然標高采集、設計標高設定，采用規劃總圖設計軟件GPCAD進行地形分析和土石方量計算。

（1）計算范圍確定

本項目需要進行土石方計算和工程設計的項目區塊范圍，應根據場地地形起伏、連續情況以及需要進行避讓的房屋建筑和基礎設施等進行劃分。

（2）方格網布設

根據土石方工程設計和計算精度要求，在地形圖上對項目區塊按照正交方格布設方格網，縱、橫向間距分別設定為2m，即布設成2×2 m的正交網格，項目區塊方格網布置方式、方格屬性參數等設定見圖5所示。

圖5　方格網布置示意圖Fig .5 Sketch Diagram of Grid Net Setting

（3）自然標高采集

在地形圖上布設的方格網具有原始地形標高等屬性，應用GPCAD軟件通過三角網的構建就可以采集到方格網角點的自然標高，即對方格網角點的自然標高賦值。

（4）設計標高設定

根據本工程設計需要，并結合項目區塊現場實際情況，確定該區塊的工程設計控制點坐標（X，Y，Z）。按照該場地工業用地的建設用地屬性（場地坡度應控制為0.2%～10%），設定場地的主控方向即第一方向設計坡度為-8%；參照該場地鄰近公路和周邊地形標高，設定場地的第二控制方向設計坡度為1.5%。采用“二點坡度面”對項目區塊進行設計標高輸入、設定（圖6）。

圖6　設計標高設定示意圖Fig.6 Sketch Diagram of Design Elevation Setting

（5）土石方量計算

在進行土石方量計算之前，需要根據現場巖土體的土質類別，設定現場巖土體的松散系數，最初松散系數K1和最后松散系數K2。由勘查結論可知，現場土質類別為碎石土，K1、K2分別取值為1.26、1.03。運用GPCAD軟件土石方計算功能可計算得出該項目區塊土石方挖、填方量及凈方量，土石方計算方格網及結果見圖7。

圖7　土石方計算方格網及結果示意圖Fig.7 Sketch Diagram of Grid Net Calculation and the Result

3　結論

本文從理論上分析了GPCAD軟件計算土石方量的基本原理，通過礦山地質環境治理項目實例，運用GPCAD軟件進行大方量土石方計算，詳細闡述了土石方量計算的流程與相關參數的設定，及土石方結果的計算。

（1）在礦山地質環境治理工程中，GPCAD軟件能夠較精確、快速的對大規模土石方量進行計算，可以對所有區塊的土石方量進行統計、匯總。

（2）通過地形參數設定及土石方量計算，每個方格角點具有設計標高和施工高度值，因此可用以地形整治設計和指導施工。

（3）方格網設置的間距越小，其計算結果越精確，但是其計算耗時也越長，因此建議選用處理速度較快的電腦和硬件設備，以保證GPCAD軟件運行與計算速度。

［1］張興，王凌云. 礦山地質環境保護與治理研究［J］.中國礦業，2011，20（8）：52～55.

［2］張進德，田磊. 礦業城市礦山地質環境綜合治理對策研究［J］. 城市地質，2010，5（3）：28～31.

［3］張興. 我國礦業和諧發展中的礦山環境治理問題分析［J］. 國土資源科技管理，2009，26（6）：110～113.

［4］羅云志，李接藝. 土木工程土石方量計算方法及應用［J］. 企業科技與發展，2008，24（14）：131～132.

［5］馬占林，李積蘭，余筱蓉. 土石方量計算方法比較［J］. 地礦測繪，2010，26（1）：29～32.

［6］汪海燕. 基于方格網法對工程土方量精度計算的研究［J］. 山西建筑，2010，36（20）：92～93.

Application of GPCAD Software in Earthwork Calculation for Mine Geological Environment Project

HUAN Xiangsheng
（Beijing Geology Development Corporation， Beijing 100050）

GPCAD， a general layout design software， is developed on AUTOCAD software for general plan of city and control detailed planning .The main function contains terrain processing， terrain analysis， earthwork calculation etc. GPCAD software calculates the earthwork by using the method of grid net. The thesis summarizes the principle of earthwork calculation with GPCAD software and introduces the steps of grid division， zero position calculation and engineering quantity calculation. Mine geological environment problems mainly include topography， destruction of land resources and ecological damage influence etc. A large number of wastes in the process of mining are the root cause of the problem. So the engineering of design and construction usually involves the calculation of large area terrain remediation projects and large-scale earthwork calculation. Combining the example of the mine geological environment project design， by means of ascertaining calculation scope， setting grid net， collecting natural elevation， setting design elevation， the amount of large-scale earthwork， the earthwork excavation， fill volume and the net weight are calculated by the GPCAD software.

GPCAD software； Grid net； Mine geological environment construction； Earthwork calculation

TU463

A

1007-1903（2016）02-0093-05

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.02.019

還祥生（1983- ），男，碩士，主要從事地質災害治理工程項目的勘查、設計工作。E-mail：81014504@qq.com。