淺談工業(yè)場地豎向設(shè)計(jì)

鄧 媛

(中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

場地豎向設(shè)計(jì)，是指對建設(shè)場地高程的設(shè)計(jì)。由于自然地形通常起伏不平、帶一定的自然坡度，不能滿足工業(yè)企業(yè)總平面設(shè)計(jì)中對場地生產(chǎn)及排水的高程要求。因此，需要對原始地形進(jìn)行改造、利用，合理確定建設(shè)場地的室外平場標(biāo)高，即開展工業(yè)場地豎向設(shè)計(jì)工作。

1 豎向設(shè)計(jì)與總平面設(shè)計(jì)的關(guān)系

豎向設(shè)計(jì)與總平面設(shè)計(jì)密不可分，是場地設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的有機(jī)組成部分[1-2]。豎向設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括豎向布置原則、布置形式、確定室外平場標(biāo)高、確定場地排水方式、計(jì)算場地土石方工程量等。

總平面設(shè)計(jì)中，工業(yè)企業(yè)內(nèi)建構(gòu)筑物的平面位置已經(jīng)確定；而它們的立面位置，即“標(biāo)高”，則需要在豎向設(shè)計(jì)中予以確定。所以在考慮充分利用場地地形的基礎(chǔ)上，必須同時(shí)考慮“平面”和“豎向”在布置上的要求，統(tǒng)一考慮并協(xié)調(diào)處理設(shè)計(jì)過程中的各種矛盾，才能保證企業(yè)建設(shè)、生產(chǎn)和使用過程中的合理性和經(jīng)濟(jì)性[3]。因此，豎向設(shè)計(jì)與總平面設(shè)計(jì)相互影響，相互制約，不可分割。

一方面，總平面設(shè)計(jì)雖然優(yōu)先進(jìn)行，但合理的總平面設(shè)計(jì)與豎向設(shè)計(jì)的關(guān)系極大，所以要同時(shí)考慮總平面設(shè)計(jì)和豎向布置形式。另一方面，在進(jìn)行豎向設(shè)計(jì)時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)豎向設(shè)計(jì)和總平面設(shè)計(jì)不能很好地結(jié)合起來，在考慮調(diào)整豎向設(shè)計(jì)方案的同時(shí)，可能還要對總平面布置做出相應(yīng)的調(diào)整。

豎向設(shè)計(jì)與總平面設(shè)計(jì)的關(guān)系如圖1所示。

圖1 豎向設(shè)計(jì)與總平面設(shè)計(jì)的關(guān)系Fig.1 The relationship between vertical design and general layout design

2 豎向設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論

2.1 場地豎向設(shè)計(jì)的內(nèi)容

目的：豎向設(shè)計(jì)的主要目的是使場地中的各元素形成一個(gè)統(tǒng)一的有機(jī)整體，以充分利用自然地形，節(jié)約土地，減少浪費(fèi)[4]。

主要內(nèi)容：①選擇豎向設(shè)計(jì)的形式和平土方式；②確定場地平場標(biāo)高，計(jì)算土石方工程量，力求場地填挖方平衡；③確定建筑物、構(gòu)筑物等的室外平場標(biāo)高，并使之相互協(xié)調(diào)；④確定合理的場地排水方式和排水措施，使場地內(nèi)排水順暢，保證場地不受洪水威脅；⑤合理布置豎向設(shè)計(jì)必要的工程設(shè)施和排水構(gòu)筑物(如排水溝、雨水井、排洪溝等)并委托有關(guān)專業(yè)進(jìn)行設(shè)計(jì)[5]。豎向設(shè)計(jì)主要內(nèi)容的示意圖，如圖2所示。

1-自然地面；2-設(shè)計(jì)地面；3-廠房；4-道路中心線；5-填方工程量；6-挖方工程量；7-擋土墻；8-排水溝；9-場地設(shè)計(jì)坡度；10-道路中心線標(biāo)高；11-室內(nèi)地坪標(biāo)高；12-室外地坪標(biāo)高圖2 豎向設(shè)計(jì)主要內(nèi)容剖面示意Fig.2 Vertical design profile

2.2 豎向設(shè)計(jì)的形式

豎向設(shè)計(jì)的布置形式是指工業(yè)企業(yè)場地各主要設(shè)計(jì)整平面垂直方向上的連續(xù)方式[6]。豎向設(shè)計(jì)形式通常分為平坡式、階梯式和混合式3種[7]。

平坡式：平坡式布置是將場地處理成接近于自然地形的一個(gè)或幾個(gè)帶有緩坡的整平面，連接處設(shè)計(jì)坡度和設(shè)計(jì)標(biāo)高沒有明顯的高差變化[8]。平坡式布置適合地勢較為平坦的場地。平坡式布置可分為單斜面和多斜面的布置形式。①單斜面。即整個(gè)場地只有一個(gè)坡向，場地排水為一個(gè)方向，從最高點(diǎn)排向最低點(diǎn)，此種布置形式排水不利，土石方量也相對較大。②多斜面。一般有多個(gè)坡向，最低點(diǎn)位于場地四周，最高點(diǎn)位于場地中心區(qū)域，此種布置形式排水線路短，場地排水較快，產(chǎn)生的土石方量相對較小。

階梯式：階梯式布置的場地各整平面之間通常有明顯的高差，因此，把場地設(shè)計(jì)成若干個(gè)臺(tái)階布置的形式，以陡坡或擋土墻連接起來。此種布置形式一般適用于地形坡度較大的地段，多用于山區(qū)或者丘陵地區(qū)的工業(yè)企業(yè)場地，可以避免場地大填大挖，減少土石方量。

混合式：混合式布置是指場地設(shè)計(jì)地面由若干個(gè)平坡或臺(tái)階混合組成。場地設(shè)計(jì)有時(shí)需要根據(jù)地形地質(zhì)的變化情況及生產(chǎn)運(yùn)輸條件的要求，采用平坡式與階梯式結(jié)合的形式，以充分利用自然地形，并節(jié)約土方工程量[9]。

3 母杜柴登礦井及選煤廠工業(yè)場地豎向設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1 工程概況

母杜柴登井田位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市東勝煤田國家規(guī)劃區(qū)的西南部以外，呼吉爾特礦區(qū)東南部，烏審旗圖克鎮(zhèn)東南，與東勝煤田毗鄰。行政區(qū)劃屬烏審旗圖克鎮(zhèn)。井田距達(dá)布察克鎮(zhèn)約12 km，距東勝約130 km，東距陜西省榆林市約60 km。210國道從井田東部南北方向通過，距本井田約13 km，213、215、313等多條省道在礦區(qū)北部和西部通過，井田內(nèi)有土路相通。

該礦位于毛烏素沙漠腹地，地形開闊，呈緩波狀起伏，相對高差較小，空曠平整無明顯山嶺溝槽。本井田地形總體為北高南低，西高東低，坡向東南方向的紅堿淖。井田內(nèi)海拔高度1 279～1 305 m，相對高差25 m。

區(qū)內(nèi)氣候特征屬于半干旱、沙漠大陸性氣候，四季分明，降水稀少，蒸發(fā)量大，晝夜溫差大。區(qū)內(nèi)最高氣溫36.6 ℃，最低-30.1 ℃，年平均8.7 ℃。年降水量最大為531.6 mm，多年平均為396.0 mm，降水集中在每年7、8、9這3個(gè)月份，占全年降水量的90%以上。平均蒸發(fā)量為2 534.2 mm。春、秋兩季多北風(fēng)及西北風(fēng)，最大風(fēng)速達(dá)28.7 m/s，春季沙塵暴天氣出現(xiàn)頻繁，尤以3～5月為甚。

本區(qū)屬內(nèi)陸湖泊紅堿淖水系，礦區(qū)內(nèi)地表逕流不發(fā)育，無常年河流及溪溝，礦井工業(yè)場地及井口不存在地面洪水威脅。但本區(qū)地下水位較高，沙漠地面雨水下滲速度快，凍結(jié)深度大，凍脹現(xiàn)象嚴(yán)重，這些是影響工業(yè)場地平場標(biāo)高確定的主要因素。

3.2 豎向優(yōu)化思路

在該項(xiàng)目工業(yè)場地的設(shè)計(jì)過程中，由于場地排水方向不是非常明確，平場方向就難以確定；其次，場地平場標(biāo)高的確定也有一定的難度，若場地設(shè)計(jì)標(biāo)高確定過高，會(huì)導(dǎo)致場地平場費(fèi)用過大；若場地設(shè)計(jì)標(biāo)高太低，又會(huì)導(dǎo)致場地排水不利，甚至影響到整個(gè)礦井及選煤廠的正常生產(chǎn)。因此，確定合適的豎向布置形式尤為重要，在項(xiàng)目實(shí)際進(jìn)行中，首先要確定場地排水的總方向，然后結(jié)合場地防洪排澇的需求，確定場地最高點(diǎn)的控制標(biāo)高，最后通過調(diào)整適宜的場地平場坡度，以達(dá)到優(yōu)化土石方量的目的。

3.2.1 優(yōu)化排雨水設(shè)計(jì)

場地的排雨水設(shè)計(jì)是豎向設(shè)計(jì)的一個(gè)主要內(nèi)容，具體優(yōu)化內(nèi)容有對排水坡向的方向、平場坡度、排水方式選擇等[10]。該項(xiàng)目所在場地地表多系風(fēng)成壟狀及新月形流動(dòng)沙丘，其間有被植被固定、半固定沙丘，地形低緩平坦，地面起伏不大。因此，通過軟件生成場地自然地表模型，得出場地自然坡度的直觀走向，在此基礎(chǔ)上來確定場地的排水方向。

通過地表模型分析后確定的排水坡向有3個(gè)，分別是向東、向西、向南。在工業(yè)場地中部設(shè)計(jì)較高點(diǎn)1 290.70 m，除已施工的建(構(gòu))筑外，按大于3‰的平場坡度向四周平整。該煤礦為大型礦井，其防洪標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)《煤炭工業(yè)礦井設(shè)計(jì)規(guī)范》10.2.1條的規(guī)定設(shè)計(jì)，即井口的防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)按：主立井、副立井、回風(fēng)立井井口防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為100年(重現(xiàn)期)，校核標(biāo)準(zhǔn)為按300年(重現(xiàn)期)。工業(yè)場地防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為100年(重現(xiàn)期)。但井田及場地范圍內(nèi)無明顯水系溝渠，且年降雨量較小，故本礦井井口不受河流洪水威脅，只需考慮場區(qū)小范圍積水內(nèi)澇的問題。本次平場設(shè)計(jì)根據(jù)自然地形，考慮土方平衡等問題后取較高值，主、副井井口的平場標(biāo)高設(shè)計(jì)為1 290.50 m，風(fēng)井井口的平場標(biāo)高為1 291 m。場內(nèi)建、構(gòu)筑物按其所在位置的設(shè)計(jì)平場坡度和工藝需要，確定設(shè)計(jì)室外平場標(biāo)高。辦公樓設(shè)計(jì)平場標(biāo)高為1 290.30 m，主廠房設(shè)計(jì)的平場標(biāo)高為1 290 m，鍋爐房設(shè)計(jì)的室外平場標(biāo)高為1 289.6 m，綜采設(shè)備庫的設(shè)計(jì)平場標(biāo)高為1 289.90 m。

場地的排水方式包括明溝排水和暗管排水，場地豎向設(shè)計(jì)應(yīng)與場地的排水方式相結(jié)合進(jìn)行優(yōu)化[11]。為解決工業(yè)場地內(nèi)排雨水問題，該項(xiàng)目經(jīng)過方案比較、優(yōu)化之后，選擇自然散流和排水溝相結(jié)合的排水方式，場地局部適當(dāng)填方，在場內(nèi)道路合適位置設(shè)置蓋板排水溝，將場地雨水匯集、集中排放到場地外低洼地帶，以確保礦井井口、工業(yè)場地安全，必要時(shí)在遠(yuǎn)離場地處人工開挖積水坑、蒸發(fā)池等，確保場地不受內(nèi)澇水及外部雨水的威脅。

3.2.2 土方工程優(yōu)化

一般情況下，場地平場標(biāo)高的確定應(yīng)盡量考慮場地土方的填挖平衡，減少場外取土和棄土量，以降低工程成本[12]。由于建設(shè)場地地形呈緩波狀起伏，相對高差較小，因此豎向布置采用連續(xù)式整平、平坡式的布置方式。經(jīng)初步計(jì)算，該項(xiàng)目土石方工程量總計(jì)9 797.20 m3，其中，挖土方工程量146 185.6 m3，填土方工程量為155 982.8 m3，考慮到建(構(gòu))筑物基槽余土及場地內(nèi)道路路槽余土，填方挖方土方量基本平衡。

4 結(jié)語

豎向設(shè)計(jì)是一項(xiàng)專業(yè)性、綜合性很強(qiáng)的設(shè)計(jì)工作，合理確定場地平場標(biāo)高，盡量實(shí)現(xiàn)土石方量平衡；選擇合理的排水措施和排水方式，有利于企業(yè)生產(chǎn)、方便企業(yè)員工生活。文中結(jié)合母杜柴登礦井及選煤廠工業(yè)場地的豎向設(shè)計(jì)優(yōu)化過程，對場地排雨水設(shè)計(jì)、土方工程等方面的優(yōu)化工作進(jìn)行了簡要闡述，希望能起到拋磚引玉的作用，對工業(yè)場地豎向設(shè)計(jì)工作提供參考與借鑒。