Civil 3D在新疆某長距離輸水隧洞工程棄渣場規(guī)劃設計的應用

常 勝

(新疆水利水電勘測設計研究院， 烏魯木齊 830000)

1 工程概況

新疆某長距離輸水隧洞工程規(guī)模為大(1)型工程，其主要建筑物為1級，次要建筑物為3級，臨時建筑物為4級。隧洞位于某山脈南麓中山區(qū)及低山、丘陵區(qū)，沿線地形起伏，橫跨4條中小型河流。穿越的地層巖性有：① 奧陶系(O)黑云母石英片巖、結(jié)晶片巖；② 泥盆系(D)花崗片麻巖、黑云母片麻巖；③ 石炭系(C)的凝灰質(zhì)砂巖、黑云母片麻巖、角閃黑云母長英角巖；④ 華力西期(γ4)侵入花崗巖、黑云母花崗巖、花崗斑巖及閃長巖。隧洞大多數(shù)處于新鮮巖體內(nèi)，裂隙不發(fā)育，圍巖以塊狀和厚層狀，巖體較完整，屬中—堅硬巖。

本工程遵循《水利水電工程施工組織設計規(guī)范》(SL303—2017)[5]和《水利水電工程水土保持技術(shù)規(guī)范》(SL575—2012)[6]，以“滿足環(huán)境保護，水土保持要求和當?shù)爻青l(xiāng)建設規(guī)劃要求”和“棄渣場宜靠近開挖作業(yè)區(qū)的山溝、山坡、荒地等地段，不占或少占耕(林)地，地基承載力滿足堆渣要求”的原則，綜合分析建筑物布置特點、地形特性及施工支洞的位置等條件，共設置17處棄渣場地；其中包含3級和4級渣場各6處，5級渣場5處。隧洞沿線施工場地位于山區(qū)和丘陵區(qū)，因此，棄渣場多以溝道型和坡地型為主。

12#棄渣場位于低山丘陵區(qū)一處天然沖溝，屬溝道型渣場。溝長約為650 m左右，寬約為70～185 m；地勢東高西低，分布高程為656～688 m，溝道縱坡約為1/20.31。地表基巖多裸露，巖性為泥盆系花崗片麻巖，強風化層厚度為3～5 m，弱風化層厚度為8～10 m，天然密度為2.74 g/cm3，自然吸水率為0.11～0.47，飽和抗壓強度為40.8～121 MPa，軟化系數(shù)為0.71，屬中～堅硬巖；飽和抗剪強度c=3.2 MPa，φ=48.0°，地基承載力為1.5 MPa。根據(jù)場地鉆孔揭露，地下水位埋深為22 m，地下水為基巖裂隙水。12#棄渣場渣量為39.89萬m3，最大堆高為20 m。

17#棄渣場位于某水庫下游右岸階地，地形平坦、開闊，臨近河流坡面沖溝發(fā)育；地勢北高南低，分布高程為622～630 m，相對高差約為8 m，屬坡地型渣場。地表為第四系上更新統(tǒng)沖積砂卵礫石，厚度為10～15 m，砂卵礫石天然干密度為2.06 g/cm3，滲透系數(shù)為2.6×10-1cm/s，為強透水層。下覆巖性為石炭系片麻巖，強風化層厚度為3～5 m，弱風化層厚度為8～10 m，天然密度為2.76 g/cm3，自然吸水率為0.13～0.2，飽和抗壓強度為64.3～171 MPa，軟化系數(shù)為0.67，屬堅硬巖；飽和抗剪強度c=2.0 MPa，φ=50.6°，地基承載力為1.2 MPa。地下水為基巖裂隙水，埋深大于20 m。17#棄渣場渣量為99.91萬m3，最大堆高為20 m。

根據(jù)《水土保持工程設計規(guī)范》(GB 51018—2014)[7]中棄渣場級別規(guī)定：12#棄渣場堆渣量小于50萬m3，最大堆渣高度為20 m，渣場失事對主體工程或環(huán)境造成危害的程度屬于5級(無危害)，確定其級別為4級。17#棄渣場堆渣量小于100萬m3，大于50萬m3，最大堆渣高度為20 m，渣場失事對主體工程或環(huán)境造成危害的程度屬于4級(較輕)，確定其級別為4級。

2 渣場規(guī)劃設計

2.1 設計思路

Civil 3D憑借著三維動態(tài)建模與設計，仿真分析和數(shù)據(jù)動態(tài)鏈接等功能，使其被廣泛運用于水利，市政，交通運輸?shù)刃袠I(yè)的設計工作中。蘭立偉[1]等通過Civil 3D建立動態(tài)土石壩壩體模型，并繪制斷面圖，計算壩體工程量。王奕欽[2]從曲面創(chuàng)建，裝配設置，曲線放樣，挖填方工程量計算等方面介紹了Civil 3D在雙曲拱壩建模中的應用。繆正建[3]等提出了基于Civil 3D的水利水電工程施工總布置三維設計方法。陳接永[4]通過對BIM軟件研究，初步形成了一套可用于水保勘測設計的流程體系。

溝道型棄渣場特征為堆渣體將溝道全部或部分填埋；溝道內(nèi)棄渣形成與渣頂?shù)雀呔€齊平的平臺，溝口位置棄渣按照一定坡度放坡至地面。結(jié)合溝道型棄渣場特征，通過Civil 3D的曲面和放坡功能建立棄渣場動態(tài)堆渣體模型。建模主要過程：① 根據(jù)地形測量資料創(chuàng)建原始地形曲面，并檢查其準確性；② 依據(jù)選址溝道的地形，渣量，坡比，堆高；劃定一條溝口分界線，該線作為渣頂平臺和斜坡的分界線，高程值為渣頂高程；③ 創(chuàng)建設計曲面，并計算堆渣體積；該曲面由渣頂平臺和斜坡曲面兩部分構(gòu)成；④ 根據(jù)計算結(jié)果調(diào)整溝口分界線位置和高程；⑤ 結(jié)合水文，地質(zhì)等基礎資料布置擋渣墻等工程措施。最終劃定棄渣場征地范圍。

坡地型渣場的特征棄渣堆放在緩坡地、河流或溝道兩側(cè)較高臺地上，堆渣體底部高程高于河(溝)中棄渣場設防洪水位。堆渣體一般呈棱臺體，頂部為不規(guī)則幾何圖形平臺，平臺邊緣以一定坡度放坡至地面。結(jié)合坡地型棄渣場特征，通過Civil 3D的建模主要過程：① 根據(jù)地形測量資料創(chuàng)建原始地形曲面，并檢查其準確性；② 依據(jù)棄渣場選址處地形，地物，渣量，坡比，堆高，初步劃定棄渣場范圍；③ 自下而上“一次放坡”確定棄渣場平臺范圍和渣頂高程；④ 根據(jù)步驟3得到的棄渣場平臺范圍和渣頂高程“二次放坡”，創(chuàng)建設計曲面，并計算堆渣體積；通過調(diào)整坡頂線直到滿足棄渣要求；⑤ 結(jié)合水文、地質(zhì)等基礎資料布置擋渣墻等工程措施，最終劃定棄渣場征地范圍。

2.2 溝道型渣場

1) 創(chuàng)建地形曲面

具體步驟：“工具空間”→右鍵單擊“曲面”選擇“創(chuàng)建曲面”→“定義”→“等高線”或“圖形對象”或“點文件”→分別對應添加測量成果(包含等高線，高程點，高程塊等)。選中新創(chuàng)建的地形曲面，“對象查看器”可視化窗口檢查地形曲面是否存在地形錯誤，可通過“編輯曲面”→“刪除點”或“刪除直線”的方法，刪除有誤的地形高程點或等高線。檢查“曲面特性”→“定義”→“生成”，顯示高程范圍。如果該范圍值超出了該片區(qū)域地形合理高程值，可通過“排除小于(大于)此值的高程”，修正地形曲面。

2) 劃定溝口分界線

結(jié)合地形，地類，地物，水文等資料，選取合適的荒溝作為棄渣場地。根據(jù)溝道地形，面積，渣量，在溝口位置劃定分界線；并將其轉(zhuǎn)化成要素線，賦值渣頂高程。

3) 創(chuàng)建設計曲面

設計曲面包括渣頂平臺曲面和斜坡曲面：① 渣頂平臺曲面可通過創(chuàng)建曲面并添加溝口分界線和溝道內(nèi)與渣頂齊平的等高線作為特征線實現(xiàn)，需注意等高線在要素線處斷開；② 斜坡曲面采用Civil 3D放坡工具，選擇步驟2中要素線“放坡創(chuàng)建工具”→選擇放坡規(guī)則“曲面-挖填坡度”→選擇地形曲面作為“目標曲面”，并輸入坡度放坡→創(chuàng)建放坡曲面和體積曲面，放坡曲面即為斜坡曲面；③ 渣頂平臺曲面和斜坡曲面通過粘貼曲面功能形成設計曲面。

放坡體積工具可查看初擬高程和坡度下對應的棄渣場容積是否滿足堆渣需求。

4) 調(diào)整溝口分界線位置和高程

根據(jù)“二分法”數(shù)學原理，試算幾組渣頂平臺高程，創(chuàng)建相應設計曲面，復核渣量體積；能夠較為快速確定渣頂高程。此時再重復步驟3)，唯一不同的是放坡規(guī)則，由于為了快捷確定渣頂高程，可選擇“一坡到底”不含馬道的放坡規(guī)則。在確定渣頂高程后，開展較為詳細的設計工作時，選擇“距離-相對高程”的組合放坡規(guī)則，按照設計坡度和馬道層層放坡，創(chuàng)建設計曲面。

5) 劃定棄渣場征地范圍

選中設計曲面，點擊“分析”→“曲面之間最小距離”→選擇設計曲面和地形曲面，生成堆渣體坡腳線。最后預留管理范圍和擋渣墻，護坡等安全攔擋工程措施用地范圍的基礎上，劃定渣場征地范圍線。圖1為12#棄渣場平面設計示意，圖2為12#棄渣場三維效果示意。

圖1 12#棄渣場平面設計示意

圖2 12#棄渣場三維效果示意

2.3 坡地型渣場

1) 創(chuàng)建地形曲面

創(chuàng)建地形曲面并檢查曲面準確性同2.2步驟1)。

2) 劃定棄渣場范圍

棄渣場選址結(jié)合地形，地物，地類等因素，初步劃定棄渣場范圍。在預留管理范圍和擋渣墻，護坡等安全攔擋工程措施用地范圍的基礎上，確定渣體的坡腳線；將其轉(zhuǎn)化成要素線并對其高程賦值。具體步驟：“要素線”→“從對象創(chuàng)建要素線”選擇坡腳線→“指定高程”→“從曲面”中選擇地形曲面。從地形曲面獲取高程值時，勾選“插入中間坡度轉(zhuǎn)折點”功能，坡腳線會被重新添加許多轉(zhuǎn)折點。此操作提高精度，但放坡功能減弱。

3) “一次放坡”確定棄渣場渣頂平臺范圍和渣頂高程。

步驟2)得到的要素線按照“高程-坡度”規(guī)則自下而上放坡，利用放坡生成的曲面與地形曲面計算棄渣體積，逐步形成線→面→體的過程。

具體步驟：“創(chuàng)建放坡”→“放坡創(chuàng)建工具”→“選擇標準集”中選擇“目標：高程”→“高程-挖填坡度”→“創(chuàng)建放坡”→選擇坡腳線，輸入擬定高程和坡度，放坡→創(chuàng)建放坡曲面和體積曲面→“創(chuàng)建填充”選取渣頂區(qū)域→“放坡體積工具”查看該高程和坡度下對應的棄渣場容積；通過“編輯放坡”功能調(diào)整高程和坡度，渣體體積也實時動態(tài)更新。由于該步驟采用“一坡到頂”放坡形式，坡面并未設置馬道；因此，此處渣體體積應略大于棄渣場實際所需容積時，對應的渣頂高程值較為合適。在確定合適渣頂高程值后，多段線繪制得到棄渣場坡頂線，將其轉(zhuǎn)化成要素線并賦值渣頂高程。

4) “二次放坡”創(chuàng)建設計曲面

步驟3)得到渣場坡頂線選擇“距離-相對高程”的組合放坡規(guī)則進行“二次放坡”，按照設計坡度和馬道層層放坡，創(chuàng)建設計曲面。

5) 劃定棄渣場征地范圍

劃定棄渣場征地范圍步驟同2.2步驟3)。圖3為17#棄渣場平面設計示意，圖4為17#棄渣場三維效果示意。

圖3 17#棄渣場平面設計示意

圖4 17#棄渣場三維效果示意

3 結(jié)語

本文以新疆某長距離輸水隧洞工程12#和17#棄渣場為例，運用Civil 3D的曲面及放坡功能并結(jié)合溝道型和坡地型棄渣場各自特征，分別建立了動態(tài)堆渣體模型。結(jié)果顯示Civil 3D在隧洞工程棄渣場規(guī)劃設計的應用具有較好可操作性，較傳統(tǒng)土石方計算結(jié)果快速準確，三維可視化效果良好，可為類似工程提供借鑒。