三維礦業工程軟件優化挖填土石方的方法

田昌貴，朱志林，肖 雪，黃良取，李 明，汪振東

（武漢工程大學環境與城市建設學院，湖北 武漢 430074）

0 引 言

當前信息技術中計算機處理速度和處理能力發展迅猛，為數字礦山提供了強大的技術支持.數字礦山的興起，賦予了礦山三維可視化技術新的意義與發展空間.三維可視化是實現數字礦山戰略的關鍵技術，要真正實現礦山數字化，就必須以3DMine為基礎［1］.3DMine礦業工程軟件是我國第一款擁有自主知識產權、功能齊全、全中文界面、操作簡便、兼容性強，達到國外同類軟件可視化效果、模塊功能、符合國際行業規范且易于操作的三維礦業工程軟件系統.3DMine礦業工程軟件的研發，打破了國外同類軟件長期壟斷的局面，為我國礦業和建筑行業實現信息化和數字化提供了專業的軟件平臺.它的發展和應用情況標志著我們國家礦業和建筑業的現代化水平［2－3］.

工程項目建設中經常會涉及到土石方的開挖和填埋，合理的開挖和填埋不僅能節約投資，而且能響應黨中央提出的“環境友好型”的號召.利用3Dmine建立土石方挖填的三維模型，通過表面體積計算中的三角網法、網格法、斷面法、區域土方平衡法來分析和計算土石方的開挖量和填埋量，根據不同的土壤松散系數設計出區域土方平衡標高，能優化土石方挖、填［4］.

1 三角網法

三角網法是用坐標（x，y，z）的數字形式來表達區域內的地貌形態，以微縮的形式再現了地表形態高低起伏的變化特征，具有直觀、形象、精確等特點，適用于所有的地形，并且計量的精度相當高.

打開3DMine軟件，從文件中調入已經建立好的面1.3dm和面2.3dm，然后調整z坐標使兩個面相交.在面1.3dm上畫一個任意閉合的邊界線，即要計算的區域的邊界線，該邊界線在xy平面的投影內要確保面1.3dm和面2.3dm有相交部分，其z坐標并不重要，只要確定平面坐標就行.打開表面體積計算中的三角網法，會彈出兩個DTM［5］之間體積計算的對話框，點擊生成實體、打印報告、計算閉合線內的量，然后根據提示來操作即可得出如圖1所示的挖方填方三維模型（第一層為填方部分，第三層為挖方部分）和如圖2所示的工程量計算報告.

從圖1挖方填方三維模型和圖2工程量計算報告可知三角網法有以下優點：

a.三角網中線的分布結構和密度完全與地表的特征協調，不改變原始數據，能很好地適應工程體不規則、起伏較大地形，從而將地表的特征呈現出來，而且土石方計算精度也較高.

圖1 挖方填方三維模型（第一層為填方部分，第三層為挖方部分）Fig.1 Cut－and－fill three－dimensional model（the first layer is fill section，the third layer is cut section）

圖2 工程量計算報告Fig.2 Engineering calculation report

b.能夠插入地性線保存其原有關鍵的地貌特征，坡地的坡肩、坡根為明顯的沿地性線.對工程位置測量，并考慮到地性線生成三角網時，可真實直觀的反映每個臺階坡面的形狀.

c.利用三角網建立DTM三維模型計算土石方量精度較高，在設計地表十分不規則的時候，用其他的方法很難精確計算出挖、填土石方量.而利用三角網法，可以建立設計地表DTM三維模型，當建立原始地表DTM的數據精確，且所構建的三角網趨于無窮多時，可以重現土石方量的地表形態與特征，與實際工程體最為接近，因此計算的土石方量最優.這是其他幾種方法所不能做到的［6］.

2 網格法

網格法的原理就是把工作區域分成N個網格，這些網格都是以s為底面積，以每個方格四個角的地平線高程和設計高程差的平均值Hi為高的長方體，N個長方體的總體積和就是要挖（填）的土石方量.其中N＝S總／S，S總為整個工作區的投影面積，其公式簡化為

網格法主要適用于平坦地區及高程差相差不是很大的地區，對于高程差大的網格，可以通過加密其網格的辦法提高該方法的計算精度.網格法優點在于方格網的底面積是定值s，計算Vi＝SHi簡單.網格法只適用于平坦場地，或是經過施工后高程差相差很小的地形.

網格法不能直觀的根據對象來選擇線和面，這里需要事先建立好挖填的線和面.頂部DTM選擇三角網法里面的面1.3dm，底部DTM選擇三角網法里面的面2.3dm，邊界文件選擇已經事先編輯好的邊界線3ds.打開表面體積計算中的網格法，輸入上面的計算范圍.在對話框中找到“網格密度”，“網格密度”越小，計算的精度就會越高，“網格密度”的大小同樣也會影響計算的速度.對話框中的“最小厚度”指兩個面之間小于所設置的厚度時不進行體積計算.該方法可以進行分層報量，這里不需要使用這個功能.這個方法中同樣可以創建實體和生成打印文件.完成上面的步驟后，3DMine生成如表1所示的工程量計算驗收單和圖3所示的計算三維模型.

表1 工程量計算驗收單Table 1 Engineering calculation acceptance of a single

在表1的工程量計算驗收單里顯示有各個區域的挖方量、填方量、填挖總量，從各個區域的挖方量、填方量、填挖總量、合計量可以選擇出該土石方工程合理的投資和設計方案，用來減少該項目的工程量.

圖3三維模型中給出的是計算體積的部分，圖3是由一系列的柱狀體組成的，設置的網格密度是讓該土石方按照一系列的柱狀體來填充兩個面之間的部分來計算其體積，柱狀體平面面積的的邊長就是我們所設置的網格密度.

3 斷面法

斷面法是測定條形地帶和沿線路的縱橫斷面，依靠設計線和實測斷面線來計算每條斷面的面積，根據斷面與相鄰斷面的距離來計算該相鄰斷面的挖、填土石方量，再累加計算每條線路的挖方、填方量.用平行截取的斷面來描述地貌形態，然后利用斷面的面積及相應的數學公式

圖3 計算三維模型Fig.3 Three－dimensional calculation model

來進行土石方量的計算.斷面法的優點是：斷面的數據容易采集，計算方法多樣且簡便，適用于特別復雜的帶狀地形場地.

清空屏幕后重新調入面1.3dm和2.3dm，打開表面體積計算中的斷面法，該方法與網格法有一定的相似處，只是斷面的分法有些不同，其優點是設計出的方案施工起來更加方便，缺點是其計算的精度沒有網格法高.在使用斷面法前，要把兩個面重疊之間的交線算出來.打開表面里面的兩DTM之間交線，然后按照屏幕上的提示進行操作，即可求出兩面重疊之間的交線，生成的白色閉合曲線就是要求的交線.斷面法就是計算該交線之內的體積.

打開表面體積計算中的斷面法，然后彈出相應的對話框，該對話框上有斷面間距、斷面切線方位角、輸出斷面圖、計算閉合線內的量等選項.斷面間距設置的越小其計算的值越精確；按照體積最佳方向設置一個方位角來切割這個剖面；輸出剖面圖可以選擇輸出一部分和全部的剖面，斷面圖間隔設置為1的時候就是輸出全部的剖面，每列剖面數目暫時設置為5.確定之后根據屏幕的提示來進行操作，然后再放入剖面圖，這樣就計算出體積報告中不同剖面的體積量.每一個剖面上的挖方面積、填方面積、挖方體積、填方體積以及剖面總數、挖方總體積、填方總體積在斷面體積報告中都有顯示.如圖4～6及表2所示.

圖4 總斷面示意圖Fig.4 Total cross section diagram

圖5 各個斷面示意圖Fig.5 Sketch of each profile

圖6 斷面10的示意圖Fig.6 Schematic of section 10

從圖4、圖5和表2可知該土石方被切成16個剖面，每個剖面的工程量大小都不一樣，通過斷面號可以在圖4中查看該斷面的形狀，在表2中查找出該斷面的挖方面積、填方面積、挖方體積、填方體積以及總挖方體積和總填方體積.

表2 各個斷面挖、填詳表Table 2 The cut－and－fill in the details section

4 區域土方平衡

在工程項目中，如果在土石方項目中能夠達到平衡，便可以節約很多運費和勞動力，而在3DMine軟件中很容易就能讓該想法得到實現，并且可以運用到極致，而該方法也很容易理解和掌握.區域土方平衡法的最終目的就是幫我們在考慮填方平均松散系數、向上擴展邊坡角、向下擴展邊坡角的情況下計算出一個經濟合理的高程使得挖出的土石方剛好可以用來填埋［7－8］.

打開文件調入已經建立好的面1.3dm，轉入xy平面后進行操作.在面1.3dm上畫一個將要進行操作的面，大小和面積自己設置，該面就是要挖填建立的平臺，也就是說當把這個標高設置在哪個位置的時候，挖出的土方正好把需要填的地方填平，達到一個區域的土方平衡.打開表面體積計算中的區域土方平衡，在彈出的對話框中，將填方松散系數設置為一個合理的值，設置填方松散系數主要是考慮到土石方在開挖后再用來填埋其體積就會變大，這里設置為常用的平均值1.1.設置的這個平臺上面和下面都是有邊坡角的，也就是所指的擴展邊坡，該邊坡也要設置合理，否則等到平臺建立好后會帶來不必要的像滑坡、泥石流等這樣的地質災害，造成一定的經濟損失.這里將向上的邊坡角設置為60°，向下的邊坡角設置為45°.線內插點，當擴展時加密一些點，使這個點擴展的線條更加完美的符合到表面上，從而更貼近地形，這里內插點距離設置為5.確定之后根據提示來選擇邊界線和面，然后在界面的信息欄中就給出了挖方量，填方量，設計標高［9－13］，如圖7所示.

圖7 區域土方平衡三維模型（上部圓形為填方部分，下部圓形為挖方部分）Fig.7 Regional earthwork balance three－dimensional model（upper circle to fill，lower circular cut section）

從圖7可知，當把標高設計為290.39m的時候，挖方和填方能達到平衡，而此時的挖方量＝6232258.18m3，填方量＝6855484.04m3.

5 結 語

綜上所述，隨著科學技術的進步，土石方挖填建模是礦山數字化中重要的一步，也是基礎的一步.土石方的開挖，特別是在考慮開挖和填埋平衡設計標高時，使用3DMine礦業工程軟件表面體積計算中的四個方法無疑會給我們帶來很大的方便.在計算兩個面之間的體積時選擇三角網法；設計不同且數目較多的開挖剖面以及想確定每個斷面的剖面圖和工程量時選擇網格法和斷面法；設計經濟合理的標高來實現挖填平衡時選擇區域土方平衡法.這些方法合理的使用，會給工程設計和施工帶來一定的經濟效益.

［1］陳競文，吳仲雄，陳德炎.3DMine礦業工程軟件在構建五圩礦三維可視化模型中的應用［J］.現代礦業，2012，1（1）：4－7.CHEN Jingwen，WU Zhongxiong ，CHEN Deyan.Application of 3DMine Mining Industry Engineering Software on Wuwei Mine 3dVisualization Model Construction［J］.Express Information of Mining Industry，2012，1（1）：4－7.（in Chinese）

［2］胡建明.3DMine礦業軟件在地勘工作中的應用［J］.礦產勘查，2010，1（1）：78－80.HU Jianming.Application of 3DMine software on geological exploration［J］. Mineral Exploration，2010，1（1）：78－80.（in Chinese）

［3］楊建成，高超，曾廣然.生產建設項目土石方平衡探討［J］.中國水土保持，2012（5）：62－65.

［4］吳光玲，李守杰.3DMine在建立空區和殘礦模型中的應用［J］.現代礦業，2010（9）：15－17.WU Guangling，LI Shoujie.Application of 3DMine in the Establishment of Model of Goaf and Remnant Ore［J］.Express Information of Mining Industry.2010（9）：15－17.（in Chinese）

［5］楊秋俠，賈怡良，肖振文.臺階式場地平整的土方優化 ［J］.四川建筑科學研究，2011，37（3）：128－131.YANG Qiuxia，JIA Yiliang，XIAO Zhengwen.The optimization of earth quantity in stepped ground leveling［J］.Sichuan Building Science，2011，37（3）：128－131.（in Chinese）

［6］謝宗繁，王文貫.DTM模型法在土石方計算中的應用 ［J］.水利規劃與設計，2010（4）：34－35.

［7］鐘德云，胡柳青，吳國棟.基于3DMine軟件的露天礦開采設計［J］.現代礦業，2012（10）：11－14.ZHONG Deyun，HU Liuqing，WU Guodong.Openpit Mine Exploitation based on 3DMine Software［J］.Express Information of Mining Industry，2012（10）：11－14.（in Chinese）

［8］魯彥，朱巖，曲建國.建筑土方工程施工中設計標高的確定［J］.石油化工高等學校學報，2003，16（4）：83－86.LU Yan，ZHU Yan，QU Jianguo.Confirmation of Archtecture Earthwork Project in Construction Design Elevation［J］.Journal of Petrochemical Universities，2003，16（4）：83－86.（in Chinese）

［9］王祖東.路線設計中填挖平衡的再認識［J］.中外公路，2005（4）：18－21.

［10］李婷，葉海旺.基于3DMine大塘石灰石礦地質建模及露天開采境界設計［J］.礦冶工程，2012（32）：495－497.

［11］焦學軍，朱靜.基于3DMine小秦嶺金礦三維建模研究［J］.城市建設理論研究：電子版，2012（6）：1－8.

［12］羅先何，陳慶發，潘桂海.銅坑礦鋅多金屬礦體三維可視化模型構建［J］.新疆地質，2012，30（2）：235－237.LUO Xianwei，CHENG Qingfa1，PAN Guihai.Study on the 3DVisual Model Establishment of Zinc－Ploymetallic Ore Body of Tongkeng Mine［J］.Xinjiang Geology，2012，30（2）：235－237.（in Chinese）

［13］鐘德云，胡柳青.利用3DMine軟件進行露天礦境界優化［J］.金屬礦山，2012（1）：128－130.Zhong Deyun，Hu Liuqing.Optimization of the State of Open－pit Mine by Using 3DMine Software［J］.Metal Mine，2012（1）：128－130.（in Chinese）