Civil 3D在新疆某長距離輸水隧洞工程棄渣場規(guī)劃設(shè)計(jì)的應(yīng)用

常 勝

(新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)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(jí)，次要建筑物為3級(jí)，臨時(shí)建筑物為4級(jí)。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(jiān)硬巖。

本工程遵循《水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)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(hù)，水土保持要求和當(dāng)?shù)爻青l(xiāng)建設(shè)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(diǎn)、地形特性及施工支洞的位置等條件，共設(shè)置17處棄渣場地；其中包含3級(jí)和4級(jí)渣場各6處，5級(jí)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(qiáng)風(fēng)化層厚度為3～5 m，弱風(fēng)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(qiáng)度為40.8～121 MPa，軟化系數(shù)為0.71，屬中～堅(jiān)硬巖；飽和抗剪強(qiáng)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(duì)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(qiáng)透水層。下覆巖性為石炭系片麻巖，強(qiáng)風(fēng)化層厚度為3～5 m，弱風(fēng)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(qiáng)度為64.3～171 MPa，軟化系數(shù)為0.67，屬堅(jiān)硬巖；飽和抗剪強(qiáng)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(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 51018—2014)[7]中棄渣場級(jí)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(duì)主體工程或環(huán)境造成危害的程度屬于5級(jí)(無危害)，確定其級(jí)別為4級(jí)。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(duì)主體工程或環(huán)境造成危害的程度屬于4級(jí)(較輕)，確定其級(jí)別為4級(jí)。

2 渣場規(guī)劃設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

Civil 3D憑借著三維動(dòng)態(tài)建模與設(shè)計(jì)，仿真分析和數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)鏈接等功能，使其被廣泛運(yùn)用于水利，市政，交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)的設(shè)計(jì)工作中。蘭立偉[1]等通過Civil 3D建立動(dòng)態(tài)土石壩壩體模型，并繪制斷面圖，計(jì)算壩體工程量。王奕欽[2]從曲面創(chuàng)建，裝配設(shè)置，曲線放樣，挖填方工程量計(jì)算等方面介紹了Civil 3D在雙曲拱壩建模中的應(yīng)用?？娬╗3]等提出了基于Civil 3D的水利水電工程施工總布置三維設(shè)計(jì)方法。陳接永[4]通過對(duì)BIM軟件研究，初步形成了一套可用于水?？睖y設(shè)計(jì)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(tái)，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(dòng)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(zhǔn)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(tái)和斜坡的分界線，高程值為渣頂高程；③ 創(chuàng)建設(shè)計(jì)曲面，并計(jì)算堆渣體積；該曲面由渣頂平臺(tái)和斜坡曲面兩部分構(gòu)成；④ 根據(jù)計(jì)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(chǔ)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(tái)地上，堆渣體底部高程高于河(溝)中棄渣場設(shè)防洪水位。堆渣體一般呈棱臺(tái)體，頂部為不規(guī)則幾何圖形平臺(tái)，平臺(tái)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(zhǔn)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(tái)范圍和渣頂高程；④ 根據(jù)步驟3得到的棄渣場平臺(tái)范圍和渣頂高程“二次放坡”，創(chuàng)建設(shè)計(jì)曲面，并計(jì)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(chǔ)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(duì)象”或“點(diǎn)文件”→分別對(duì)應(yīng)添加測量成果(包含等高線，高程點(diǎn)，高程塊等)。選中新創(chuàng)建的地形曲面，“對(duì)象查看器”可視化窗口檢查地形曲面是否存在地形錯(cuò)誤，可通過“編輯曲面”→“刪除點(diǎn)”或“刪除直線”的方法，刪除有誤的地形高程點(diǎn)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(shè)計(jì)曲面

設(shè)計(jì)曲面包括渣頂平臺(tái)曲面和斜坡曲面：① 渣頂平臺(tái)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(shí)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(biāo)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(tái)曲面和斜坡曲面通過粘貼曲面功能形成設(shè)計(jì)曲面。

放坡體積工具可查看初擬高程和坡度下對(duì)應(yīng)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(xué)原理，試算幾組渣頂平臺(tái)高程，創(chuàng)建相應(yīng)設(shè)計(jì)曲面，復(fù)核渣量體積；能夠較為快速確定渣頂高程。此時(shí)再重復(fù)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(xì)的設(shè)計(jì)工作時(shí)，選擇“距離-相對(duì)高程”的組合放坡規(guī)則，按照設(shè)計(jì)坡度和馬道層層放坡，創(chuàng)建設(shè)計(jì)曲面。

5) 劃定棄渣場征地范圍

選中設(shè)計(jì)曲面，點(diǎn)擊“分析”→“曲面之間最小距離”→選擇設(shè)計(jì)曲面和地形曲面，生成堆渣體坡腳線。最后預(yù)留管理范圍和擋渣墻，護(hù)坡等安全攔擋工程措施用地范圍的基礎(chǔ)上，劃定渣場征地范圍線。圖1為12#棄渣場平面設(shè)計(jì)示意，圖2為12#棄渣場三維效果示意。

圖1 12#棄渣場平面設(shè)計(jì)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(zhǔn)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(yù)留管理范圍和擋渣墻，護(hù)坡等安全攔擋工程措施用地范圍的基礎(chǔ)上，確定渣體的坡腳線；將其轉(zhuǎn)化成要素線并對(duì)其高程賦值。具體步驟：“要素線”→“從對(duì)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(shí)，勾選“插入中間坡度轉(zhuǎn)折點(diǎn)”功能，坡腳線會(huì)被重新添加許多轉(zhuǎn)折點(diǎn)。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(tái)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)集”中選擇“目標(biāo)：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(duì)應(yīng)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(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)更新。由于該步驟采用“一坡到頂”放坡形式，坡面并未設(shè)置馬道；因此，此處渣體體積應(yīng)略大于棄渣場實(shí)際所需容積時(shí)，對(duì)應(yīng)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(shè)計(jì)曲面

步驟3)得到渣場坡頂線選擇“距離-相對(duì)高程”的組合放坡規(guī)則進(jìn)行“二次放坡”，按照設(shè)計(jì)坡度和馬道層層放坡，創(chuàng)建設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)示意，圖4為17#棄渣場三維效果示意。

圖3 17#棄渣場平面設(shè)計(jì)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(yùn)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(dòng)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(shè)計(jì)的應(yīng)用具有較好可操作性，較傳統(tǒng)土石方計(jì)算結(jié)果快速準(zhǔn)確，三維可視化效果良好，可為類似工程提供借鑒。