AutoCAD Civil 3D軟件在棄渣場水土保持方案設計中的應用

畢豐華 高 巖

（甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司,甘肅 蘭州 730030）

水利部印發的《水土保持“十四五”實施方案》提出，“推動數字水保、智慧水保建設，加快數字信息技術與水土保持業務深度融合，健全以信息化監管為主要手段的新型監管方式，強化水土流失規律機理、生態價值、碳匯能力等基礎研究和科技攻關，強化科技成果轉化應用，以科技創新引領水土保持高質量發展”。以“數字化場景、智慧化模擬、精準化決策”為路徑，可以在傳統的設計思路及工作方法中尋求突破?；诖耍恼轮饕詶壴鼒隹睖y設計工作為例，展開AutoCAD Civil 3D技術在棄渣場設計中的運用研究，為相關從業人員提供參考。

1 AutoCAD Civil 3D軟件介紹

AutoCAD Civil 3D是一款制圖軟件，提供的樣式機制，使各企業組織可以自行定義 CAD 和設計標準，旨在面向土木工程設計與文檔編制的建筑信息模型（BIM）解決方案。AutoCAD Civil 3D能夠幫助從事交通運輸、土地開發和水利項目的土木工程專業人員保持協調一致，更輕松、更高效地探索設計方案，分析項目性能，并提供相互一致、更高質量的文檔。其界面如圖1所示。

由圖1可以發現，AutoCAD Civil 3D工具集和用戶界面中，利用了Autodesk Vault 的核心數據管理功能[1]。用戶可以在完全一致的環境中進行各種工作，該軟件提供了獨一無二的樣式機制，在軟件中直接可以制定等高線的顏色、間距、線型，利用最小二乘法平差和編輯測量觀測值，在橫斷面或縱斷面標注欄中顯示標簽，調整曲面、要素線、匯流、管網等設計要素，最終創建出地形模型，減少在項目周期內進行修改的次數，提高整個施工項目操作效率。AutoCAD Civil 3D軟件的使用流程如下。

圖1 AutoCAD Civil 3D啟動界面（2018版本）

1.1 勘測數據導入

直接導入原始勘測數據，系統將自動創建勘測圖形和曲面，技術應用人員可以發現并編輯相交的特征線，創建并編輯勘測圖形頂點，利用最小二乘法平差編輯勘測資料，生成能夠在項目中直接使用的點。利用AutoCAD Civi1 3D，借助曲面簡化工具，勘測圖形和曲面，充分利用航拍測量得出的數字高程模型，創建與源數據保持動態關系的智能對象，從而生成任意坡形曲面模型。

1.2 地塊布局和建模

利用AutoCAD Civil 3D軟件，用戶可以使用靈活的布局工具，按最小深度和寬度設計地塊布局[2]。實現流程的自動化，即使是在施工過程中地塊發生設計調整變更，系統也會自動測量偏移處正面的選項，臨近地塊會自動反映變更情況。

1.3 繪制剖面圖

使用多段線工具，點擊“從對象創建線路”，采用創建路線的方式繪制,選中“多段線”，之后添加“原始地形曲面”和“堆渣曲面”，生成堆渣斷面，調整堆渣斷面圖。

1.4 計算土方量和容渣量

利用復合體積算法或平均斷面算法，使用AutoCAD Civil 3D生成土方調配圖表[3]。快速地計算設計曲面（現有曲面）之間的土方量，便于分析適合的挖填距離，確定取土坑和棄土場，之后根據客戶需求制定設計規范，確定要移動的土方數量及移動方向，最終設計平面和縱斷面路線圖。

1.5 平面圖繪制

利用AutoCAD Civil 3D軟件，可以自動創建橫斷面圖、平面圖和縱斷面圖，其制圖功能豐富多樣，集中管理器會按照路線走向自動完成圖紙設計與布局，平面圖分幅向導（Plans Production）中全面集成的AutoCAD圖紙可以根據布局生成平面和縱斷面圖紙，同時生成項目中重要的地圖和圖例，如果相應圖紙比例和視圖方向變更，軟件中所有標簽也會立即更新和報告。

2 AutoCAD Civil 3D軟件的具體應用——以甘肅省引洮供水二期工程為例

2.1 甘肅省引洮供水二期工程概況

甘肅省引洮供水二期工程渠線總長約571 km，主要建設內容由1條總干渠、6 條干渠、2 條分干渠、18 條供水管線組成。其中，總干渠長度95 km，6條干渠及2條分干渠總長300 km，供水管線總長176 km?？偢汕瘘c高程2 089.79 m，末點高程2 011.86 m。本次工程沿線共布置隧洞171座，總長約370 km，項目施工以隧洞為主（包括農業灌溉面積29.2 萬畝），工程設計引水量3.13 億 m3，設計總工期70個月，總投資約為73.06 億元。在本次施工項目中沿線地貌主要為中低山丘陵區，植被類型為溫帶荒漠植被，項目區以中度水力侵蝕為主，因此工程沿線水土流失較嚴重，尤其是棄渣場部分。棄渣場基本情況如表1所示。

表1 棄渣場基本情況（部分）

棄渣來源為調水工程施工以及附近削坡所產生的多余土石方，棄渣堆放束窄了溝道，砂土、砂石和塊石可能危害到調水工程的運營安全，若遇暴雨，則不利于行洪安全。另外，棄渣本身立地條件較差，一旦出現水土流失，很難實現植被自然恢復。因此在施工過程中，首先應該對棄渣場進行建模和設計，通過三維視圖動態直觀地看到設計效果，快速編輯要素線，快速計算土石方量和工程量,最大限度地合理利用工程建筑物土石方開挖料，避免棄渣臨時性或永久性堆存在施工場地中，從而最大限度地防止水土流失，以此實現大型棄渣場的規劃設計。

2.2 棄渣量預測

通過查閱主體技術資料、設計圖紙等多種方法，工程設計人員和相關管理者對土方量進行預測，工程土石方總量645.29萬 m3，其中，填方440.84萬 m3，借方23.12萬 m3，挖方299.53萬 m3，棄方527.09 萬 m3，初步設計階段共設棄渣場242處，料渣場總占地面積為155.08 hm2，料渣總量為643.63萬 m3，根據棄渣場級別判定標準（見表2），判定本次施工棄渣場級別為Ⅱ級。

表2 棄渣場級別

2.3 棄渣場設計思路

2.3.1 原始數據處理

結合實測CGCS2000地形圖，將地形圖添加到C3D中，確定每級堆渣高度等，結合棄渣場地形設計邊坡比，確定溝道型棄渣場擋渣墻軸線位置，依據容渣量計算值進行靈活調整。

2.3.2 創建棄渣場三維地形

創建三維地形曲面，曲面主要有柵格曲面、三角網曲面、三角網體積曲面、柵格體積曲面[4]。柵格曲面適合大面積的區域規劃，三角網曲面適合高精度的土石方計算，然后根據現場踏勘初步選定的位置,創建三角網體積曲面計算土方，通過創建路線，繪制棄渣場剖面，根據土方計算結果調整要素線。

2.3.3 棄渣場容渣量計算

棄渣場作為水土流失最嚴重的一個分區，在線型項目水土保持工作中，必須對棄渣場進行重點監測，運用AutoCAD Civil 3D 軟件設計棄渣后三維效果圖（比例尺在1 ∶2 000以上），運用STAB（邊坡穩定程序）復核邊坡比，利用施工階段復核后的渣場所在位置的地形圖，依據棄渣場占地面積計算得出棄渣場渣頂的模糊高程，計算容納土石方，設置截排水溝。

3 設計方法

3.1 創建原始地形曲面和堆渣曲面，計算容渣量

AutoCAD Civil 3D 軟件在建模過程中，數據源主要有Landxml、GCD、DEM、DGX等[5]。設計人員應先對地形圖進行分析，在拿到棄渣場地形圖后看以上數據源是否有高程值，將無用的圖層關掉，編輯查看DGX和GCD是否在同一圖層，之后根據已有等高線的地形圖來創建地形曲面，利用AutoCAD Civil 3D中的“等高線”，對地形曲面進行先創建再定義，具體設計方法如下。

（1）在工具空間右鍵依次點擊“曲面”→“創建曲面”→曲面類型（彈出“創建曲面” 對話框）→指定曲面圖層→根據地形曲面描述，輸入曲面名稱→制定渲染材質和樣式→單擊“確定”。

（2）通過添加DGX來定義曲面[6]。根據地形情況選定渣場位置，勾選自動創建曲面和選擇體積基準曲面，也可以利用GCD、添加點、點編組、特征線、多段線等形式來定義曲面，其中DGX定義曲面步驟為：在工具欄中選定地形圖中的等高線，之后選擇類似對象（單擊右鍵），彈出原始地形曲面，單擊右鍵選擇等高線，選擇對象查看器，就可以查驗地形曲面效果，同時還應該排除錯差點（地形圖中出現的錯誤高程點）。通過選擇曲面，之后進入曲面特性，通過定義和生成，排除過高或過低的高程。

在創建堆渣曲面時，一般采用放坡的功能即可實現，對于復雜渣場，AutoCAD Civil 3D 放坡規則有限。因此，在構建曲面時應該采用多段線或要素線，根據棄渣場地質情況，對棄渣場巖土力學性質進行計算和設計，具體步驟如下。

（1）繪制一條帶高程的多段線或要素線，確定棄渣場底部擋土墻位置；

（2）構建放坡，繪制多段線或要素線，確定斷面；

（3）確定場地邊界范圍，結合最上一條要素線（也可以創建多段線形）和一條多段線形成閉合范圍，形成新的棄渣場曲面；

（4）創建體積邊坡曲面，將新舊棄渣場曲面對比，計算棄渣場容量，其中填方量即棄渣場的容渣量，根據實際施工現場調整要素線，重新創建“堆渣體積曲面”，根據土方計算結果調整要素線，直到棄渣場容渣量符合設計要求，此時棄渣場的設計基本完成。

3.2 繪制剖面圖并計算匯流面積，優化攔渣工程設計

采用創建路線的方式繪制，使用多段線工具，點擊“從對象創建線路”→生成路線“1”→在選擇選中多段線之后，點擊“曲面縱斷面”→添加“原始地形曲面”→點擊“縱斷面圖”→生成堆渣斷面→點擊“創建縱斷面圖”→調整堆渣斷面圖（棄渣場底部曲面即紅色線段部分，紅色數字為高程最高點和最低點）。隨后進行擋渣墻設計，棄渣場遵循“先攔后棄”的原則，渣堆坡腳采用擋墻擋護，基礎埋深1.3 m，墻高發生變化時，墻身尺寸以直線漸變過渡，擋渣墻每隔10 m設置一道2 cm伸縮縫，擋墻墻腳地面5 m范圍采用M10漿砌石防護，防止沖刷。擋渣墻墻身每隔2 m交錯設置泄水孔，防止泄水孔堵塞。隨后設計堆渣邊坡，根據渣腳擋渣墻斷面尺寸，對棄渣場擋渣墻進行抗滑性分析，來判斷堆放是否具有穩定性。設計人員利用力學簡化模型，對潛在破壞機制進行分析，判斷邊坡失穩性，使用AutoCAD Civil 3D 軟件得出塑性區變形圖，測算棄渣場整體安全系數，分析滑體分區及其受力狀態。對每一處棄渣場的面積、重力、抗滑力、下滑力、長度進行數據分析與計算，避免底部粉質黏土層出現滑移，防止坡腳位置先發生大變形，以此提高邊坡穩定性。

3.3 做好植被恢復，預防施工場地的水土流失

棄渣場為水土保持監測工作的重點地區，要想使得生態得到最大限度的保護，還應該在防治區做好植被恢復，種植適應性強、保水固土能力強的樹種。因此，在上游布設截水溝，截水溝下游布設沉沙池，棄渣場渣頂布設排水溝，溝口布設擋渣（土）墻工程項目的基礎上，進行場地平整、撒播草籽、灑水，以促使地表結皮，以此進一步預防水土流失。

4 結語

在《水土保持“十四五”實施方案》的指導下，我公司推行標準化增效、數字化賦能的新時期水土保持理念，結合公司業務實際，不斷探索、積極創新，展開了AutoCAD Civil 3D在棄渣場設計中的運用研究，依托AutoCAD Civil 3D自主研發完成棄渣場三維設計平臺，該平臺集渣場曲面創建、容渣量分析、攔渣工程設計、穩定性計算、排水措施設計、水文水力計算、植物措施設計、工程量計算、一鍵出圖等多功能于一體，實現二、三維一體化設計。該平臺可以避免因為地形資料錯誤而對工程設計造成的消極影響，且精度更高，時效性更強，對于提升水土保持從業人員決策設計水平，引領新時期水土保持行業高質量發展具有重要意義。