区域土石方平衡法在丘陵地区设计道路标高中的应用研究

谢宏全,文绍勇

(1.淮海工学院测绘工程学院,江苏连云港 222005;2.秀山国兴土地开发有限公司,重庆 409900)

区域土石方平衡法在丘陵地区设计道路标高中的应用研究

谢宏全1,文绍勇2

(1.淮海工学院测绘工程学院,江苏连云港 222005;2.秀山国兴土地开发有限公司,重庆 409900)

在对常规方法设计高程简要的基础上,对利用区域土石方平衡法设计道路标高的全过程进行阐述,最后总结确定道路标高时应注意的问题。试验结果表明,该方法与规划区的地形结合设计城市道路高程可以较好地减少城市建设投资成本,且不会对城市景观与城市运行成本产生影响。

土石方平衡法;丘陵地区;土方平衡高度;道路设计标高

一般而言,城市建设的土石方工程的平场设计标高都会以市政道路的设计标高作为依据进行设计。市政道路设计标高的高与低直接影响到城市建设的土石方平场工程量,也将影响到整个城市建设成本,同时较大工程量的土石方工程也会对水土流失、环境保护产生影响[1],因此合理的城市道路设计标高是减少城市开发建设成本的有效途径之一。当前道路设计主要考虑的是道路设计范围内的土石方平衡问题,以及市政道路管控区内的排水问题,并未将市政道路所围成的城市开发建设用地的场平土石方工程量作为市政道路标高设计综合考虑因素,因此极易形成市政道路两侧的开发地或挖方大于填方,或填方大于挖方,尤其是在丘陵和山区极易形成大填大挖的情况。本文设定一个土石方平衡的区域,在本区域内实现道路及开发建设用地土石方总量的区域平衡,同时兼顾道路与原有城市道路的衔接问题及市政管网排污、排水问题。以重庆市秀山县城规划区内某区域为例来进行探讨。

一、常规方法设计高程的土石方计算

由于设计的主要目的是大范围的土石方平衡标高,不是作实际的土石方量计算,因此利用原有地形图可以得到该片区的地形相关数据。由于该片区的地形测量的精度基本一致,则其挖填平衡后的挖方与填方的相对误差也基本一致,仍可以认为挖填是基本平衡的。因此可以采用该片区的现状地形图作为设计基础资料,而不必另外实测采集地形数据。

按照原有设计高程来进行建设用地的平场时,首先计算要产生的土石方工程量,道路节点的设计标高如图 1所示。将道路节点的高程值用手工输入的方法输入对应的坐标点上,形成设计高程地形数据。通过 DTM数据内插的方法进行加密,可以得到一个平场设计面,通过计算基础地形与设计面之间的土石方工程量,可以得到平场的土石方工程量[2]。采用南方 CASS方格网法计算,该片区土石方工程量为挖方 2 242 465.8m3,填方 717 339.2m3。很显然,挖方大于填方,在暂不考虑回填压实度情况下,该片区将外运弃土 1 525 126.6m3。

图 1 道路节点的设计标高

二、区域土石方平衡法设计道路标高过程

1.区域土石方平衡法计算土石方工程量

利用南方 CASS软件中的区域土石方平衡方法计算该片区土石方平衡时的高程值及土石方平衡的工程量,计算结果如表 1所示。由表 1可以看出,土石方挖填平衡的设计标高是 369.321 m,土石方工程量是 1 991 628m3,比原控规少挖 250 837.8m3。如果在土石方平衡的基础上根据实际地形作出微调工程量会更低。

表 1 三角网法土石方计算结果表

2.修改设计高程后的土石方工程量计算

通过计算可知区域土石方平衡的高度是369.621m(设其为 H),根据规划道路与现有道路的接口处的标高,可以确定接入该区域的道路入口处标高 (设定为 H1)。将设计区域按照 50m的方格网分割,并设定中间设计标高为 H,通过中间高程 H与接口处高程 H1的高差与距离,计算出坡度,并以此类推计算出道路设计坡度。根据各接口处到设计场地中央的坡度,推算出各接口到设计场地中央的各点的设计高程。并以此坡度延伸至设计边界,可得出场地内一条或者数条设计高程线 (如图 2所示)。

图 2 设计高程线示意图

按照此高程线横向延伸可得出该片区的土石方平衡的初步场设计高程。同时将拟设计高程布设在原地形图上,通过计算与最近各道路接口处的坡度关系并结合实际地形做相应的调整。将初步平场设计高程按原设计坐标输入初步设计地形图,并通过计算初步设计高程的土石方平衡高度 H1(368.406m)来确定初步设计高程值与土石方平衡H的差值 H1差,即 H-H1=369.621-368.406=1.215m,然后根据差值对设计高程作相应的调整。根据上述数据,需将确定高程边缘设计高程调高约2.5m(接口高程不能变化,则需要将设计高程调高2H1差),才能保持平衡,同时考虑到实际地形因素和设计道路坡度因素,可以考虑在道路上设置变坡点,即除了考虑在边缘设计高程增加外,还可以考虑在场地中部提高变化高程值。将修改后的设计高程再作一次土石方平衡计算,并根据计算出的 H1与 H的差值再作一次相应的调整,使 H1≥H,注意H1不应过大于 H,以不超过 0.2 m为宜。因为考虑到回填压实度及开发地地下室及基础开挖,所以 H1可以略大于 H。经过二次修改设计高程后的土石方平衡计算结果如表 2所示。

表 2 三角网法土石方计算结果表

3.设计地形图绘制

经过二次修改设计,设计的高程其土石方平衡高度 H1=H。该设计方案基本可以实现该区域土石方平衡。通过将设计成熟的设计标高采用 DTM内插加密的方式对该片区的设计高程加密,并可得到各道路交叉点的设计高程。根据现状地形将各道路交叉点的设计高程作最后一次微调,在保证市政道路坡度与排水的情况下,调整该点与周围主要控制范围内的地形的差值,以最大限度地减少挖方与填方。最后以剔除道路交叉点外的辅助设计高程,并绘制出按现行设计高程得出的设计地形图 (如图 3所示)[3]。从图 3可以看出整个设计的坡度与城市排水是可行的,且对城市未来的景观不会产生大的影响。

图 3 设计地形图

4.土石方平场计算

以各道路交叉点高程作为加密基础高程,将设计区域的设计高程进行加密。将加密的设计高程绘制成一个三角网作为土石方预算的成型设计面,并计算出现状地形与将设计高程值提高的土石方平场计算结果,该片区的土石方总挖方为1 303 008.8m3,总填方为 1 394 188.2 m3,出于开发建设用地开挖地下停车场、回填碾压的压实度以及道路施工换填及道路建设材料铺设所增加的整体方量,认为回填方略大于挖方的这个场地平整方案是可行的。

通过上述的土石方计算可以看出,根据土石方平衡方法设计道路标高,整个场地的平场土石方的总挖方的 1 303 008.8m3,总填方为 1 394 188.2m3,与原控规预算的土石方量挖方 2 242 465.8m3,填方717 339.2m3相比较,挖方减少 939 457m3。填方增加 676 849 m3容量。按照场地内转运挖方500 m运距 14.5元 /m3,回填碾压 5.5元 /m3,外运方量按照1 200 m运距 15.5元/m3,弃土场租赁费用按照 3元/m3计算。原控规方案土石方平场预算如表 3所示,土石方平衡道路设计方案的平场预算如表 4[4]所示。

表 3 原控规方案土石方平场预算表

表 4 土石方平衡道路设计方案的平场预算表

由表 3与表 4可知,采用土石方平衡法来设计控规道路的设计高程比原控规方案至少要节约城市建设投资 1 650.14万元。可见,区域土石方平衡法与规划区的地形结合来设计城市道路高程可以较好地减少城市建设投资成本,且不会对城市景观与城市运行成本产生影响。

最后根据设计平面的 DTM数据内插可得修改后的道路节点设计高程成果 (如图 4所示)。

图 4 土石方平衡方法设计道路节点高程成果图

5.确定道路标高时注意问题

在利用土石方平衡确定区域道路标高时,要注意以下几个问题。

1)如果发现整个区域内出现四周高中部低的情况,要及时作出相应调整,确保城市排水通畅;

2)根据地形图,对区域内的低洼地和小山坡范围的标高进行适当的微调,以尽量减少挖方和填方量;

3)道路的坡度不宜过大,不超过 3%的坡度;

4)本方法主要针对新区开发的控规,对旧城区主要还是依据原有地形地貌,在尽量不改变原有地貌的情况下设计;

5)确定高程时候注意城市排水系统的一致性[5]。

三、结束语

土石方平衡法与现行城市道路设计方法主要区别就是在于土石方平衡法将规划道路控制区内的所有用地的平场都考虑在道路设计标高内,而现行道路设计标高方法主要考虑道路范围内的土石方平衡,虽有局限,但相对简易,土石方平衡方法则相对较为繁琐。但从整个城市建设成本来看,此方法可以有效地减少城市建设成本,减少城市的大气污染、粉尘污染、噪音污染,符合我国建设绿色 GDP的总体构想。因此,考虑到整个城市建设发展的可持续性,采用土石方平衡法来确定道路设计标高是可行的、必要的。大范围的城市控规道路设计可以将大范围的设计区域分成若干个较小区域来进行设计,也可以将整个区域范围纳入来进行统筹设计。

[1]范东明.道路横断面成图及土石方计算软件系统的关键技术[J].测绘通报,2004(5):47-48.

[2]徐伟声.利用 CASS软件计算土石方 [J].湖北民族学院学报:自然科学版,2008,26(1):118-120.

[3]毛新平,孙克南,赵小宇.利用地形图对土地平整等工作土石方量计算方法探析 [J].河北林业科技,2008(5):40-41.

[4]包中进,陆芳春.山区性城市建设中土石方优化配置探讨[J].水土保持研究,2005,12(2):147-148.

[5]北京市市政设计研究院.CJJ 37—90城市道路设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,1991.

Research on Regional Earthwork Equilibrium Method in Road Elevation Design of Hilly Areas

XIE Hongquan,WEN Shaoyong

2010-05-20

谢宏全 (1964—),男,辽宁葫芦岛人,博士,教授,主要从事 3S集成应用和遥感信息工程方面的教学和科研工作。

0494-0911(2011)02-0039-03

P258

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