河道清淤工程淤泥方量计算方法的探讨

2015-12-31陈良进

浙江水利科技 2015年1期

陈良进

(浙江省钱塘江管理局，浙江杭州 310016)

1 河道淤泥表、底高程的确定

淤泥的方量可以视为河道的2个体积之差，淤泥层表面至一个假定水位线SW的体积假设为VDIN，淤泥底至SW的体积假定为VDI，则淤泥的方量即是2个体积差V淤，V淤=VDI-VDIN。其中，淤泥顶层的高程通过测深仪获取，淤泥底层的高程值通过插杆法获取淤泥厚度计算得出。淤泥厚度的计算，用水下测量所用的比测花杆垂直下插淤泥测量，获取淤泥顶层1个读数HDIN、淤泥底层1个读数HDI，2个读数之差就是淤泥的厚度H。花杆须是直杆，杆上刻度均匀，以防花杆不达标对测量精度造成影响。

2 河道淤泥方量的计算方法

2.1 断面法

目前，河道沟渠土方量计算普遍用断面法。在地形图上，根据土方计算的范围，以一定的间距等分线路，将线路划分成若干个相互平行的横截面，按照设计高程与地面线所组成的断面图，计算每条断面线所围成的面积，再由相邻2个断面之间的距离算出相邻两断面间的体积，将各相邻断面的体积加起来，求出总体积，这种方法称为断面法。它不仅适用于面状地形，而且适用于带状、有坎地形，利用断面法计算淤泥方量，设计高程就等同于淤泥方量计算的假定水位线SW，淤泥面层、淤泥底层及水位线各组成一个断面，淤泥底层计算的容积淤泥面层计算的容积差就是淤泥的方量。

断面法计算原理:

式(1)中Vi为2个断面间的容积，m3;di，i+1为Ai、Ai+1两断面的间距，m;Ai、Ai+1为两断面面积，m2。公式(1)具有严格立体几何定义，要求两底面平行且相似，各条侧棱延长后交于一点(顶点)，两底面面积与顶点到各底面距离的平方成正比例。实际线路断面间几何体难以满足这些条件，但因其立体概念明确，理论严谨，工程条件近似时常使用［1］。

用断面法计算土方量，断面线的布设距离分隔要适当。距离太远时，外业工作量、内业计算工作量相应减少，但会降低精度;距离太近时，精度有保障，但外业和内业数据整理会增加不少工作量，不可取。

河道断面线的布设影响土方计算的精度，布设须遵循以下原则:①河道断面应选在河道平面形态显著变化处，断面应垂直于河道主流方向，以控制地形变化，正确反映淤积部位和形态，满足计算淤积的精度要求;②测算容积及冲淤量的河道断面设计，按照河道水库平面大势走向划分较长的区段，在各个区段确定走向方向线，以尽可能与方向线正交的方向平行地布设各断面，以便于断面间距的确定和计算公式的选择［2］;③当河道弯曲较大或宽、深变化较大时，应增加断面保证相邻断面间宽、深呈线性变化。

断面法2个相邻断面之间距离的确定，通常有以下几个方法:①断面线中点连接法;②两侧边线平均法;③断面线多点连接法;④断面形心连线法;⑤断面线中点垂线法。具体的断面线之间距离的确定看具体情况做出选择。

2.2 DEM法

数字地面模型 (Digital Terrain Model，DTM)是地貌形态的离散表示。地表任一特征内容如土壤类型、植被、高程等均可作为DTM的特征值。以高程为特征值的DTM称为数字高程模型 (Didital Elevation Mdoel，DEM)用 (x，y，z)数字形式坐标表达区域内的地貌形态。DEM不仅适用于各种工程规划和地形分析，也常用于土方工程量的计算。从技术上看，DEM技术直接使用原始数据，点密度大，DEM所提供的任意点高程精度高、剖面图的可信度高。

2.2.1 基本原理

DEM模型的土方量计算是根据实地测定的地面点坐标(X，Y，Z)和设计高程，通过生成三角网来计算每一个三棱锥的填挖方量，累加得到指定范围内填方和挖方的土方量，并绘出填挖方分界线。如果将DEM视为空间的曲面，填挖前后的2个DTM即为2个空间曲面，计算机可以自动计算2个曲面的交线，也可以用1个铅垂面同时对2个曲面任意切割，计算2个切割下来的曲面间空间的体积，确认土方计算的填挖交界线、填方量和挖方量。上面所说的DEM一般有2种表示方式，即基于规则格网的DEM(GridBased DEM)和基于三角网的DEM(Triangle Based DEM)。

2.2.2 土方量的计算

土方工程量是原始地表与设计地表之间的体积值，只需在计算区建立2个DTM，即1个原始地表DEM、1个设计地表DEM，根据2个DEM的差即可求出计算区的土方量。设原始地表DEM为DEM，设计地表DEM为DEMd，在相同的坐标原点和格网分辨率的条件下，将同一区域的DEM和DEMd进行叠加，可得一新的DEM，设为△DEM，则△DEM=DEM-DEMd，其分量表示式为:

式中:z(i，j)表示地表DEM的格网点高程，m;z(i，j)d表示设计DEM的格网点高程，m。对任一格网(i，j)，若△Z(i，j)＞0，则该格网为挖方;若△Z(i，j)＜0，则该格网为填方。设格网面积为A=dx×dy，则该格网处的土方量为V(i，j)=△Z(i，j)×A，分别对△Z(i，j)＞0和△Z(i，j)＜0)的数据进行累加，即可求得该区域的填挖方量［3］。

与断面法一样，DEM法计算河道淤泥方量可以理解为2个方量的差值。假定设计地表就是一个固定的水位线，原始地表有2个，1个是淤泥顶层，1个是淤泥底层。淤泥底层计算的方量值为VDI，淤泥顶层计算的方量值为VDIN，则淤泥的土方量V淤即为V淤=VDI-VDIN。

DEM的土方量计算法适用于任何情形，DEM的精度是影响土方量计算准确度的主要因素。DEM的实际精度主要由原始数据的采集误差和高程内插误差2方面决定。数据采集误差来自原始资料，采点设备、人为、坐标转换误差。数字高程模型DEM对土方计算具有重要意义，基于DEM的土方计算方法克服了传统方法作业人员计算量大、工作繁重、计算精度不高、容易出错等缺点，实现了土方量计算的计算机自动化［4］。

3 断面法和DEM法对比

目前河道淤泥土方计算普遍使用断面法，结合浙江省海盐县“五水共治”海盐县城河道清淤工程，浙江省钱塘江管理局勘测设计院对2种计算土方方法做了对比。选取1段500.00m长的河道，综合河道形状，宽度等各方面因素合理地布设断面线，通过各断面之间土方量的累加计算出土方量V1;DEM法利用南方CASS7.1计算，通过展高层点，将整理好的数据格式导入CASS7.1;选取数据建立三角网，通过固定面积边线计算设计高程分别与现有的淤泥顶层、淤泥底层之间的2个土方量数值，分2次计算，1次通过淤泥顶层数据计算得出VDIN，1次通过淤泥底层数据计算得出VDI，2次土方量计算的差值，即淤泥的土方量。通过计算，断面法计算土方数值为12.38m3，DEM法计算土方数值为13.72m3，断面法和DEM法计算的淤泥方量差值在5%～15%。考虑到断面之间淤泥厚度不均匀、DEM法计算的高程点不够密等都可能影响最终结果，实际的淤泥方量可能是2种计算方式得出的中间值，哪种方式计算更接近真实值，还有待验证。但是试验表明:DEM法不仅适用于岸上土方计算，在水下淤泥方量的计算中结合CASS7.1，也带来了意想不到的方便。