浙东山地区域场地平整标高优化方法研究

杨艳婷，舒 恺，姚 艳，周东杰，刘 洋

宁波市电力设计院有限公司，浙江 宁波 315200

1 场地平整标高概述

1.1 场地平整标高的基本概念

平整标高是平整场地的基础，贯穿于场地土方工程优化的整个过程，也是场地垂直布局至关重要的环节。依据工程场地的自然地形条件及场地建设要求确定的场地平整后的高度，才能确定构筑物的每个控制点的设计高度和各种运输路线的交界处的主要设计高程。场地平整标高的确定与土石方工程量的计算过程存在着极大的关系，土石方量的计算过程是整个山地区域土石方工程的重要经济指标。合理确定场地平整标高，对优化土石方工程量、节约企业用地、节省土建投资、加快工程建设进度具有重要影响。在场地平整工程设计中，常使用最小二乘法来计算过程场地平整标高，土石方工程量计算过程方法最常用的是方格网法，其计算过程前提是土石方工程量的土石方填挖平衡，而最小二乘法的使用可以使得在对场地平整标高的主要影响因素存在特定限定的条件的要求下，在土石方工程量达到最小的情况下，符合场地平整标高计算过程结果，并在符合场地排水坡度要求的同时避免大规模填挖，使填挖方量最小。通常，在满足场地平整要求的前提下，基于总体规划设计和竖向布置，考虑场地表面土层平整、回填土和土壤松散系数，初步确定场地平整标高度以进行填充和挖方，场地开挖达到基本平衡后绘制初始找平图，然后根据每个基坑的土石方量计算填充填土的高度，在现场的初始平整标高的基础上调整水平，并确定每个构筑物的设计标高。基坑土石方量主要包括建筑物、构筑物和设备基础、地下结构、道路、排水管线沟槽等的土石方量。每个基坑中的土石方量的数量与建筑项目中使用的生产设备、气候条件、建筑工地所在区域的位置以及工地的地质条件有关。

1.2 场地平整标高的主要影响因素

（1）场地的设计排水坡度应大于3‰，确定道路标高时，应将雨水从建筑物和构筑物侧面的阔沟渠排到道路上，应特别注意大坡度区域的防洪排涝设计。

（2）减少用于建筑和结构基础以及用于基坑的土石方工程量，使填方和开挖的土石方工程量基本平衡，利用地形并注意避免在地形变化较大的山区进行大规模填挖。

（3）建筑和设备基础和管沟的设计标高至少应高于地下洪水位。场地地下水位较高时勿开挖，以免地下水位相对增加，基础设施投资增加，破坏施工条件。当地水位很低时，可以在小范围内适当开挖，以增加场地的地基承载力，减小地基的埋深和断面尺寸。

（4）合理使用基坑中剩余的土壤可以减少地基的埋深。对于填土区，由于开挖后土壤的孔隙度大于原始土石的孔隙度，应充分考虑土壤的疏松性。

（5）场地平整标高必须保证与场地外道路的合理连接，使场内外道路连接平顺，以利于场区内外的运输。

1.3 场地平整标高的重要性

场地的自然地形通常是多种多样的，其总体布局难以满足各种建筑物和构筑物、运输线路和场地雨水排水的设计标高要求，因此必须根据总体规划设计的技术来修改场地的自然地形。竖向放置场时需确定场地的标高，这是在山地区域进行土方工程的先决条件。只有确定场地平整标高，才能有效地进行山地区域的土石方计算以及确定其他建筑物、构筑物和道路的标高。场地的基础平整是在合理场地平整标高的基础上进行的，以使场地平整适应建筑物和构筑物的垂直布置要求，满足技术工艺和运输技术条件，并迅速排干场地的雨水。若设计不科学、不合理，将会使获得的土石方量的准确性降低，导致填土和挖掘量增加，并造成填土和挖掘的不平衡，将影响施工进度并增加基础设施的投资量。因此，确定场地平整标高是山地区域土石方工程的关键。这直接关系到投资的经济性以及土地是否充足和合理地利用，是否使用以及是否满足各种建筑物和结构的功能和技术条件。

2 常用的场地平整标高计算方法

2.1 方格网法

方格网法的原理是在设计现场建立用于场地平整和高程计算过程的坐标系；沿着坐标系的基轴，坐标轴应垂直于或平行于站点上大多数建筑物和结构的轴，并应选择基点的布局。根据不同的精度要求确定网格边长的值；在网格的每个角上标记自然标高，再根据改进的最小二乘法确定场地的水平标高，进一步确定施工高度，计算出在该过程中填充和挖掘的土石方量。

2.2 断面法

断面法的原理是确定找平区域，并根据自然标高布置剖面线；在每个断面部分上绘制假定的场地平整标高，它应在剖面分布区域内并且低于原始自然地面的最低点，这样方便计算过程中水准控制点的每个点的高度；计算过程中每个部分的填方和开挖面积，然后计算出填方和开挖工作量。

2.3 最小二乘法

最小二乘法是一种工程上常用的优化算法，通过对数据点的误差求最小平方进而计算出该组数据的最佳拟合函数，可在保持场地土石方填挖平衡的同时使土石方工程量减到最小，但实际获得的场地平整标高应考虑是否符合最低洪水位、场地排水坡度及避免大规模填挖的要求。

3 场地平整标高优化方法

在山地区域土木工程中，确定场地平整标高度不仅会影响土石方工程量和工程投资的计算过程，而且会影响技术过程以及公路和铁路运输，因而引起了设计人员越来越多的关注。

场地设计标高应力求土石方最小，并使填挖量达到或接近平衡。为了满足场地的排水要求，通常会使场地具有一定坡度，便于水的排放。在满足总设计要求后，还需保证交通运输便利，且场地标高的确定还应与建设项目的道路、排水设施等连接点的标高互相适应。若原地形较为平缓，在对场地设计标高没有特殊要求的情况下，一般按照挖填土方量相等原则确定场地设计标高。按传统方法求出的设计平面只能达到填挖量平衡的要求，但却难以使土石方量降到最少，从而增加工程造价。应用最小二乘法的原理求最佳设计平面标高，不仅可满足土方挖填平衡要求，还可使土石方的总工程量最少，从而优化最小二乘法确定的场地平整标高，使其满足土石方开挖平衡和最小土石方工程量的要求。因此，文章基于改进的最小二乘方法对场地平整标高进行优化，使场地平整标高满足预期的约束条件，使其能够很好地应用于工程实践中。

3.1 改进最小二乘法优化场地平整标高模型

最小二乘法可优化场地的平整高度。在优化过程中，应符合土石方平衡开挖原理和土石方最小开挖量原则。但是，大规模的山区容易进行大规模的填埋和挖掘。为避免此种情况，基于最小二乘法对场地平整标高进行优化，以改善其约束条件。为了获得最佳的场地找平高度，有必要使场地范围内所存在的场地平整标高或微体积的土石方工程量达到最小，即其平方和达到最小：

目标函数：

山区地形起伏较大，因此有很多开挖和深层填土。传统最小二乘法获得的场地平整高程约束条件没有考虑避免大规模填土和开挖，文章基于约束条件得到了改善。

改进后约束条件：

式中：m、n、p、q为平整场地内方向上允许坡度限值；Z高为平整场地范围内允许标高最低限值；Z低为平整场地范围内允许标高最高限值。

3.2 改进最小二乘法优化场地平整标高算例

在一个面积为40m×40m的场地上，各点的间距为10m，横向坡度取值为0.5%～3%，纵向坡度取值为0.5%～2%，使确定的场地平整标高尽量符合山地区域土石方工程基本要求，并符合填挖方量基本平衡、土石方工程量最少及避免大规模填挖的要求。应用上述改进最小二乘法进行优化处理。

计算结果显示，对于施工高度调整系数的取值，在不同的地形条件下，依据改进最小二乘法的目标函数及约束条件，应进行分析计算。与应用传统方法获得的结果进行对比，应用改进算法不仅可以满足山地区域土石方工程的基本要求，且能实现填挖土石方工程量基本平衡，同时避免场地土石方的大规模填挖。

4 结论

对于土木工程施工来说，土地平整是一项尤为重要的工作，是工程动工的第一步，也是关键的一步，关系着工程项目的投资金额和施工方案，其完成质量直接影响后续施工能否正常进行。因此，必须做好场地平整施工与管理工作，使工程项目与场地融合成有机的整体，从而提高土地利用效率和工程质量。