Autodesk Civil 3D 在大型弃渣场规划设计中的模拟研究

2022-06-23常胜

吉林水利 2022年3期

常胜

（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐 830000）

Autodesk Civil 3D 是业界认可的土木工程应用软件，在道路工程、场地、雨水/污水排放系统以及场地规划设计中通过建立三维动态工程模型，可以准确实现设计理念。三维模型中曲面、平纵横断面、标注等均以动态方式链接，可快速调整设计方案、更有助于评估和决策工作。

水利水电工程开发建设项目不可避免的产生了大量土石方弃渣，尽管在前期施工组织设计中通过土石方平衡计算，可最大限度地合理利用工程建筑物土石方开挖料用于填筑建筑物的回填区域，如施工道路填筑、施工场地平整等；但仍有部分渣料需运至弃渣场以解决临时性或永久性堆存问题。弃渣量多少及运距远近将直接影响工程造价；另外这些弃渣是主要的水土流失源。因此弃渣场规划设计成为水利设计项目中重要环节之一。新疆某水利工程位于山区河谷地形，河谷两岸山高坡陡，存在场地紧缺的问题；通过运用Autodesk Civil 3D 软件构建BIM 模型，快速准确地模拟堆渣方案和并计算堆渣量，以实现大型弃渣场的规划设计。

1 工程概况

新疆某水利工程等别为I 等工程，工程规模为大（1）型工程。工程渣料来源为石方洞挖料和进场道路开挖料，渣料总量约1 062 万m3。工程区地形地貌基本为高山陡坡，海拔高，地面起伏很大，河道两侧山体雄厚，河谷呈“V”型，谷底狭窄深切，可用场地相当紧缺且面积较小。工程区10km 范围内，除有一较大冲洪沟外，其余零星分布洪沟及阶地，单片面积不超过3 万m2，总面积不超过10 万m2。该处沟道长约1 510m，平均宽约200m，综合纵坡17.7%，现为3 类草地。综合分析，弃渣场拟选址于此处冲洪沟内。

根据堆渣量、堆渣最大高度以及弃渣场失事后对主体工程或环境造成的危害程度，结合表1确定渣场级别。本工程渣料总量约1 062 万m3介于1 000 万m3≤V≤2 000 万m3之间属于1 级弃渣场。

表1 弃渣场级别 [1]

2 建模思路

弃渣场堆置要素包括容量、堆渣总高度、台阶高度、平台高度、综合坡度和占地面积等。常规沟道型弃渣场堆渣型式为堆渣体将沟道全部或部分填埋；沟道内弃渣形成与渣顶等高线齐平的平台，沟口位置按照一定坡度放坡至地面，高差每隔10m—20m 设置一道宽度约2m—5m 台阶于坡面。考虑到渣场所处冲沟地形高差大，纵坡长的特点；如果采用常规沟道型弃渣场堆渣型式，单一坡面高差大，不利于堆渣体整体稳定且坡面交通布置较为困难。

本工程堆渣型式设计理念：（1）弃渣前应先施工周边拦挡措施，同时根据复垦要求对弃渣场顶部进行平整碾压。按水土保持有关要求进行表土剥离、后期返还、排水及植被措施等。（2）计划渣场内部采用梯级堆置方式，具体表现形式为长度300m，宽200m，高程为2 100m 的渣顶平台，自渣顶平台以坡比1/2.5，每15m 设一级台阶，共设14级台阶，每级台阶宽度40m，然后按照上述放坡组合型式沿沟道纵坡方向逐级向下放坡至沟口位置。（3）为满足堆弃石渣及后续牧民转场运输需要，每级坡面设置“之”字形道路，道路平均纵坡8%，路面宽7.5m，路基宽8.5m，自沟口可直达沟头。（4）为解决冲沟排水需要，后续随着设计过程的深入视情况配套拦洪（坝）及排水（渠、涵等）措施。

结合设计理念，利用Autodesk Civil 3D 原有曲面和放坡功能创建三维动态堆渣体模型及道路。建模主要步骤如下：（1）创建地形曲面；（2）放坡渣体曲面；（3）设计坡面之字路；（4）创建渣体+道路组合曲面。

3 设计步骤

（1）创建地形曲面

利用本工程弃渣场初步选址处洪沟1/10 000地形图。地形图范围以洪沟为中心线，左右图幅宽度各700—1 000m，冲沟上下游各500m 左右长度；地形图高程介于1 780—2 495m 之间；地形图包含等高线（间隔高程5m）高程点，高程块等图形对象。利用地形图等高线创建地形曲面，具体操作步骤：工具空间创建曲面—定义中 “等高线”功能—添加区域范围内等高线；定义中 “边界”功能—添加曲面外部边界。利用“对象查看器”可动态查看弃渣场场址地形检查准确性。图1 为弃渣场场址地形三维效果图。

图1 弃渣场场址地形三维效果图

（2）放坡渣体曲面

1）沟头处设置放坡要素线，长度宜长，足以覆盖沟底宽度；要素线指定高程。

2）由于后续坡面放坡（坡比1/2.5，高差-15m）+40m 台阶组合型式需逐级实现，数目多且操作步骤重复。因此在工具空间中可预先设定放坡规则：a.新建放坡标准集1—“放坡方法目标”选择“相对高程”，初始赋值为-15m—“斜坡投影格式” 选择“斜率”，初始赋值1/2.5。b.新建放坡标准集2—“放坡方法目标”选择“距离”，初始赋值为40m—“斜坡投影格式”选择“斜率”，初始赋值1/99 999，系统默认为“水平”，见图2。

图2 放坡规则设定

3）开始放坡：首先选中要素线，采用“距离-斜率”的规则进行放坡，可放置渣顶平台。然后交替使用“放坡标准集1”和“放坡标准集2”，逐级放置坡比1/2.5，高差-15m 的坡面和宽度40m 水平台阶。至最后一级台阶，选择要素线采用“曲面-填方坡度” 规则放坡至地形曲面。渣体骨架已搭建成功，创建渣体曲面；由于要素线范围超出沟道宽度，需对渣体曲面予以修饰，利用“曲面之间的最小距离” 功能提取地形曲面和渣体曲面三维相交线，相交线转换成二维多段线作为渣体曲面边界添加，可以得到完整的渣体曲面。通过放坡体积工具中基准曲面选择地形曲面，放坡曲面选择渣体曲面，可以查看堆渣体积；初步判断弃渣场容积是否满足设计要求。若容积不能满足，需调整堆渣型式和坡比。

（3）设计坡面之字路

1）首先渣场各坡面初步拟定路线，通过“从对象创建路线”功能新建道路平面线。

2）道路纵断面创建过程中，“从曲面创建纵断面”中选择渣体曲面，作为路线地形纵断面；“按布局创建纵断面”中选择已创建纵断面图，设计合理的道路纵坡。

3）通过“创建装配”，确定道路标准横断面，设置行车道、路肩宽度，厚度和边坡开挖填筑型式等。

4）创建道路，依次选择上述步骤中道路平纵横，完成道路“骨架”搭建；根据道路“骨架”新建道路曲面，目标曲面选择渣体曲面。

（4）创建渣体+道路组合曲面

为了不损坏上述步骤得到的渣体曲面和道路曲面原文件，需新建一个新的曲面，采用“粘贴曲面”的编辑功能，将渣体曲面和道路曲面组合形成最终堆渣曲面。通过创建体积曲面—“基准曲面”选择地形曲面，“对照曲面” 选择组合曲面，“体积面板”即可计算堆渣量；设计者据此可判断该渣场容积是否满足堆渣需要。

4 建模结果

利用“对象查看器”可动态查看各个视角下弃渣场布置情况。图3 为弃渣场三维效果图，图4 为弃渣场平面效果图。如图3，图4 所示，弃渣场呈梯级分层堆置，每级台阶宽度40m，高差15m，共计14 级；台阶之间以斜坡衔接，斜坡综合坡度1/2.5，渣顶高程2 100m，最大堆高270m。坡面上布设之字道路，除沟口处坡面上道路平面线形由直线，圆曲线要素组合方式，其余道路均为直线；道路纵坡≤8%，路基宽度8.5m，路面宽度7.5m。经Autodesk Civil 3D 复核，该渣场容积1 078 万m3，该值大于工程弃渣量1 062 万m3，表明该渣场能够满足堆渣需求。