AutoCAD Civil 3D软件在弃渣场水土保持方案设计中的应用

毕丰华 高 岩

（甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司,甘肃 兰州 730030）

水利部印发的《水土保持“十四五”实施方案》提出，“推动数字水保、智慧水保建设，加快数字信息技术与水土保持业务深度融合，健全以信息化监管为主要手段的新型监管方式，强化水土流失规律机理、生态价值、碳汇能力等基础研究和科技攻关，强化科技成果转化应用，以科技创新引领水土保持高质量发展”。以“数字化场景、智慧化模拟、精准化决策”为路径，可以在传统的设计思路及工作方法中寻求突破。基于此，文章主要以弃渣场勘测设计工作为例，展开AutoCAD Civil 3D技术在弃渣场设计中的运用研究，为相关从业人员提供参考。

1 AutoCAD Civil 3D软件介绍

AutoCAD Civil 3D是一款制图软件，提供的样式机制，使各企业组织可以自行定义 CAD 和设计标准，旨在面向土木工程设计与文档编制的建筑信息模型（BIM）解决方案。AutoCAD Civil 3D能够帮助从事交通运输、土地开发和水利项目的土木工程专业人员保持协调一致，更轻松、更高效地探索设计方案，分析项目性能，并提供相互一致、更高质量的文档。其界面如图1所示。

由图1可以发现，AutoCAD Civil 3D工具集和用户界面中，利用了Autodesk Vault 的核心数据管理功能[1]。用户可以在完全一致的环境中进行各种工作，该软件提供了独一无二的样式机制，在软件中直接可以制定等高线的颜色、间距、线型，利用最小二乘法平差和编辑测量观测值，在横断面或纵断面标注栏中显示标签，调整曲面、要素线、汇流、管网等设计要素，最终创建出地形模型，减少在项目周期内进行修改的次数，提高整个施工项目操作效率。AutoCAD Civil 3D软件的使用流程如下。

图1 AutoCAD Civil 3D启动界面（2018版本）

1.1 勘测数据导入

直接导入原始勘测数据，系统将自动创建勘测图形和曲面，技术应用人员可以发现并编辑相交的特征线，创建并编辑勘测图形顶点，利用最小二乘法平差编辑勘测资料，生成能够在项目中直接使用的点。利用AutoCAD Civi1 3D，借助曲面简化工具，勘测图形和曲面，充分利用航拍测量得出的数字高程模型，创建与源数据保持动态关系的智能对象，从而生成任意坡形曲面模型。

1.2 地块布局和建模

利用AutoCAD Civil 3D软件，用户可以使用灵活的布局工具，按最小深度和宽度设计地块布局[2]。实现流程的自动化，即使是在施工过程中地块发生设计调整变更，系统也会自动测量偏移处正面的选项，临近地块会自动反映变更情况。

1.3 绘制剖面图

使用多段线工具，点击“从对象创建线路”，采用创建路线的方式绘制,选中“多段线”，之后添加“原始地形曲面”和“堆渣曲面”，生成堆渣断面，调整堆渣断面图。

1.4 计算土方量和容渣量

利用复合体积算法或平均断面算法，使用AutoCAD Civil 3D生成土方调配图表[3]。快速地计算设计曲面（现有曲面）之间的土方量，便于分析适合的挖填距离，确定取土坑和弃土场，之后根据客户需求制定设计规范，确定要移动的土方数量及移动方向，最终设计平面和纵断面路线图。

1.5 平面图绘制

利用AutoCAD Civil 3D软件，可以自动创建横断面图、平面图和纵断面图，其制图功能丰富多样，集中管理器会按照路线走向自动完成图纸设计与布局，平面图分幅向导（Plans Production）中全面集成的AutoCAD图纸可以根据布局生成平面和纵断面图纸，同时生成项目中重要的地图和图例，如果相应图纸比例和视图方向变更，软件中所有标签也会立即更新和报告。

2 AutoCAD Civil 3D软件的具体应用——以甘肃省引洮供水二期工程为例

2.1 甘肃省引洮供水二期工程概况

甘肃省引洮供水二期工程渠线总长约571 km，主要建设内容由1条总干渠、6 条干渠、2 条分干渠、18 条供水管线组成。其中，总干渠长度95 km，6条干渠及2条分干渠总长300 km，供水管线总长176 km。总干渠起点高程2 089.79 m，末点高程2 011.86 m。本次工程沿线共布置隧洞171座，总长约370 km，项目施工以隧洞为主（包括农业灌溉面积29.2 万亩），工程设计引水量3.13 亿 m3，设计总工期70个月，总投资约为73.06 亿元。在本次施工项目中沿线地貌主要为中低山丘陵区，植被类型为温带荒漠植被，项目区以中度水力侵蚀为主，因此工程沿线水土流失较严重，尤其是弃渣场部分。弃渣场基本情况如表1所示。

表1 弃渣场基本情况（部分）

弃渣来源为调水工程施工以及附近削坡所产生的多余土石方，弃渣堆放束窄了沟道，砂土、砂石和块石可能危害到调水工程的运营安全，若遇暴雨，则不利于行洪安全。另外，弃渣本身立地条件较差，一旦出现水土流失，很难实现植被自然恢复。因此在施工过程中，首先应该对弃渣场进行建模和设计，通过三维视图动态直观地看到设计效果，快速编辑要素线，快速计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开挖料，避免弃渣临时性或永久性堆存在施工场地中，从而最大限度地防止水土流失，以此实现大型弃渣场的规划设计。

2.2 弃渣量预测

通过查阅主体技术资料、设计图纸等多种方法，工程设计人员和相关管理者对土方量进行预测，工程土石方总量645.29万 m3，其中，填方440.84万 m3，借方23.12万 m3，挖方299.53万 m3，弃方527.09 万 m3，初步设计阶段共设弃渣场242处，料渣场总占地面积为155.08 hm2，料渣总量为643.63万 m3，根据弃渣场级别判定标准（见表2），判定本次施工弃渣场级别为Ⅱ级。

表2 弃渣场级别

2.3 弃渣场设计思路

2.3.1 原始数据处理

结合实测CGCS2000地形图，将地形图添加到C3D中，确定每级堆渣高度等，结合弃渣场地形设计边坡比，确定沟道型弃渣场挡渣墙轴线位置，依据容渣量计算值进行灵活调整。

2.3.2 创建弃渣场三维地形

创建三维地形曲面，曲面主要有栅格曲面、三角网曲面、三角网体积曲面、栅格体积曲面[4]。栅格曲面适合大面积的区域规划，三角网曲面适合高精度的土石方计算，然后根据现场踏勘初步选定的位置,创建三角网体积曲面计算土方，通过创建路线，绘制弃渣场剖面，根据土方计算结果调整要素线。

2.3.3 弃渣场容渣量计算

弃渣场作为水土流失最严重的一个分区，在线型项目水土保持工作中，必须对弃渣场进行重点监测，运用AutoCAD Civil 3D 软件设计弃渣后三维效果图（比例尺在1 ∶2 000以上），运用STAB（边坡稳定程序）复核边坡比，利用施工阶段复核后的渣场所在位置的地形图，依据弃渣场占地面积计算得出弃渣场渣顶的模糊高程，计算容纳土石方，设置截排水沟。

3 设计方法

3.1 创建原始地形曲面和堆渣曲面，计算容渣量

AutoCAD Civil 3D 软件在建模过程中，数据源主要有Landxml、GCD、DEM、DGX等[5]。设计人员应先对地形图进行分析，在拿到弃渣场地形图后看以上数据源是否有高程值，将无用的图层关掉，编辑查看DGX和GCD是否在同一图层，之后根据已有等高线的地形图来创建地形曲面，利用AutoCAD Civil 3D中的“等高线”，对地形曲面进行先创建再定义，具体设计方法如下。

（1）在工具空间右键依次点击“曲面”→“创建曲面”→曲面类型（弹出“创建曲面” 对话框）→指定曲面图层→根据地形曲面描述，输入曲面名称→制定渲染材质和样式→单击“确定”。

（2）通过添加DGX来定义曲面[6]。根据地形情况选定渣场位置，勾选自动创建曲面和选择体积基准曲面，也可以利用GCD、添加点、点编组、特征线、多段线等形式来定义曲面，其中DGX定义曲面步骤为：在工具栏中选定地形图中的等高线，之后选择类似对象（单击右键），弹出原始地形曲面，单击右键选择等高线，选择对象查看器，就可以查验地形曲面效果，同时还应该排除错差点（地形图中出现的错误高程点）。通过选择曲面，之后进入曲面特性，通过定义和生成，排除过高或过低的高程。

在创建堆渣曲面时，一般采用放坡的功能即可实现，对于复杂渣场，AutoCAD Civil 3D 放坡规则有限。因此，在构建曲面时应该采用多段线或要素线，根据弃渣场地质情况，对弃渣场岩土力学性质进行计算和设计，具体步骤如下。

（1）绘制一条带高程的多段线或要素线，确定弃渣场底部挡土墙位置；

（2）构建放坡，绘制多段线或要素线，确定断面；

（3）确定场地边界范围，结合最上一条要素线（也可以创建多段线形）和一条多段线形成闭合范围，形成新的弃渣场曲面；

（4）创建体积边坡曲面，将新旧弃渣场曲面对比，计算弃渣场容量，其中填方量即弃渣场的容渣量，根据实际施工现场调整要素线，重新创建“堆渣体积曲面”，根据土方计算结果调整要素线，直到弃渣场容渣量符合设计要求，此时弃渣场的设计基本完成。

3.2 绘制剖面图并计算汇流面积，优化拦渣工程设计

采用创建路线的方式绘制，使用多段线工具，点击“从对象创建线路”→生成路线“1”→在选择选中多段线之后，点击“曲面纵断面”→添加“原始地形曲面”→点击“纵断面图”→生成堆渣断面→点击“创建纵断面图”→调整堆渣断面图（弃渣场底部曲面即红色线段部分，红色数字为高程最高点和最低点）。随后进行挡渣墙设计，弃渣场遵循“先拦后弃”的原则，渣堆坡脚采用挡墙挡护，基础埋深1.3 m，墙高发生变化时，墙身尺寸以直线渐变过渡，挡渣墙每隔10 m设置一道2 cm伸缩缝，挡墙墙脚地面5 m范围采用M10浆砌石防护，防止冲刷。挡渣墙墙身每隔2 m交错设置泄水孔，防止泄水孔堵塞。随后设计堆渣边坡，根据渣脚挡渣墙断面尺寸，对弃渣场挡渣墙进行抗滑性分析，来判断堆放是否具有稳定性。设计人员利用力学简化模型，对潜在破坏机制进行分析，判断边坡失稳性，使用AutoCAD Civil 3D 软件得出塑性区变形图，测算弃渣场整体安全系数，分析滑体分区及其受力状态。对每一处弃渣场的面积、重力、抗滑力、下滑力、长度进行数据分析与计算，避免底部粉质黏土层出现滑移，防止坡脚位置先发生大变形，以此提高边坡稳定性。

3.3 做好植被恢复，预防施工场地的水土流失

弃渣场为水土保持监测工作的重点地区，要想使得生态得到最大限度的保护，还应该在防治区做好植被恢复，种植适应性强、保水固土能力强的树种。因此，在上游布设截水沟，截水沟下游布设沉沙池，弃渣场渣顶布设排水沟，沟口布设挡渣（土）墙工程项目的基础上，进行场地平整、撒播草籽、洒水，以促使地表结皮，以此进一步预防水土流失。

4 结语

在《水土保持“十四五”实施方案》的指导下，我公司推行标准化增效、数字化赋能的新时期水土保持理念，结合公司业务实际，不断探索、积极创新，展开了AutoCAD Civil 3D在弃渣场设计中的运用研究，依托AutoCAD Civil 3D自主研发完成弃渣场三维设计平台，该平台集渣场曲面创建、容渣量分析、拦渣工程设计、稳定性计算、排水措施设计、水文水力计算、植物措施设计、工程量计算、一键出图等多功能于一体，实现二、三维一体化设计。该平台可以避免因为地形资料错误而对工程设计造成的消极影响，且精度更高，时效性更强，对于提升水土保持从业人员决策设计水平，引领新时期水土保持行业高质量发展具有重要意义。