土石方工程量計(jì)算是建設(shè)工程施工的一個(gè)重要步驟。它將直接關(guān)系到工程的經(jīng)費(fèi)概算及設(shè)計(jì)方案選優(yōu)，直接關(guān)系到施工單位和委托單位的利益。為避免或減少雙方對(duì)土石方量的爭(zhēng)議，如何利用野外測(cè)量數(shù)據(jù)或原有的數(shù)字地形數(shù)據(jù)快速準(zhǔn)確的計(jì)算出土石方量就成了建設(shè)工程各參與方日益關(guān)注的問題。本文闡述作者在實(shí)際應(yīng)用南方cass7．o軟件計(jì)算土石方量中的幾點(diǎn)體會(huì)，為從事土石方量計(jì)算的同行提供一定的參考。
各種計(jì)算方法的適用范圍及特點(diǎn)
土石方測(cè)量的主要內(nèi)容是計(jì)算同一地塊開挖(或填充)前后的填方量(或挖方量)，實(shí)際上就是計(jì)算土方體積。無論采用什么方法進(jìn)行體積計(jì)算，都必須具備已知的兩個(gè)基本條件：(1)開挖(或回填)前地面的起伏狀況；(2)開挖(或回填)后地面的起伏狀況或場(chǎng)地設(shè)計(jì)標(biāo)高1。cass7．o地形地籍成圖軟件提供了dtm法、斷面法、方格網(wǎng)法、等高線法等計(jì)算土石方量的方法2。在確保精度的前提下，每種方法都有在特定環(huán)境下的優(yōu)越性與適用性。
(1)dtm法土石方計(jì)算
dtm(digital terrain model)——即數(shù)字地面模型。是用眾多地面的平面坐標(biāo)和高程描述地表形狀的一種方式。由dtm模型來計(jì)算土石方量是根據(jù)實(shí)地測(cè)定的地面點(diǎn)坐標(biāo)(x、y、z)和設(shè)計(jì)高程，通過生成三角網(wǎng)來計(jì)算每一個(gè)三棱錐的挖填方量，最后累計(jì)得到指定范圍內(nèi)挖填方的土石方量，并繪制出挖填方分界。dtm法土石方計(jì)算主要適用于設(shè)計(jì)面為平場(chǎng)或單一傾斜場(chǎng)的情況，共分為3種計(jì)算方法。分別為：根據(jù)坐標(biāo)文件、根據(jù)圖上高程點(diǎn)、根據(jù)圖三角網(wǎng)進(jìn)行計(jì)算。在運(yùn)用時(shí)，根據(jù)實(shí)際已知情況，選擇上述最恰當(dāng)?shù)囊环N方法進(jìn)行計(jì)算。從dtm土石方計(jì)算原理上看，高程點(diǎn)密度越大越能體現(xiàn)實(shí)地地形的變化細(xì)節(jié)，適用于地形復(fù)雜區(qū)域的土石方計(jì)算。該方法對(duì)野外觀測(cè)數(shù)據(jù)要求高，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大。
此外：dtm模型法還可以計(jì)算兩期間的土石方量。該方法是對(duì)同一區(qū)域進(jìn)行兩次測(cè)量，利用兩次野外測(cè)量得到的坐標(biāo)數(shù)據(jù)建模后疊加，計(jì)算出兩期間所測(cè)區(qū)域土石方變化情況4。此方法是計(jì)算區(qū)域內(nèi)兩期間均是不規(guī)則表面的上佳選擇。同時(shí)也是解決實(shí)際施工過程中區(qū)分土質(zhì)和石質(zhì)挖方的最好辦法。
(2)斷面法土石方計(jì)算
斷面法適用于狹長帶狀地形場(chǎng)地。其原理是依據(jù)某一方向?yàn)榛鶞?zhǔn)，用一定間距測(cè)定垂直于此方向的斷面數(shù)據(jù)，以斷面面積和斷面間距計(jì)算兩斷面間的土石方量。主要用于道路、溝渠等線狀區(qū)域的土石方計(jì)算。需要注意的是使用該方法計(jì)算土石方量要求計(jì)算人員對(duì)參數(shù)設(shè)置掌握得比較清楚。
(3)方格網(wǎng)法土石方計(jì)算
方格網(wǎng)計(jì)算法適用于設(shè)計(jì)面為平面、斜面以及三角網(wǎng)的情況，是通過讀取高程點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件來實(shí)現(xiàn)的。計(jì)算設(shè)計(jì)面為平面和斜面時(shí)只需加入設(shè)計(jì)給出的高程值或斜面的基準(zhǔn)點(diǎn)、基準(zhǔn)線和坡度即可計(jì)算得出結(jié)果。對(duì)于設(shè)計(jì)面是不規(guī)則圖形且各個(gè)點(diǎn)位高程設(shè)計(jì)值各不相同時(shí)，可將設(shè)計(jì)點(diǎn)位的所有高程值生成三角網(wǎng)文件“*．sjw”，選擇該文件參與計(jì)算即可。
(4)等高線法土石方計(jì)算
一般來說，用于建立dtm的等高線數(shù)據(jù)可以通過地圖數(shù)字化的方法獲得，通常包括等高線的高程值、等高線上的特征點(diǎn)數(shù)和依次排列的各特征點(diǎn)的平面坐標(biāo)5。當(dāng)用戶只有掃描矢量圖時(shí)，因?yàn)闆]有高程數(shù)據(jù)文件，利用等高線法計(jì)算土石方就是很好的選擇。cass7．o等高線計(jì)算土石方的功能專門為這類用戶設(shè)計(jì)。由于兩條等高線所圍成的面積可以求得，高差已知，便可求出這兩條等高線之間的土石方量。需要注意的是，該方法需要選擇閉合的等高線才能計(jì)算出結(jié)果。
2幾點(diǎn)體會(huì)
(1)計(jì)算兩期間土石方量需要注意的是：在野外采集碎部點(diǎn)時(shí)兩次施測(cè)范圍要求盡量保持一致，否者數(shù)據(jù)疊加后非重合部分將無法參與計(jì)算，這樣勢(shì)必會(huì)影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。尤其體現(xiàn)在土石方發(fā)生了較大變化的區(qū)域，必須在疊加范圍之內(nèi)。
(2)在進(jìn)行方格網(wǎng)土石方計(jì)算時(shí)可對(duì)方格寬度進(jìn)行設(shè)置，方格的寬度設(shè)置越小，計(jì)算精度就會(huì)越高，但也取決于高程點(diǎn)的疏密程度。如果所輸入的方格寬度小于高程點(diǎn)之間的最小距離，也就失去了實(shí)際意義。
(3)在dtm法計(jì)算時(shí)，由于三角網(wǎng)的連接是隨機(jī)的，在高程點(diǎn)缺少的區(qū)域，盡管兩點(diǎn)相距非常遠(yuǎn)，軟件也會(huì)自動(dòng)參考最近高程點(diǎn)的信息。數(shù)據(jù)生成三角網(wǎng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)構(gòu)網(wǎng)不合理的情況。在實(shí)際計(jì)算時(shí)必須予以刪除，否則將影響到計(jì)算結(jié)果的精度。并在適當(dāng)?shù)牡胤皆黾踊蛑亟M三角形，也可根據(jù)實(shí)際需要對(duì)構(gòu)網(wǎng)條件加入限制，方法是通過菜單中“過濾三角形”進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。在野外采集數(shù)據(jù)過程中如遇地形復(fù)雜，建議現(xiàn)場(chǎng)拍攝照片，標(biāo)注地形變化較大處的特征點(diǎn)6。以便在構(gòu)網(wǎng)時(shí)對(duì)三角進(jìn)行修改和對(duì)比。使得三角網(wǎng)更加貼近真實(shí)地貌。下圖是某工程原始地貌采集數(shù)據(jù)建立的三角網(wǎng)。圖1箭頭所指a～g三角形在參與計(jì)算之前應(yīng)該予以刪除。刪除后如圖2所示才是真正反映實(shí)際地貌的三角網(wǎng)構(gòu)成。
(4)在運(yùn)用cass7．o土石方計(jì)算時(shí)不論建立方格網(wǎng)還是三角網(wǎng)，都是基于相鄰高程點(diǎn)之間的位置關(guān)系，并不能完全體現(xiàn)實(shí)地地貌變化情況。尤其在山區(qū)溝坎較多的區(qū)域單純依靠軟件計(jì)算會(huì)產(chǎn)生較大誤差。如圖2中沒有c點(diǎn)、d點(diǎn)高程數(shù)據(jù)，軟件只會(huì)以abef進(jìn)行構(gòu)網(wǎng)計(jì)算，這樣是肯定錯(cuò)誤的。在野外，往往同一道陡坎的坎高是隨著地形不斷變化的。如圖2所示，ab為坎上，cd為坎下，a點(diǎn)處坎高2m，b點(diǎn)處坎高5m。在坎類編輯時(shí)輸入坎高2m或5m顯然都不正確。所以即便是在建立dtm模型時(shí)選擇了“建模過程考慮陡坎”也不會(huì)有太高的精度。因?yàn)檐浖谟?jì)算時(shí)需要加入坎的屬性(坎高)作為計(jì)算條件，坎高不準(zhǔn)確，計(jì)算結(jié)果自然就不準(zhǔn)確。當(dāng)然在坎高一致的時(shí)候，建立dtm模型選擇“建模過程考慮陡坎”進(jìn)行計(jì)算則是非常方便快捷的。為獲取高精度的土石方計(jì)算成果，建議在野外碎部點(diǎn)采集時(shí)，對(duì)于地貌變化較大的區(qū)域增加高程點(diǎn)采集密度，特征點(diǎn)一定要如實(shí)測(cè)到。實(shí)測(cè)坎下數(shù)據(jù)，如圖3中c、d的高程。這樣計(jì)算結(jié)果精度才能夠得到保障
(5)由于儀器自身原因或作業(yè)人員的疏忽，可能在觀測(cè)數(shù)據(jù)中產(chǎn)生高程粗差數(shù)據(jù)，很難直觀的發(fā)現(xiàn)。容易造成計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)較大誤差。所以對(duì)于野外采集的碎部點(diǎn)數(shù)據(jù)在參與計(jì)算之前應(yīng)該進(jìn)行粗差檢查?？山⒁粋€(gè)dtm模型，進(jìn)行等高線生成，通過觀察等高線走向及分布，可輕松判別有無明顯粗差。另外后期檢查工作也很重要，鑒于土石方計(jì)算的繁瑣性，手工檢查顯然不太現(xiàn)實(shí)。建議使用兩種計(jì)算方法的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。如使用“方格網(wǎng)法”和“dtm法”來對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行互檢。一般情況下，兩種計(jì)算結(jié)果的互差在5％以內(nèi)則認(rèn)為計(jì)算結(jié)果可以認(rèn)可。
(6)在使用等高線法計(jì)算土石方量前盡量選擇大比例尺地形圖。計(jì)算時(shí)要求所選等高線必須閉合，另外等高線選取的多少將直接影響到計(jì)算結(jié)果，尤其是在地形復(fù)雜區(qū)域差別更大。如圖4與圖5的計(jì)算結(jié)果對(duì)比。顯然圖5的計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確。
所以在計(jì)算時(shí)應(yīng)將待計(jì)算區(qū)域內(nèi)的所有等高線逐一選取。等高線法一般在工程中很少用到，主要原因是該方法要求參與計(jì)算的等高線必須是閉合的，但在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)等高線卻很少是閉合的，除非要計(jì)算的區(qū)域剛好是一個(gè)山頭。且等高線處理時(shí)人為的進(jìn)行了取舍和綜合，計(jì)算土石方量與實(shí)際土石方量存在一定的誤差，需謹(jǐn)慎使用。
總結(jié)
在對(duì)土石方量進(jìn)行計(jì)算時(shí)，每種計(jì)算方法都有各自的優(yōu)點(diǎn)和局限性。一定要考慮到地形特征、精度要求以及施工成本等方面的因素，選擇合適的計(jì)算方法，達(dá)到最優(yōu)的目的。在實(shí)際工作中作為技術(shù)人員應(yīng)該不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，不斷挖掘計(jì)算軟件潛力，吃透計(jì)算原理，不要單純依賴于軟件的傻瓜式操作，只有這樣土石方量計(jì)算質(zhì)量才會(huì)有保證。土石方工程中各方利益才會(huì)得到保障。