AutoCAD Civil 3D軟件在棄渣場水土保持方案設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

畢豐華 高 巖

（甘肅省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,甘肅 蘭州 730030）

水利部印發(fā)的《水土保持“十四五”實(shí)施方案》提出，“推動數(shù)字水保、智慧水保建設(shè)，加快數(shù)字信息技術(shù)與水土保持業(yè)務(wù)深度融合，健全以信息化監(jiān)管為主要手段的新型監(jiān)管方式，強(qiáng)化水土流失規(guī)律機(jī)理、生態(tài)價值、碳匯能力等基礎(chǔ)研究和科技攻關(guān)，強(qiáng)化科技成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用，以科技創(chuàng)新引領(lǐng)水土保持高質(zhì)量發(fā)展”。以“數(shù)字化場景、智慧化模擬、精準(zhǔn)化決策”為路徑，可以在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路及工作方法中尋求突破?；诖?，文章主要以棄渣場勘測設(shè)計(jì)工作為例，展開AutoCAD Civil 3D技術(shù)在棄渣場設(shè)計(jì)中的運(yùn)用研究，為相關(guān)從業(yè)人員提供參考。

1 AutoCAD Civil 3D軟件介紹

AutoCAD Civil 3D是一款制圖軟件，提供的樣式機(jī)制，使各企業(yè)組織可以自行定義 CAD 和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，旨在面向土木工程設(shè)計(jì)與文檔編制的建筑信息模型（BIM）解決方案。AutoCAD Civil 3D能夠幫助從事交通運(yùn)輸、土地開發(fā)和水利項(xiàng)目的土木工程專業(yè)人員保持協(xié)調(diào)一致，更輕松、更高效地探索設(shè)計(jì)方案，分析項(xiàng)目性能，并提供相互一致、更高質(zhì)量的文檔。其界面如圖1所示。

由圖1可以發(fā)現(xiàn)，AutoCAD Civil 3D工具集和用戶界面中，利用了Autodesk Vault 的核心數(shù)據(jù)管理功能[1]。用戶可以在完全一致的環(huán)境中進(jìn)行各種工作，該軟件提供了獨(dú)一無二的樣式機(jī)制，在軟件中直接可以制定等高線的顏色、間距、線型，利用最小二乘法平差和編輯測量觀測值，在橫斷面或縱斷面標(biāo)注欄中顯示標(biāo)簽，調(diào)整曲面、要素線、匯流、管網(wǎng)等設(shè)計(jì)要素，最終創(chuàng)建出地形模型，減少在項(xiàng)目周期內(nèi)進(jìn)行修改的次數(shù)，提高整個施工項(xiàng)目操作效率。AutoCAD Civil 3D軟件的使用流程如下。

圖1 AutoCAD Civil 3D啟動界面（2018版本）

1.1 勘測數(shù)據(jù)導(dǎo)入

直接導(dǎo)入原始勘測數(shù)據(jù)，系統(tǒng)將自動創(chuàng)建勘測圖形和曲面，技術(shù)應(yīng)用人員可以發(fā)現(xiàn)并編輯相交的特征線，創(chuàng)建并編輯勘測圖形頂點(diǎn)，利用最小二乘法平差編輯勘測資料，生成能夠在項(xiàng)目中直接使用的點(diǎn)。利用AutoCAD Civi1 3D，借助曲面簡化工具，勘測圖形和曲面，充分利用航拍測量得出的數(shù)字高程模型，創(chuàng)建與源數(shù)據(jù)保持動態(tài)關(guān)系的智能對象，從而生成任意坡形曲面模型。

1.2 地塊布局和建模

利用AutoCAD Civil 3D軟件，用戶可以使用靈活的布局工具，按最小深度和寬度設(shè)計(jì)地塊布局[2]。實(shí)現(xiàn)流程的自動化，即使是在施工過程中地塊發(fā)生設(shè)計(jì)調(diào)整變更，系統(tǒng)也會自動測量偏移處正面的選項(xiàng)，臨近地塊會自動反映變更情況。

1.3 繪制剖面圖

使用多段線工具，點(diǎn)擊“從對象創(chuàng)建線路”，采用創(chuàng)建路線的方式繪制,選中“多段線”，之后添加“原始地形曲面”和“堆渣曲面”，生成堆渣斷面，調(diào)整堆渣斷面圖。

1.4 計(jì)算土方量和容渣量

利用復(fù)合體積算法或平均斷面算法，使用AutoCAD Civil 3D生成土方調(diào)配圖表[3]?？焖俚赜?jì)算設(shè)計(jì)曲面（現(xiàn)有曲面）之間的土方量，便于分析適合的挖填距離，確定取土坑和棄土場，之后根據(jù)客戶需求制定設(shè)計(jì)規(guī)范，確定要移動的土方數(shù)量及移動方向，最終設(shè)計(jì)平面和縱斷面路線圖。

1.5 平面圖繪制

利用AutoCAD Civil 3D軟件，可以自動創(chuàng)建橫斷面圖、平面圖和縱斷面圖，其制圖功能豐富多樣，集中管理器會按照路線走向自動完成圖紙?jiān)O(shè)計(jì)與布局，平面圖分幅向?qū)В≒lans Production）中全面集成的AutoCAD圖紙可以根據(jù)布局生成平面和縱斷面圖紙，同時生成項(xiàng)目中重要的地圖和圖例，如果相應(yīng)圖紙比例和視圖方向變更，軟件中所有標(biāo)簽也會立即更新和報(bào)告。

2 AutoCAD Civil 3D軟件的具體應(yīng)用——以甘肅省引洮供水二期工程為例

2.1 甘肅省引洮供水二期工程概況

甘肅省引洮供水二期工程渠線總長約571 km，主要建設(shè)內(nèi)容由1條總干渠、6 條干渠、2 條分干渠、18 條供水管線組成。其中，總干渠長度95 km，6條干渠及2條分干渠總長300 km，供水管線總長176 km?？偢汕瘘c(diǎn)高程2 089.79 m，末點(diǎn)高程2 011.86 m。本次工程沿線共布置隧洞171座，總長約370 km，項(xiàng)目施工以隧洞為主（包括農(nóng)業(yè)灌溉面積29.2 萬畝），工程設(shè)計(jì)引水量3.13 億 m3，設(shè)計(jì)總工期70個月，總投資約為73.06 億元。在本次施工項(xiàng)目中沿線地貌主要為中低山丘陵區(qū)，植被類型為溫帶荒漠植被，項(xiàng)目區(qū)以中度水力侵蝕為主，因此工程沿線水土流失較嚴(yán)重，尤其是棄渣場部分。棄渣場基本情況如表1所示。

表1 棄渣場基本情況（部分）

棄渣來源為調(diào)水工程施工以及附近削坡所產(chǎn)生的多余土石方，棄渣堆放束窄了溝道，砂土、砂石和塊石可能危害到調(diào)水工程的運(yùn)營安全，若遇暴雨，則不利于行洪安全。另外，棄渣本身立地條件較差，一旦出現(xiàn)水土流失，很難實(shí)現(xiàn)植被自然恢復(fù)。因此在施工過程中，首先應(yīng)該對棄渣場進(jìn)行建模和設(shè)計(jì)，通過三維視圖動態(tài)直觀地看到設(shè)計(jì)效果，快速編輯要素線，快速計(jì)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開挖料，避免棄渣臨時性或永久性堆存在施工場地中，從而最大限度地防止水土流失，以此實(shí)現(xiàn)大型棄渣場的規(guī)劃設(shè)計(jì)。

2.2 棄渣量預(yù)測

通過查閱主體技術(shù)資料、設(shè)計(jì)圖紙等多種方法，工程設(shè)計(jì)人員和相關(guān)管理者對土方量進(jìn)行預(yù)測，工程土石方總量645.29萬 m3，其中，填方440.84萬 m3，借方23.12萬 m3，挖方299.53萬 m3，棄方527.09 萬 m3，初步設(shè)計(jì)階段共設(shè)棄渣場242處，料渣場總占地面積為155.08 hm2，料渣總量為643.63萬 m3，根據(jù)棄渣場級別判定標(biāo)準(zhǔn)（見表2），判定本次施工棄渣場級別為Ⅱ級。

表2 棄渣場級別

2.3 棄渣場設(shè)計(jì)思路

2.3.1 原始數(shù)據(jù)處理

結(jié)合實(shí)測CGCS2000地形圖，將地形圖添加到C3D中，確定每級堆渣高度等，結(jié)合棄渣場地形設(shè)計(jì)邊坡比，確定溝道型棄渣場擋渣墻軸線位置，依據(jù)容渣量計(jì)算值進(jìn)行靈活調(diào)整。

2.3.2 創(chuàng)建棄渣場三維地形

創(chuàng)建三維地形曲面，曲面主要有柵格曲面、三角網(wǎng)曲面、三角網(wǎng)體積曲面、柵格體積曲面[4]。柵格曲面適合大面積的區(qū)域規(guī)劃，三角網(wǎng)曲面適合高精度的土石方計(jì)算，然后根據(jù)現(xiàn)場踏勘初步選定的位置,創(chuàng)建三角網(wǎng)體積曲面計(jì)算土方，通過創(chuàng)建路線，繪制棄渣場剖面，根據(jù)土方計(jì)算結(jié)果調(diào)整要素線。

2.3.3 棄渣場容渣量計(jì)算

棄渣場作為水土流失最嚴(yán)重的一個分區(qū)，在線型項(xiàng)目水土保持工作中，必須對棄渣場進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測，運(yùn)用AutoCAD Civil 3D 軟件設(shè)計(jì)棄渣后三維效果圖（比例尺在1 ∶2 000以上），運(yùn)用STAB（邊坡穩(wěn)定程序）復(fù)核邊坡比，利用施工階段復(fù)核后的渣場所在位置的地形圖，依據(jù)棄渣場占地面積計(jì)算得出棄渣場渣頂?shù)哪：叱?，?jì)算容納土石方，設(shè)置截排水溝。

3 設(shè)計(jì)方法

3.1 創(chuàng)建原始地形曲面和堆渣曲面，計(jì)算容渣量

AutoCAD Civil 3D 軟件在建模過程中，數(shù)據(jù)源主要有Landxml、GCD、DEM、DGX等[5]。設(shè)計(jì)人員應(yīng)先對地形圖進(jìn)行分析，在拿到棄渣場地形圖后看以上數(shù)據(jù)源是否有高程值，將無用的圖層關(guān)掉，編輯查看DGX和GCD是否在同一圖層，之后根據(jù)已有等高線的地形圖來創(chuàng)建地形曲面，利用AutoCAD Civil 3D中的“等高線”，對地形曲面進(jìn)行先創(chuàng)建再定義，具體設(shè)計(jì)方法如下。

（1）在工具空間右鍵依次點(diǎn)擊“曲面”→“創(chuàng)建曲面”→曲面類型（彈出“創(chuàng)建曲面” 對話框）→指定曲面圖層→根據(jù)地形曲面描述，輸入曲面名稱→制定渲染材質(zhì)和樣式→單擊“確定”。

（2）通過添加DGX來定義曲面[6]。根據(jù)地形情況選定渣場位置，勾選自動創(chuàng)建曲面和選擇體積基準(zhǔn)曲面，也可以利用GCD、添加點(diǎn)、點(diǎn)編組、特征線、多段線等形式來定義曲面，其中DGX定義曲面步驟為：在工具欄中選定地形圖中的等高線，之后選擇類似對象（單擊右鍵），彈出原始地形曲面，單擊右鍵選擇等高線，選擇對象查看器，就可以查驗(yàn)地形曲面效果，同時還應(yīng)該排除錯差點(diǎn)（地形圖中出現(xiàn)的錯誤高程點(diǎn)）。通過選擇曲面，之后進(jìn)入曲面特性，通過定義和生成，排除過高或過低的高程。

在創(chuàng)建堆渣曲面時，一般采用放坡的功能即可實(shí)現(xiàn)，對于復(fù)雜渣場，AutoCAD Civil 3D 放坡規(guī)則有限。因此，在構(gòu)建曲面時應(yīng)該采用多段線或要素線，根據(jù)棄渣場地質(zhì)情況，對棄渣場巖土力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行計(jì)算和設(shè)計(jì)，具體步驟如下。

（1）繪制一條帶高程的多段線或要素線，確定棄渣場底部擋土墻位置；

（2）構(gòu)建放坡，繪制多段線或要素線，確定斷面；

（3）確定場地邊界范圍，結(jié)合最上一條要素線（也可以創(chuàng)建多段線形）和一條多段線形成閉合范圍，形成新的棄渣場曲面；

（4）創(chuàng)建體積邊坡曲面，將新舊棄渣場曲面對比，計(jì)算棄渣場容量，其中填方量即棄渣場的容渣量，根據(jù)實(shí)際施工現(xiàn)場調(diào)整要素線，重新創(chuàng)建“堆渣體積曲面”，根據(jù)土方計(jì)算結(jié)果調(diào)整要素線，直到棄渣場容渣量符合設(shè)計(jì)要求，此時棄渣場的設(shè)計(jì)基本完成。

3.2 繪制剖面圖并計(jì)算匯流面積，優(yōu)化攔渣工程設(shè)計(jì)

采用創(chuàng)建路線的方式繪制，使用多段線工具，點(diǎn)擊“從對象創(chuàng)建線路”→生成路線“1”→在選擇選中多段線之后，點(diǎn)擊“曲面縱斷面”→添加“原始地形曲面”→點(diǎn)擊“縱斷面圖”→生成堆渣斷面→點(diǎn)擊“創(chuàng)建縱斷面圖”→調(diào)整堆渣斷面圖（棄渣場底部曲面即紅色線段部分，紅色數(shù)字為高程最高點(diǎn)和最低點(diǎn)）。隨后進(jìn)行擋渣墻設(shè)計(jì)，棄渣場遵循“先攔后棄”的原則，渣堆坡腳采用擋墻擋護(hù)，基礎(chǔ)埋深1.3 m，墻高發(fā)生變化時，墻身尺寸以直線漸變過渡，擋渣墻每隔10 m設(shè)置一道2 cm伸縮縫，擋墻墻腳地面5 m范圍采用M10漿砌石防護(hù)，防止沖刷。擋渣墻墻身每隔2 m交錯設(shè)置泄水孔，防止泄水孔堵塞。隨后設(shè)計(jì)堆渣邊坡，根據(jù)渣腳擋渣墻斷面尺寸，對棄渣場擋渣墻進(jìn)行抗滑性分析，來判斷堆放是否具有穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)人員利用力學(xué)簡化模型，對潛在破壞機(jī)制進(jìn)行分析，判斷邊坡失穩(wěn)性，使用AutoCAD Civil 3D 軟件得出塑性區(qū)變形圖，測算棄渣場整體安全系數(shù)，分析滑體分區(qū)及其受力狀態(tài)。對每一處棄渣場的面積、重力、抗滑力、下滑力、長度進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與計(jì)算，避免底部粉質(zhì)黏土層出現(xiàn)滑移，防止坡腳位置先發(fā)生大變形，以此提高邊坡穩(wěn)定性。

3.3 做好植被恢復(fù)，預(yù)防施工場地的水土流失

棄渣場為水土保持監(jiān)測工作的重點(diǎn)地區(qū)，要想使得生態(tài)得到最大限度的保護(hù)，還應(yīng)該在防治區(qū)做好植被恢復(fù)，種植適應(yīng)性強(qiáng)、保水固土能力強(qiáng)的樹種。因此，在上游布設(shè)截水溝，截水溝下游布設(shè)沉沙池，棄渣場渣頂布設(shè)排水溝，溝口布設(shè)擋渣（土）墻工程項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，進(jìn)行場地平整、撒播草籽、灑水，以促使地表結(jié)皮，以此進(jìn)一步預(yù)防水土流失。

4 結(jié)語

在《水土保持“十四五”實(shí)施方案》的指導(dǎo)下，我公司推行標(biāo)準(zhǔn)化增效、數(shù)字化賦能的新時期水土保持理念，結(jié)合公司業(yè)務(wù)實(shí)際，不斷探索、積極創(chuàng)新，展開了AutoCAD Civil 3D在棄渣場設(shè)計(jì)中的運(yùn)用研究，依托AutoCAD Civil 3D自主研發(fā)完成棄渣場三維設(shè)計(jì)平臺，該平臺集渣場曲面創(chuàng)建、容渣量分析、攔渣工程設(shè)計(jì)、穩(wěn)定性計(jì)算、排水措施設(shè)計(jì)、水文水力計(jì)算、植物措施設(shè)計(jì)、工程量計(jì)算、一鍵出圖等多功能于一體，實(shí)現(xiàn)二、三維一體化設(shè)計(jì)。該平臺可以避免因?yàn)榈匦钨Y料錯誤而對工程設(shè)計(jì)造成的消極影響，且精度更高，時效性更強(qiáng)，對于提升水土保持從業(yè)人員決策設(shè)計(jì)水平，引領(lǐng)新時期水土保持行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。