CN103473394B - 一种用于多台段式场平布局的土方平衡优化设计方法 - Google Patents

Abstract

一种用于多台段式场平布局的土方平衡优化设计方法，包括以下步骤：选定合理的边坡挖填坡比；确定不同类场平单元土方特征参数、控制性场平单元和依附性场平单元，遴选出关键性挖方单元和关键性填方单元，确定场平土方平衡优化设计目标，构建土方平衡优化设计计算模型，确定土方平衡优化技术参数，利用GPCAD土方计算模块计算优化后场平的土方量。该方法既考虑了台段面设计标高调整对土方挖填工程造价的影响，又考虑了台段面设计标高调整对边坡支护及建构筑物基础投资的影响，不仅适用于地形条件简单且场地平土标高单一的建设场地，而且适用于地形条件复杂且具有多个场地平土标高的台段式场地，同时兼有简单实用、计算高效、结果可靠等优点。

Description

一种用于多台段式场平布局的土方平衡优化设计方法

技术领域

本发明技术涉及一种用于多台段式场平布局的土方平衡优化设计方法，具体的说是一种针对多台段式场平布局的复杂性和特殊性，考虑台段面设计标高调整对土方挖填工程造价、边坡支护及建构筑物基础投资的影响，而提出的一种基于场平单元特征参数的土方平衡优化设计方法。

背景技术

随着国家基础建设的大力发展，越来越多的建设项目不可避免的将会选择在山区丘陵等复杂地形地带实施。在地形复杂地带实施建设工程项目时，常需将自然地貌改造成多个台段式的场地，以满足建构筑物规划、生产工艺和运输、排水及最高洪水位等要求，并力求使得场地内土方工程量最小且土方挖填平衡。土方平衡计算是工程投资概算及方案选优的重要影响因素，其计算模型的选择直接影响到工程造价的控制与施工组织问题。

目前，在总图竖向设计中，有相当一部分设计者是采用方格网法和经验法来确定场地平土设计标高。由于该方法是建立在一定估计和假设基础上的，不可能通过一、两次计算就能达到土方工程量最小与土方量挖填平衡的要求，需要经过反复多次的修正和调整，才能达到预期的结果。由此可见，传统土方平衡设计方法不仅操作繁琐、准确度差，而且仅适用于地形条件简单且场地平土标高单一的建设场地，对于地形条件复杂且具有多个场地平土标高的台段式场地则基本不适用。因此，发明一种适用于多台段式场平布局的土方平衡优化设计方法，对于复杂地形条件下台段式场平建设项目具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是针对多台段式场平建设项目的复杂性和特殊性，考虑台段面设计标高调整对土方挖填工程造价、边坡支护及建构筑物基础投资的影响，以场平单元土方量特征参数为切入点，发明一种适用于多台段式场平布局的土方平衡优化设计方法。

本发明一种用于多台段式场平布局的土方平衡优化设计方法，具体步骤如下：

第一步：根据场区地形坡度分析确定岩土体休止角，结合建筑边坡工程技术规范(GB50330-2002)中土质边坡坡率允许值和岩质边坡坡率允许值，选定稳定合理的边坡挖填坡比；

第二步：根据总图布局，将场平区划分为不同建构筑物台段场平单元、道路场平单元及边坡场平单元，利用GPCAD土方计算软件，确定不同类场平单元的挖填方量占比、面积占比及挖填不平衡系数三个土方特征参数；

第三步：依据场平单元内在联系及土方特征参数大小确定控制性场平单元和依附性场平单元；

第四步：在控制性挖方场平单元中，以挖方量占比及面积占比最大为控制目标，遴选出关键性挖方场平单元；

在控制性填方场平单元中，以上部建构筑物对下部地基土承载力要求最低和面积占比最大为控制目标，遴选关键性填方场平单元；

第五步：确定场平土方平衡优化设计目标，具体包括土方挖填基本平衡的优化设计目标、土方挖方总量最小的优化设计目标、相邻台段面高差最小的优化设计目标；

所述土方挖填基本平衡的优化设计目标是指：为减少土方调配运距，在尽可能满足各场平单元自身挖填平衡的前提下，合理调整台段面设计标高，使得总挖填方量达到基本平衡，以减少余土外运或借土投资；考虑岩土体具有可松性，天然岩土体挖出来后体积将扩大，将这部分土转到填方区压实后其体积仍比最初天然岩土体的体积要大，即存在一个土方开挖回填扩容系数α，一般取为1.02～1.05，当考虑开挖回填扩容系数时，挖填不平衡系数宜控制0.95～0.98之间；

所述土方挖方总量最小的优化设计目标是指：在满足台段面工艺、道路设计及边坡稳定等技术要求的前提下，合理调整关键性挖方场平单元和填方场平单元台段面设计标高，以期使得挖方总量最小，减少场平土方工程投资；

所述相邻台段面高差最小的优化设计目标是指：在满足上述两点优化设计目标的前提下，合理调整关键性挖方场平单元和填方场平单元的台段面设计标高，尽可能降低相邻台段面高差，以减少直立陡坎加固费用；具体实施过程中，可采用关键性挖方场平单元和填方场平单元台段面设计标高同升同降的方法予以解决；

第六步：以关键性挖方场平单元和填方场平单元台段面设计标高为优化变量，以土方挖填基本平衡为目标函数，构建土方平衡的优化设计计算模型，并结合土方挖方总量最小、相邻台段面高差最小等土方平衡的优化设计目标，求解土方平衡的优化设计计算模型，确定各场平单元的优化技术参数；

所述土方平衡优化设计计算模型按式(1)计算：

ΔV_W-ΔV_T＝ΔV_z (1)

式中：ΔV_W为关键性挖方场平单元台段面设计标高调整后的挖方减少量；ΔV_T为关键性填方场平单元台段面设计标高调整后的填方增加量；ΔV_z为台段面设计标高调整后的总净余方量；

所述土方平衡的优化设计计算模型中各分量，需考虑台段面设计标高调整对非关键性场平单元挖填方量的影响及土方开挖回填扩容效应，各分量按式(2)、(3)、(4)计算：

ΔV_z＝α×ΔV×β_z (2)

ΔV_w＝α×Δh_w×S_w×β_w (3)

ΔV_T＝Δh_T×S_T×β_T (4)

式中：α为土方开挖回填扩容系数；ΔV为台段面设计标高调整前的总净余方量；Δh_w为关键性挖方场平单元台段面设计标高调整高差；Δh_T为关键性填方场平单元台段面设计标高调整高差；S_w为关键性挖方场平单元面积；S_T为关键性填方场平单元面积；β_z为台段面设计标高调整对总净余方量的影响系数；β_w为关键性挖方场平单元台段面设计标高调整对净挖方量的影响系数；β_T为关键性填方场平单元台段面设计标高调整对净填方量的影响系数；

所述土方平衡的优化设计计算模型中影响系数，依据台段面设计标高调整前的挖填不平衡系数进行确定，各影响系数按式(5)、(6)、(7)计算：

式中：k_z为台段面设计标高调整前的总挖填不平衡系数；k_w为台段面设计标高调整前的关键性挖方场平单元挖填不平衡系数；k_T为台段面设计标高调整前的关键性填方场平单元挖填不平衡系数；

根据式(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)，所述土方平衡优化设计计算模型式(1)按式(8)计算：

第七步：确定土方平衡的优化技术参数，通过Δh_w、Δh_T和其他非关键场平单元设计标高以及依附性场平单元的设计标高调整高差；

所述场平单元的优化技术参数确定按下列方式完成：首先根据关键性挖方场平单元的现状地形，给定一个初始值较大的Δh_w，代入式(1)土方平衡的优化设计计算模型，计算出Δh_T；然后根据Δh_T及(Δh_w-Δh_T)的正负性调整Δh_w，直至(Δh_w-Δh_T)→0，若Δh_T＜0，则增加Δh_w，若(Δh_w-Δh_T)＜0，则减少Δh_w，反之亦然；最后根据各场平单元间的内在联系及工艺要求确定非关键性场平单元及依附性场平单元的设计标高调整高差；

第八步：根据土方平衡优化后的技术参数，结合格网计算模型，利用GPCAD土方计算软件计算优化后的土方量，以验证其可靠性。

本发明一种用于多台段式场平布局的土方平衡优化设计方法的优点在于：考虑因素全面，既考虑了台段面设计标高调整对土方挖填工程造价的影响，又考虑了台段面设计标高调整对边坡支护及建构筑物基础投资的影响；适用范围广，既适用于地形条件简单且场地平土标高单一的建设场地，又适用于地形条件复杂且具有多个场地平土标高的台段式场地；计算方法简单实用、计算过程快速高效、计算结果准确可靠，避免了传统计算方法因人为主观性导致的误差大、准确度差等弊端与不足。

附图说明

图1为本发明多台段式场平布局土方平衡优化设计方法流程图。

图2为场区地形坡度分布等值线图。

图3为优化后场平挖填三维效果图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

某大型水泥厂生产线建设项目位于低山丘陵区，整体地形南高北低，除右侧堆山部位受前期矿渣堆积影响导致局部高程过大外，拟建场区高程分布范围主要集中在230～240m之间，建设项目设计为台段式布局。

1)根据图2所示场区坡度分布等值线图可知，现状条件下场地地形坡度主要集中在0～30°之间，约占整个场区面积的98％，据此可判定场区岩土体天然休止角在30°左右，即自然稳定坡比约为1：1.70，根据建筑边坡工程技术规范(GB50330-2002)土质边坡坡率允许值和岩质边坡坡率允许值，确定填方区土质边坡坡率为1：2.0，挖方区岩质边坡坡率为1：1.0。

2)根据总图布局，工程区由223建构筑物台段、235建构筑物台段、236建构筑物台段、240建构筑物台段、242建构筑物台段、场区道路及四周边坡七个场平单元构成，利用GPCAD土方计算软件计算得不同类场平单元的挖填方量占比、面积占比及挖填不平衡系数等土方特征参数如表1所示。由于场区道路及四周边坡场平挖填方量受控于建构筑物台段设计标高，据此可确定223台段、235台段、236台段、240台段、242台段为控制性场平单元，场区道路和四周边坡为依附性场平单元。

3)根据表1，在控制性挖方场平单元中，235建构筑物台段挖方量最大，其挖方量占总挖方场平单元的78.94％，面积占挖方场平单元的70.99％，挖填不平衡系数2.45，据此判断该台段为关键性挖方场平单元；在控制性填方场平单元中，223建构筑物台段填方量最大，其填方量占总填方场平单元的34.98％，面积占填方场平单元的29.85％，挖填不平衡系数0.46，且该台段上部建构筑物为水泥包装及发运系统，对地基土承载力要求不高，据此判断该台段为关键性填方场平单元。

4)确定土方平衡的优化设计目标，具体包括土方挖填不平衡系数控制在0.95～0.98、土方挖方总量最小和相邻台段面高差最小三个优化设计目标。

5)根据表1所示优化前各场平单元的土方特征参数，结合式(8)所示土方平衡的优化设计模型，采用逼近法，求解关键性场平单元优化技术参数的过程如表3所示。由表3可知，当Δh_w＝2.07m时，(Δh_w-Δh_T)→0，考虑到实际场平过程中的精度，在此取为2.0m，据此确定该项目土方平衡优化的具体技术参数如下：

①原223建构筑物台段面设计标高由223m抬升至225m。

②原235建构筑物台段面设计标高由235m抬升至237m。

③为满足场区竖向工艺技术要求，将原236建构筑物台段面设计标高由236m抬升至237m。

④场区道路设计标高依据上述台段面设计标高进行同步调整，即将原223～235m道路设计标高抬升2.0m，其余道路设计标高保持不变。

6)根据土方平衡优化后的技术参数，结合格网计算模型，利用GPCAD土方计算软件计算优化后的土方量，以验证其可靠性。具体计算结果如表2，对比优化前后的土方计算结果可知：

①从挖填不平衡系数上看，优化前未考虑开挖回填调整系数时的总挖填不平衡系数为1.59，约有37.3万方余土需要外运；优化后考虑开挖回填调整系数时的挖填不平衡系数为0.97，基本上无余土需要外运，满足第一条土方挖填基本平衡的优化设计目标。

②从土方挖方总量上看，优化前挖方总量约为100.4万方，优化后挖方总量约为83.1万方，总挖方量减少约17.3万方，满足第二条土方开挖总量最小的优化设计目标。

③从相邻台段面高差上看，优化前相邻台阶面高差依次为2.0m、5.0m、12.0m，且多条道路与台阶间均存在高差，形成直立陡坎；优化后相邻台阶面高差依次为2.0m、3.0m、12.0m，且降低了道路与台阶面的高差，满足第三条相邻台段面高差最小的优化设计目标。

④从四周边坡挖填特征上看，优化前边坡挖方量为9.72万方，优化后边坡挖方量为7.68万方，优化后边坡挖方量减少约2.04万方，既降低了边坡开挖坡高，又降低了高边坡开挖的施工难度。

⑤优化设计方案选择225建构筑物台段作为主填方区，该区上部建构筑物为水泥包装及发运系统，对地基承载力要求不高，属最佳主弃土场。

Claims (4)

1.一种用于多台段式场平布局的土方平衡优化设计方法，其特征在于，实施步骤如下：

第一步：根据场区地形坡度分析确定岩土体休止角，结合建筑边坡工程技术规范GB50330-2002土质边坡坡率允许值和岩质边坡坡率允许值，选定稳定合理的边坡挖填坡比；

第二步：根据总图布局，将场平区划分为不同建构筑物台段场平单元、道路场平单元及边坡场平单元，利用GPCAD土方计算软件，确定不同类场平单元的挖填方量占比、面积占比及挖填不平衡系数三个土方特征参数；

第三步：依据场平单元内在联系及土方特征参数大小确定控制性场平单元和依附性场平单元；

第四步：在控制性挖方场平单元中，以挖方量占比及面积占比最大为控制目标，遴选出关键性挖方场平单元；

在控制性填方场平单元中，以上部建构筑物对下部地基土承载力要求最低和面积占比最大为控制目标，遴选关键性填方场平单元；

第五步：确定场平土方平衡优化设计目标，具体包括土方挖填基本平衡的优化设计目标、土方挖方总量最小的优化设计目标、相邻台段面高差最小的优化设计目标；

第六步：以关键性挖方场平单元和填方场平单元台段面设计标高为优化变量，以土方挖填基本平衡为目标函数，构建土方平衡的优化设计计算模型，并结合土方挖方总量最小、相邻台段面高差最小两个土方平衡的优化设计目标，求解土方平衡的优化设计计算模型，确定各场平单元的优化技术参数；

第七步：确定土方平衡的优化技术参数，通过△h_w、△h_T和其他非关键场平单元设计标高以及依附性场平单元的设计标高调整高差；

所述场平单元的优化技术参数确定按下列方式完成：首先根据关键性挖方场平单元的现状地形，给定一个初始值较大的△h_w，代入式(8)土方平衡的优化设计计算模型，计算出△h_T；然后根据△h_T及(△h_w-△h_T)的正负性调整△h_w，直至(△h_w-△h_T)→0，若△h_T<0，则增加△h_w，若(△h_w-△h_T)<0，则减少△h_w，反之亦然；最后根据各场平单元间的内在联系及工艺要求确定非关键性场平单元及依附性场平单元的设计标高调整高差；

第八步：根据土方平衡优化后的技术参数，结合格网计算模型，利用GPCAD土方计算软件计算优化后的土方量，以验证其可靠性；

其中，所述土方平衡的优化设计计算模型按式(1)计算：

△V_W-△V_T＝△V_z (1)

式中：△V_W为关键性挖方场平单元台段面设计标高调整后的挖方减少量；△V_T为关键性填方场平单元台段面设计标高调整后的填方增加量；△V_z为台段面设计标高调整后的总净余方量,

所述土方平衡的优化设计计算模型中各分量，需考虑台段面设计标高调整对非关键性场平单元挖填方量的影响及土方开挖回填扩容效应，各分量按式(2)、(3)、(4)计算：

△V_z＝α×△V×β_z (2)

△V_w＝α×△h_w×S_w×β_w (3)

△V_T＝△h_T×S_T×β_T (4)

式中：α为土方开挖回填扩容系数；△V为台段面设计标高调整前的总净余方量；△h_w为关键性挖方场平单元台段面设计标高调整高差；△h_T为关键性填方场平单元台段面设计标高调整高差；S_w为关键性挖方场平单元面积；S_T为关键性填方场平单元面积；β_z为台段面设计标高调整对总净余方量的影响系数；β_w为关键性挖方场平单元台段面设计标高调整对净挖方量的影响系数；β_T为关键性填方场平单元台段面设计标高调整对净填方量的影响系数,

所述土方平衡的优化设计计算模型中影响系数，依据台段面设计标高调整前的挖填不平衡系数进行确定，各影响系数按式(5)、(6)、(7)计算：

${\mathrm{\&beta;}}_z=\frac{k_z-1}{k_z+1}---\left(5\right)$

${\mathrm{\&beta;}}_w=\frac{k_w-1}{k_w+1}---\left(6\right)$

${\mathrm{\&beta;}}_T=\frac{1-k_T}{k_T+1}---\left(7\right)$

式中：k_z为台段面设计标高调整前的总挖填不平衡系数；k_w为台段面设计标高调整前的关键性挖方场平单元挖填不平衡系数；k_T为台段面设计标高调整前的关键性填方场平单元挖填不平衡系数；

根据式(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)，所述土方平衡的优化设计计算模型式(1)按式(8)计算：

$\mathrm{\&alpha;}\&times;({\mathrm{\&Delta;h}}_w\&times;S_w\&times;\frac{k_w-1}{k_w+1}-\mathrm{\&Delta;}V\&times;\frac{k_z-1}{k_z+1})={\mathrm{\&Delta;h}}_T\&times;S_T\&times;\frac{1-k_T}{k_T+1}---\left(8\right)$

α为土方开挖回填扩容系数。

2.根椐权利要求1所述的一种用于多台段式场平布局的土方平衡优化设计方法，其特征在于：所述土方挖填基本平衡的优化设计目标是指：为减少土方调配运距，在尽可能满足各场平单元自身挖填平衡的前提下，合理调整台段面设计标高，使得总挖填方量达到基本平衡，以减少余土外运或借土投资；考虑岩土体具有可松性，天然岩土体挖出来后体积将扩大，将这部分土转到填方区压实后其体积仍比最初天然岩土体的体积要大，即存在一个土方开挖回填扩容系数α，一般取为1.02～1.05，当考虑开挖回填扩容系数时，挖填不平衡系数宜控制0.95～0.98之间。

3.根椐权利要求1所述的一种用于多台段式场平布局的土方平衡优化设计方法，其特征在于：所述土方挖方总量最小的优化设计目标是指：在满足台段面工艺、道路设计及边坡稳定三个技术要求的前提下，合理调整关键性挖方场平单元和填方场平单元台段面设计标高，以期使得挖方总量最小，减少场平土方工程投资。

4.根椐权利要求1所述的一种用于多台段式场平布局的土方平衡优化设计方法，其特征在于：所述相邻台段面高差最小的优化设计目标是指：在满足上述两点优化设计目标的前提下，合理调整关键性挖方场平单元和填方场平单元的台段面设计标高，尽可能降低相邻台段面高差，以减少直立陡坎加固费用；具体实施过程中，可采用关键性挖方场平单元和填方场平单元台段面设计标高同升同降的方法予以解决。