高利科

（吉林省長(zhǎng)泓水利工程有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130000）

CASS7.0軟件“斷面法土方計(jì)算”在水利工程土方計(jì)算中的應(yīng)用

高利科

（吉林省長(zhǎng)泓水利工程有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130000）

CASS7.0軟件斷面法土方計(jì)算法能數(shù)字化繪圖、一鍵批量成圖及自動(dòng)計(jì)算土方量，計(jì)算成果可靠。其中，直接斷面法應(yīng)用于帶狀、狹長(zhǎng)結(jié)構(gòu)；間接斷面法采用數(shù)字高程模型生成里程文件，應(yīng)用于任何千變?nèi)f化的地形。以水利工程為例，對(duì)2種方法的操作流程進(jìn)行了詳細(xì)論述，與DTM法計(jì)算成果進(jìn)行了比對(duì)分析，指出了提高斷面法精度的措施。

CASS軟件；斷面法；里程文件

1 問(wèn)題的提出

水工建筑物填筑（或開(kāi)挖）的收方、驗(yàn)方測(cè)量是水利工程施工建設(shè)階段測(cè)量工作的主要內(nèi)容。土方計(jì)算直接關(guān)系到工程造價(jià)，由于施工后地形無(wú)法復(fù)原性及土方計(jì)算偏差極易引起糾紛，因此合理選用計(jì)算方法，客觀、準(zhǔn)確、高效地計(jì)算土方量，是每一位工程技術(shù)人員需要認(rèn)真思考的問(wèn)題。

水電水利工程優(yōu)先選用斷面法計(jì)算土方。規(guī)范規(guī)定，水電水利工程在工程開(kāi)工前、施工過(guò)程中及工程竣工后實(shí)測(cè)的地形圖或斷面圖均為工程量計(jì)算和工程結(jié)算的依據(jù)[1]。另外，斷面法具有圖式對(duì)應(yīng)，便于與設(shè)計(jì)斷面圖比對(duì)等優(yōu)點(diǎn)，通常被業(yè)內(nèi)認(rèn)可和采納。

傳統(tǒng)的斷面法計(jì)算土方時(shí)，地形圖及斷面圖均為手工在米格紙上繪制，斷面面積采用解析法、圖解法及求積儀等方式獲得，工作量大，亦不準(zhǔn)確，而且易出錯(cuò)，錯(cuò)誤修改也困難?；贏UTOCAD平臺(tái)的南方CASS軟件在成圖效率、數(shù)據(jù)處理等方面具有自己的特點(diǎn)，其土方計(jì)算功能為大家普遍認(rèn)可，軟件內(nèi)置“斷面法土方計(jì)算”模塊，分道路斷面、場(chǎng)地?cái)嗝婧腿我鈹嗝?種計(jì)算方法。在長(zhǎng)期的斷面測(cè)量和繪制實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，斷面法土方計(jì)算不僅在道路工程中有廣泛應(yīng)用，實(shí)際上在水利工程中對(duì)任意地形，均能實(shí)現(xiàn)斷面成圖的數(shù)字化、批量化及土方計(jì)算的自動(dòng)化，計(jì)算成果準(zhǔn)確、可靠。

2 斷面法土方計(jì)算原理及流程

2.1 斷面法土方計(jì)算原理

把確定的土方計(jì)算范圍，以一定的間距（可不等分）劃分為若干相互平行的橫截面；按照原始地面線與設(shè)計(jì)線組成的斷面圖，計(jì)算斷面線所圍成的面積；以相鄰兩斷面面積的平均值乘以兩斷面的間距，得到相鄰兩斷面間體積；各個(gè)相鄰斷面的體積相加，求出總體積即土方量。這種計(jì)算土方量的方法稱為斷面法，亦稱為平均斷面法。為了減小斷面法計(jì)算偏差，規(guī)范對(duì)斷面間距布置做了規(guī)定：開(kāi)挖、填筑工程應(yīng)根據(jù)土方計(jì)算成果的用途、工程部位和地形復(fù)雜程度在5 ～ 20 m范圍內(nèi)選擇；有特殊要求的部位按設(shè)計(jì)要求執(zhí)行[1]。唐平英研究了斷面法計(jì)算精度的問(wèn)題，指出相鄰斷面面積相差較大時(shí)，平均斷面法計(jì)算土方量的誤差較大[2]，因此在實(shí)踐中應(yīng)調(diào)整相鄰斷面間距值，控制斷面面積比值（小斷面與大斷面面積之比）不小于0.6。

2.2 斷面法土方計(jì)算流程

根據(jù)采集數(shù)據(jù)方式的不同，斷面法一般分為2種：一種是直接斷面法，即先根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙、實(shí)際地形地貌布置斷面位置，再進(jìn)行原始地形斷面測(cè)量，在工程施工中和工程竣工后進(jìn)行開(kāi)挖斷面和竣工斷面測(cè)量；另一種是間接斷面法，即先測(cè)量碎步點(diǎn)，勾繪三角網(wǎng)，再根據(jù)三角網(wǎng)截取斷面圖，繼而進(jìn)行工程量計(jì)算。斷面法土方計(jì)算流程見(jiàn)圖1 ～ 2。

圖1 直接斷面法土方計(jì)算流程圖

圖2 間接斷面法土方計(jì)算流程圖

3 斷面法土方計(jì)算流程分析

3.1 直接斷面法土方計(jì)算流程分析

3.1.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

防洪渠道、疏浚工程、土石壩壩體填筑等線性、帶狀工程，宜采用直接斷面法，利用全站儀、GPS測(cè)量?jī)x等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。斷面點(diǎn)之間的密度應(yīng)能真實(shí)描述工程實(shí)際地形和滿足工程量計(jì)算的需要，斷面寬度應(yīng)超出工程開(kāi)挖邊線5 ～ 10 m。必須測(cè)錄“橫斷面中心點(diǎn)”，中心點(diǎn)可以選擇縱向軸線與斷面線交點(diǎn)，也可以選縱向軸線的平行線與斷面線的交點(diǎn)。

3.1.2 生成斷面里程文件

3.1.2.1 生成測(cè)量斷面里程文件

“由坐標(biāo)文件生成”是專門(mén)處理直接斷面法采集的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)文件的編碼需要按照以下格式定義[3]：

點(diǎn)號(hào)，M1，X坐標(biāo)，Y坐標(biāo)，高程

點(diǎn)號(hào)，1，X坐標(biāo)，Y坐標(biāo)，高程

……

點(diǎn)號(hào)，M2，X坐標(biāo)，Y坐標(biāo)，高程

點(diǎn)號(hào)，2，X坐標(biāo)，Y坐標(biāo)，高程

……

點(diǎn)號(hào)，Mi，X坐標(biāo)，Y坐標(biāo)，高程

點(diǎn)號(hào)，i，X坐標(biāo)，Y坐標(biāo)，高程

其中，代碼Mi表示道路中心點(diǎn)；代碼i表示該點(diǎn)是對(duì)應(yīng)Mi的道路橫斷面上的點(diǎn)；M1、M2、M3各點(diǎn)應(yīng)按實(shí)際的道路中線點(diǎn)順序，而同一橫斷面的各點(diǎn)可不按順序。

測(cè)量數(shù)據(jù)按以上格式編輯后存盤(pán)為文件A.dat，執(zhí)行“工程應(yīng)用”/“生成里程文件”/“由坐標(biāo)文件生成”命令，生成測(cè)量斷面里程文件B.hdm。

3.1.2.2 生成設(shè)計(jì)斷面里程文件

設(shè)計(jì)斷面里程文件用手工輸入和編輯的方式生成。手工輸入就是直接在文本中編輯里程文件。格式如下：

BEGIN，斷面里程：斷面序號(hào)

第一點(diǎn)里程，第一點(diǎn)高程

第二點(diǎn)里程，第二點(diǎn)高程

……

下一個(gè)斷面

……

說(shuō)明：每個(gè)斷面編碼第一行以“BEGIN”開(kāi)始；“斷面里程”參數(shù)表示當(dāng)前“橫斷面中心點(diǎn)”在縱斷面圖上的里程；“BEGIN”“斷面里程”后的“，”“:”必須在英文半角狀態(tài)輸入?！皵嗝嫘蛱?hào)”參數(shù)和3.1.2.1中測(cè)量數(shù)據(jù)生成的里程文件的“斷面序號(hào)”參數(shù)相對(duì)應(yīng)，以保證同一位置的斷面數(shù)據(jù)展繪在同一個(gè)斷面圖上；各點(diǎn)應(yīng)按斷面上的順序表示，里程依次從小到大。里程是指設(shè)計(jì)斷面圖中的點(diǎn)相對(duì)于“橫斷面中心點(diǎn)”的水平距離，左側(cè)為負(fù)值，右側(cè)為正值。

設(shè)計(jì)斷面里程文件編輯后存盤(pán)為C.hdm。當(dāng)計(jì)算施工過(guò)程中的斷面開(kāi)挖方量時(shí)，第二期斷面線數(shù)據(jù)亦通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，可參考3.1.2.1方法生成斷面里程文件C.hdm。

3.1.3 斷面法土方計(jì)算

計(jì)算土方的2期斷面線里程文件生成后，執(zhí)行“斷面法土方計(jì)算”模塊的命令，操作程序如下：

第一步：“工程應(yīng)用”/“斷面法土方計(jì)算”/“道路斷面”。在彈出的“斷面設(shè)計(jì)參數(shù)”對(duì)話框中，在“選擇里程文件”欄輸入保存好的B.hdm；“繪圖參數(shù)”部分視出圖效果及版面要求做調(diào)整；點(diǎn)擊“確定”；彈出“沒(méi)有設(shè)計(jì)高程，是否繼續(xù)繪斷面圖？”的提示框，點(diǎn)擊“是（Y）”；彈出“繪制縱斷面圖”對(duì)話框，設(shè)置“斷面圖比例”后，點(diǎn)擊“斷面圖位置”處的“…”，在CASS屏幕上點(diǎn)擊縱斷面圖位置后，重新返回到“繪制縱斷面圖”對(duì)話框，點(diǎn)擊“確定”，再次轉(zhuǎn)到CASS界面，在屏幕上點(diǎn)擊橫斷面圖位置 ，斷面圖會(huì)批量生成。

若生成的圖形布局不合理，全部刪除圖形后重復(fù)第一步，在“繪圖參數(shù)”部分做調(diào)整。

在“選擇里程文件”欄輸入的文件也可以選擇C.hdm。在這一欄輸入那一期的數(shù)據(jù)，斷面圖中僅會(huì)標(biāo)注該期斷面線特征數(shù)據(jù)。

要實(shí)現(xiàn)土方量自動(dòng)計(jì)算功能，第一步是不可缺少的步驟。

第二步：“工程應(yīng)用”/“斷面法土方計(jì)算”/“圖上添加斷面線”。在彈出的“選擇里程文件”欄輸入另一期斷面線數(shù)據(jù)文件C.hdm（或B.hdm），點(diǎn)擊“確定”，返回到CASS界面，按照屏幕底部命令行提示，全選第一步生成的斷面圖。斷面圖兩期斷面線全部繪制完成。

生成的兩期斷面線，有些是不閉合的，需要人工逐一檢查，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整，調(diào)整方法可以用“延伸”命令在圖面上直接操作，亦可執(zhí)行“工程應(yīng)用”/“斷面法土方計(jì)算”下的“修改設(shè)計(jì)參數(shù)”“編輯斷面線”等命令作修改。CASS7.0軟件自帶的面積計(jì)算工具，在斷面線不封閉的情況下，也能計(jì)算，但多次驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩期斷面線大范圍不閉合時(shí)，自動(dòng)計(jì)算的斷面積是錯(cuò)誤的。所以調(diào)整斷面線使其閉合是非常重要的。

第三步：“工程應(yīng)用”/“斷面法土方計(jì)算”/“二斷面線間土方計(jì)算”。按照屏幕底部命令行提示，分別選擇一、二期斷面線、全選斷面圖后，在屏幕適當(dāng)位置點(diǎn)擊，即可自動(dòng)生成“土石方數(shù)量計(jì)算表”。

若在第一步中選擇“場(chǎng)地?cái)嗝妗?，則與“道路斷面”的操作程序完全相同。若選擇“任意斷面”，僅需在“任意斷面設(shè)計(jì)參數(shù)”對(duì)話框中的“中樁設(shè)計(jì)高程”一欄輸入一個(gè)高程值，可以是接近真值的任何數(shù)，其他的操作與“道路斷面”也是相同的。

3.2 間接斷面法土方計(jì)算流程分析

在水利工程中，水電站、泵站等工程的施工場(chǎng)地集中，原始地形、地貌復(fù)雜多變。因此，測(cè)量地形碎步點(diǎn)、特征點(diǎn)，勾繪三角網(wǎng)，采用間接斷面法土方計(jì)算更方便、快捷。與直接斷面法土方計(jì)算操作流程相比，“生成設(shè)計(jì)斷面里程文件”及“斷面法土方計(jì)算”是相同的，以下介紹另外3個(gè)步驟。

3.2.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

外業(yè)采集的數(shù)據(jù)的密度和結(jié)構(gòu)就是要使勾繪的三角網(wǎng)與真實(shí)地表的特征相協(xié)調(diào)。首先，野外跑點(diǎn)人員要掌握三角網(wǎng)的建網(wǎng)原理，能根據(jù)不同的地形合理布設(shè)碎部點(diǎn)；其次，地形復(fù)雜的部位，測(cè)繪人員要繪出相應(yīng)草圖；第三，坎、坡的坎邊、坎跟、坡頂、坡底均需布設(shè)一定數(shù)量的地形點(diǎn)；第四，測(cè)點(diǎn)間距一般5 m左右，圖上距離應(yīng)不大于3 cm，地形變化處應(yīng)該加密測(cè)點(diǎn)。

3.2.2 建立數(shù)字高程模型

3.2.2.1 建立數(shù)字高程模型的流程

數(shù)字高程模型流程見(jiàn)圖3。

圖3 建立數(shù)字高程模型流程圖

3.2.2.2 確定比例尺

收方圖比例尺宜為1:500或1:200；大范圍的收方圖的比例可選1:1 000[1]。

執(zhí)行“繪圖處理”/“工程應(yīng)用”/“改變當(dāng)前圖形比例尺”命令，按照屏幕下命令行的提示輸入比例數(shù)值即可。

3.2.2.3 建立DTM

運(yùn)行相關(guān)命令，完成展高程點(diǎn)及展野外測(cè)點(diǎn)點(diǎn)號(hào)后，先將測(cè)圖的外圍點(diǎn)用復(fù)合線順序連接，再將山脊線、山谷線、地貌變向線、坡頂線及坡底線等地性線用復(fù)合線繪出。執(zhí)行“等高線”/“建立DTM”命令，圖面顯示生成的三角網(wǎng)。

3.2.2.4 三角網(wǎng)修正及存盤(pán)

“建立DTM”命令生成的三角網(wǎng)采用邊擴(kuò)建法，先選擇一點(diǎn)作為起始三角形的一個(gè)頂點(diǎn)，然后找距離最近的點(diǎn)連成一條邊，以該邊為基礎(chǔ)，遵循角度最大或距離最小原則找到第三個(gè)點(diǎn)，形成初始三角形，由起始三角形的三邊依次往外擴(kuò)展，并進(jìn)行重復(fù)檢測(cè)，最后將點(diǎn)集內(nèi)所有的離散點(diǎn)構(gòu)成三角網(wǎng)，直到所有建立的三角形的邊都擴(kuò)展過(guò)為止[4]?？梢?jiàn)，CASS7.0軟件自動(dòng)生成的三角網(wǎng)并不一定切合現(xiàn)場(chǎng)地形，當(dāng)?shù)孛捕鄻訌?fù)雜、測(cè)點(diǎn)密度低時(shí)，地性線會(huì)通過(guò)三角網(wǎng)內(nèi)部，使得三角形的面“進(jìn)入”或“懸浮”于地面，構(gòu)建的數(shù)字地面模型與真實(shí)地形不符。應(yīng)對(duì)三角網(wǎng)進(jìn)行手工修正。

執(zhí)行工具欄“繪圖順序”命令，使提前勾繪的地性線及測(cè)圖范圍線顯現(xiàn)，利用“等高線”下的三角網(wǎng)修正命令，逐一修訂。

修改三角網(wǎng)后，一定要執(zhí)行“等高線”/“三角網(wǎng)存取”/“寫(xiě)入文件”命令，否則修改無(wú)效。

3.2.3 生成測(cè)量斷面里程文件

實(shí)踐證明，由碎部點(diǎn)生成里程文件時(shí)，三角網(wǎng)法與實(shí)際地形地貌最吻合。由三角網(wǎng)生成里程文件的操作如下：

（1）用復(fù)合線在圖上繪出根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙確定的縱斷面線。CASS7.0軟件默認(rèn)復(fù)合線的起點(diǎn)為較小的里程樁號(hào)；

（2）用復(fù)合線在圖上繪出土方開(kāi)挖或填筑邊線，估算邊線到縱斷面線的最大距離為Am；

（3）執(zhí)行“工程應(yīng)用”/“生成里程文件”/“由縱斷面線生成”/“由縱斷面線生成”命令 。

若多數(shù)斷面線間距固定為B m，則執(zhí)行“新建”命令，在彈出的“由縱斷面生成里程文件”對(duì)話框中確定相關(guān)參數(shù)為：“等分”“B”“A + C”“A + C”(為方便后期修剪斷面線，這里C設(shè)為大于20 m的整數(shù)值)，點(diǎn)擊“確定”。繪制其他斷面線可執(zhí)行“添加”命令。

若斷面線間距基本上都不相同，則執(zhí)行“添加”命令，依照屏幕命令提示行輸入相關(guān)參數(shù)即可。

當(dāng)縱斷面線不是直線時(shí)，執(zhí)行“新建”“添加”命令，也能準(zhǔn)確的繪制斷面線。

（4）執(zhí)行“地物編輯”/“復(fù)合線處理”/“直線—復(fù)合線”命令，把斷面線的直線屬性改為復(fù)合線。

（5）將縱斷面線向左、右兩側(cè)“偏移”(A + 10)m，以保證斷面寬度超出工程開(kāi)挖線10 m，并依此修剪斷面線，確定斷面線范圍。

（6）執(zhí)行“工程應(yīng)用”/“生成里程文件”/“由三角網(wǎng)生成”命令。三角網(wǎng)生成里程文件時(shí)，默認(rèn)從斷面線左側(cè)起算里程，因此斷面起始里程輸入-(A + 10)。逐個(gè)保存生成的里程文件。

（7）編輯（6）中逐個(gè)生成的里程文件，補(bǔ)充完整“BEGIN”后的“斷面里程”“斷面序號(hào)”參數(shù)；將各個(gè)斷面線里程文件按照“斷面里程”由小到大的順序合并在同一個(gè)文件中，文件存盤(pán)為B.hdm。

4 斷面法土方計(jì)算精度分析

4.1 直接斷面法精度影響因素

影響直接斷面法土方計(jì)算的主要因素有：①野外測(cè)點(diǎn)是否按地形變化，采集全部變化點(diǎn)；②測(cè)點(diǎn)偏離斷面線的距離大??；③相鄰斷面的間距。

4.2 間接斷面法精度分析及實(shí)例計(jì)算

間接斷面土方計(jì)算精度取決于對(duì)真實(shí)地貌的采樣過(guò)程及對(duì)數(shù)據(jù)的二次處理。在CASS7.0軟件中，DTM法、斷面法及方格網(wǎng)法等土方計(jì)算方法的本質(zhì)區(qū)別是對(duì)野外采樣數(shù)據(jù)的二次處理機(jī)制不同?；跀?shù)字高程模型的“計(jì)算2期間土方”(DTM法)的成果精度最高[5]?，F(xiàn)將間接斷面法土方計(jì)算成果與之比較分析。

表1給出了位于吉林省白城市青山鎮(zhèn)的青山加壓泵站工程中集水池土方開(kāi)挖工程量的算例。

表1 DTM法、斷面法計(jì)算的土方量比較表

由表1可以看出，以DTM法的計(jì)算成果作為土方量的最或然值，間接斷面法計(jì)算土方量的誤差為2.1%，計(jì)算成果可靠。

4.3 提高斷面法計(jì)算土方精度的措施

斷面法計(jì)算土方原理簡(jiǎn)單，計(jì)算成果可讀性強(qiáng)。為了提高土方計(jì)算精度可以采取措施有：①采用全站儀、GPS測(cè)量?jī)x等先進(jìn)的測(cè)量工具，保證測(cè)點(diǎn)質(zhì)量。②按地形變化采點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)分布密度應(yīng)滿足構(gòu)建三角網(wǎng)的要求。在獲得斷面的大概位置測(cè)量的碎部點(diǎn)密集，構(gòu)建的三角網(wǎng)越接近真實(shí)地貌，斷面線越準(zhǔn)確。③在原始地形或設(shè)計(jì)斷面變化大的部位，應(yīng)增加計(jì)算斷面，縮小相鄰斷面間距。④計(jì)算過(guò)程中用到的三角網(wǎng)都應(yīng)進(jìn)行人工處理。

5 結(jié) 語(yǔ)

斷面法土方計(jì)算法能批量生成斷面圖、自動(dòng)計(jì)算工程量、成果可靠。直接斷面法應(yīng)用于道路、溝渠、大壩等狹長(zhǎng)帶狀地形，適用按橫斷面采集數(shù)據(jù)的情形；間接斷面法采用CASS7.0軟件中的數(shù)字高程模型生成里程文件，應(yīng)用于任意地形地貌土方計(jì)算，適用按碎步點(diǎn)方式采集數(shù)據(jù)的情形。因此，斷面法計(jì)算土方量的方法不僅用于道路工程，同樣適用于包括水利工程在內(nèi)的其他建設(shè)工程。

[1] 彭荷生，榮燮陽(yáng)，劉緯，等. DL/T 5173 — 2003水電水利工程施工測(cè)量規(guī)范[S].北京：中國(guó)電力出版，2003.

[2] 唐平英.斷面法土方量計(jì)算公式的精度[J].港口技術(shù)，1998(1)：33 - 33.

[3] 劉宇軒，馬春林，程俊，等.數(shù)字化地形地籍成圖 CASS7.0用戶手冊(cè)[M].廣州:南方測(cè)繪儀器有限公司，2006.

[4] 王少云.不規(guī)則三角網(wǎng)法在土方量計(jì)算工程的應(yīng)用[J].北京測(cè)繪，2009(2)：51.

[5] 雷松，王海英，艾云毅.方格網(wǎng)法與三角網(wǎng)法相結(jié)合準(zhǔn)確計(jì)算土方量[J].城市勘測(cè)，2011(6)：154.

（責(zé)任編輯 姚小槐）（責(zé)任編輯 黃 超）

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2016-10-11

高利科(1979 - )，男，工程師，大學(xué)本科，主要從事水利工程測(cè)量及招投標(biāo)工作。E - mail：158529855@qq.com