南水北调一期工程渠道郑州段开挖方量计算方法的研究

刘起霞，邹 昕，李卓宇，张 乐

（河南工业大学土木建筑学院，郑州 450001）

南水北调一期工程渠道郑州段开挖方量计算方法的研究

刘起霞，邹 昕，李卓宇，张 乐

（河南工业大学土木建筑学院，郑州 450001）

在南水北调一期工程中，郑州1段第二标段地质条件复杂，岩石的强度、埋深不一，需要对不同强度岩石的开挖方量进行计算，对应采取不同的开挖方案。分别采用断面计算法、不规则三角网法、方格网计算法等方法对基岩的空间分布、开挖方量计算进行了详细的研究，为渠道开挖施工提供必要的科学参数，为科学信息化施工组织提供技术支撑。

渠道开挖； 开挖方量； 精度； 施工方法

南水北调中线工程主要解决京津华北地区城市供水问题，缓解京津华北地区城市用水矛盾，缓和城市挤占生态与农业用水的矛盾，增加工业发展活力，改善生态环境。南水北调中线一期工程总干渠沙河南～黄河南段是南水北调中线一期工程总干渠的第Ⅱ渠段，全长234.748km。一期工程郑州1段第二标段地质条件复杂，渠道地基土类型复杂，主要工程地质问题有黄土地基、膨胀土地基、风化岩地基等，开挖过程中遇到了一系列的问题，特别是岩土分界线波状起伏，埋深不一，需要采取不同的开挖方案，该项目对不同基岩强度进行了详细的研究，对应采取的开挖方法进行了分类，通过研究为渠道开挖施工提供必要的科学参数，为施工组织提供技术支撑。

1 工程概况

南水北调中线一期工程总干渠沙河南～黄河南段是南水北调中线一期工程总干渠的第Ⅱ渠段，全长234.748km。该次研究的渠段工程位于河南省郑州市境内，可研阶段渠线起点桩号SH201＋000，终点桩号SH210＋775，渠段线路总长9.775km。渠道边坡开挖高度最高23.27m，最低5.0m，一般10～19m，设计底宽12.5～19.5m，以土质边坡为主，在渠道SH210＋100～SH210＋773段，上部为土质边坡、下部为岩石边坡。

2 渠道环境地质条件

该渠段地处暖温带大陆性季风气候区，据郑州气象站资料统计，多年平均气温为14.4℃，极端最高气温42.3℃，极端最低温度－17.9℃；日照时数2 302h；多年平均风速2.5m／s，历年最大冻土深度270mm，全年无霜期294d。该区多年平均雨量为632.3mm。

南水北调中线一期工程总干渠郑州1段（桩号SH201＋000～SH210＋773），位于岗地与平原的过渡地带。渠线以东为广阔的黄（河）淮（河）冲积平原，渠线以西属低山岗地。山脉大体呈东西向，向东逐渐与黄（河）淮（河）冲积平原相接。地势总体呈西高东低，北高南低的特点。

地下水按其赋存条件及性质可分为孔隙～裂隙水与孔隙水两种类型。孔隙～裂隙水主要分布于桩号SH202＋505以北，主要由第四系上更新统（al＋plQ3）黄土状重粉质壤土构成含水层，弱透水性，主要为潜水，水位高程在98.00m以下。孔隙水主要分布于贾鲁河、贾峪河的河床、漫滩及一级阶地下部。含水层组由第四系全新统冲积成因的砂、砾卵石及粉质壤土组成，多呈透镜体状，厚度一般1～3m。含水层接受河水的补给，富水性好，受地层岩性变化影响，渗透性各向变化较大，具弱～中等透水性，渗透系数为1.0×10－3～3.0×10－6mm／s。

根据工程地质勘察报告得知：桩号SH210＋100～SH1210＋773段地层岩性由老到新依次为：中更新统冲洪积层（al＋plQ2）、上更新统冲积层（alQ3）、全新统冲积层（alQ4）。

和渠道开挖有关的土层由下至上分述如下：

中更新统冲洪积层以棕黄、褐黄或浅棕红色粉质粘土、细砂和砂砾石为主，夹有重粉质壤土，厚度4～28m。第⑥层砂砾岩：杂色（灰白、灰绿色），磨圆度较好，砾石粒径一般2.0～5.0cm，约占60%左右，最大约10cm，呈次圆角状。以强风化为主、局部中等风化或弱风化。砾石主要成份灰岩、砂岩、石英岩。主要以钙质胶结为主，钙硅质、钙泥质、泥钙质胶结次之。砂砾岩层底高程109.5～118.4m，层厚0.86～4.3m，分布桩号：SH210＋100～SH210＋773。

第⑦层砂岩（N1L）：该渠道开挖范围内的砂岩，按照其胶结物类型可分为硅质砂岩、钙泥质砂岩和泥质砂岩。

上更新统冲洪积层沿渠线广泛出露，岩性为浅黄、褐黄色黄土状粉质壤土、重粉质壤土，局部夹有粉质粘土或粉质壤土透镜体、薄砂层或砂层透镜体。黄土状粉质壤土可分为黄土状轻粉质壤土、黄土状中粉质壤土、黄土状重粉质壤土。其顶板高程为101.58～131.12m。

全新统冲积层分布于须水河河床部位。地层岩性为砂壤土、轻粉质壤土，其间夹有腐殖质、淤泥质轻粉质壤土和淤泥质砂壤土、薄砂层和砂砾石透镜体，岩性变化大，层厚2.0～18.0m，层底高程103.39～104.42m。

岩体分类：完全按照岩土体形成年代将岩土体分类不能反映岩石开挖的坚硬程度，所以按照《岩土工程勘察规范》（GB 50021－2001）等现行规范和标准可将岩体分为五大类，见表1。

表1 岩石坚硬程度分级

3 开挖方量计算方法

渠道开挖量的计算是水利工程施工的一个重要步骤。工程施工前的设计阶段必须对土石方量进行预算，它直接关系到工程的费用概算及方案选优。在现实中的一些工程项目中，因土方量计算的精确性而产生的纠纷也是经常遇到的。如何利用测量单位现场测出的地形数据或原有的数字地形数据快速准确的计算出土方量就成了人们日益关心的问题。比较常用的几种计算渠道开挖量的方法有：方格网法、等高线法、断面法、DTM法、区域土方量平衡法和平均高程法等。

3.1 断面计算法

当地形复杂起伏变化较大，或地狭长、挖填深度较大且不规则的地段，宜选择横断面法进行土方量计算。在范围较大、精度要求高的情况下更为明显；若是为了减少计算量而加大断面间隔，就会降低计算结果的精度；所以断面法存在着计算精度和计算速度的矛盾。

3.1.1 横断面计算法

开挖渠道土方量的计算方法可分为两类，一类是纵断面法，即以纵断面为基础，采用网格平均宽度法和面积填充法计算土石方量。由于岩性的极不均一性，研究采用横断面法计算，横剖面的间隔与计算精度有直接关系。在该渠段开挖量计算过程中，我们在SH210＋100～SH210＋773范围取了41个横剖面（在岩性变化较大的渠段横断面的间隔为10～20m），左右岸基岩分界面不一致的情况、基岩分界面两侧高中间低的情况、钙质砂砾岩下面出现泥质砂砾岩的情况、中间钙硅质砂砾岩基岩面高于两侧的情况等典型剖面见图1～图4。

3.1.2 纵剖面计算法

第二类是横断面法，即以横断面为基础，采用平均深度计算棱柱体积。地质素描图按照渠道分左右岸进行素描（见图5和图6），两岸的基岩出露高程大体差不多，但地层岩性结构却存在较大的变化。现在根据渠道左右岸地质素描图，采用方格网平均宽度法和面积填充法计算出各岩性层的方量，并分层计算出各岩性层的方量。

3.2 不规则三角网法

不规则三角网（TIN）是数字地面模型DTM表现形式之一，该法利用实测地形碎部点、特征点进行三角构网，对计算区域按三棱柱法计算土方。由于三角网中的点和线的分布密度和结构完全可以与地表的特征相协调，直接利用原始资料作为网格结点，能够插入地性线以保存原有关键的地形特征，以及能很好地适应复杂、不规则地形，从而将地表的特征表现得淋漓尽致。因此在利用T1N计算土方量时就大大提高了计算的精度。

3.3 方格网计算法

对于大面积的土石方估算以及一些地形起伏较小、坡度变化平缓的场地适宜用格网法。这种方法是将场地划分成若干个正方形格网，然后计算每个四棱柱的体积，从而将所有四棱柱的体积汇总得到总的土方量。在传统的方格网计算中，土方量的计算精度不高，但引入一种新的高程内插的方法，即杨赤中滤波推估法，计算精度大大提高。

4 岩石开挖方量校核

横剖面法的计算结果见表2，并根据《工程岩体分级标准》（GB 50218—94），将岩石的坚硬程度按岩石单轴饱和抗压强度的划分类别列于表3中。

表2 土石方量计算结果一览表

纵剖面法的计算结果见表3。

表3 不同胶结岩性的基岩方量计算统计表

该工程于2012年12月～2013年6月进行实地开挖，经核算横断面和纵断面两种方法的精度均比不规则三角网法和方格网计算法要准确。

5 结 论

a.在复杂地质条件下，不同强度岩土开挖方法不同，准确计算不同强度岩石的开挖方量十分重要，根据不同强度岩土安排适合的开挖机械对降低工程成本、保证工期起着至关重要的作用。

b.南水北调中线一期工程渠道涉及岩土分层比较多，层面起伏变化大，同种岩层的强度相差很大，单纯根据钻探资料计算不同岩土开挖方量计算误差很大。

c.本研究分别采用横断面计算法、纵剖面计算法、不规则三角网法和方格网计算法计算了软岩、较软岩和较硬岩的开挖方量，并在实际开挖中进行检验，实践证明对于复杂岩土体分布条件下横断面计算法的精度较高。

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［2］陈玉莹，吴小燕，庞逸群.复杂地区土方量计算的一种新方法［J］.勘察科学技术，2009（6）：53－57.

［3］王少云.不规则三角网法在土方量计算工程的应用［J］.北京测绘，2009（2）：51－53.

［4］朱洪威，谢志华.高速公路工程设计中土方工程量计算精度的方法分析［J］.黑龙江交通科技，2010（1）：55－56.

［5］曹建亮.公路工程设计中土方工程量计算精度的方法研究［J］.交通世界，2011（3）：191－192.

Research on the Methods of Calculating the Volume of Canal Excavation in the First Stage of the South－to－north Water Transfer Project in Zhengzhou Section

LIU Qi－xia，ZOU Xin，LI Zhuo－yu，ZHANG Le
（Civil Engineering and Architecture College，Henan University of Technology，Zhengzhou 450001，China）

In the first stage of the South－to－north Water Transfer Project，the geological conditions of the second section of the one section of Zhengzhou and the types of foundation soil of the canal are complex.There are a series of problems during the excavation process，such as the different strength of the same rock，especially the undulating boundary of the rocks and the different buried depth.In order to calculate the excavation volume of the rocks with different strength，we should take the corresponding approaches to the problems.This article made a detail research on the spatial distribution of the basic rocks and the calculation for the volume of the excavation and used the cross，vertical method to provide the necessary technology data in this project and provided a technology support for planning and programming of project construction.

canal excavation； the volume of the excavation； accuracy；construction method

10.3963／j.issn.1674－6066.2014.02.034

2014－01－24.

南水北调中线一期工程总干渠沙河北～黄河河南南段郑州1段2标段渠道开挖范围内基岩强度与施工开挖方法研究（H2013tj65）项目资助.

刘起霞（1965－），硕士，副教授.E－mail：liuqixia65＠163.com