GPCAD在矿山地质环境治理工程土石方计算中的应用

还祥生



GPCAD在矿山地质环境治理工程土石方计算中的应用

还祥生

（北京市地质矿产勘查开发总公司，北京 100050）

规划总图设计软件GPCAD是基于AUTOCAD软件开发的，用于城市总体规划、控制性详细规划，主要功能有地形处理、地形分析、土石方量计算等。GPCAD软件采用方格网法进行土石方量计算，本文介绍了规划总图设计软件GPCAD计算土石方的基本原理，介绍了方格网划分、零点位置计算和工程量计算公式。矿山地质环境问题主要包括地形地貌破坏、土地资源占压和生态破坏等，矿山开采过程中形成的大量废弃土石方是造成上述问题的根源。因此，矿山地质环境治理工程项目设计、施工通常涉及到大面积的地形整治工程和大规模土石方量的计算，本文结合矿山地质环境治理工程设计实例，通过计算范围确定、方格网布设、自然标高采集、设计标高设定，介绍了各步骤的操作方法，运用GPCAD进行大规模土石方量计算，计算得出区块土石方挖、填方量和净方量。

GPCAD软件；方格网；矿山地质环境治理；土石方量计算

0　引言

矿山开采破坏形成的地质环境问题主要包括地形地貌破坏、土地资源占压和生态破坏等，矸石、废渣等大规模、大方量的土石料堆是破坏矿山地质环境的主要因素（张兴等，2011；张进德，2010；张兴，2009）。矿山地质环境治理工程常采用土石方清运、地形整治、绿化工程等治理措施对矿山地质环境进行修复，这就涉及到大规模的土石方量计算。土石方量计算结果的精确度直接关系到工程的投资预算及设计方案的优化，也直接关系到业主单位、施工单位的利益（罗云志等，2008；马占林等，2010）。为避免或减少建设工程各参建方对土石方量的争议，如何利用测量成果或数字地形准确的计算出土石方量就成了各方关注的焦点问题。本文通过矿山地质环境治理工程实例，阐述了GPCAD软件计算大规模土石方量的应用和结论与建议，为从事矿山地质环境治理工程的相关人员提供一定的参考与启发。

1　GPCAD计算土石方量的基本原理

GPCAD是基于AUTOCAD软件开发的规划总图设计软件，主要适用于城市总体规划/控制性详细规划，修建性详细规划/居住区规划，工厂总图等设计领域。GPCAD主要功能有地形处理、地形分析、地形三维、地块规划、土石方量计算、总平面设计等。GPCAD软件具有功能强大、性能稳定、技术领先等优势。

GPCAD中的土石方计算主要是用于计算建设场地平整的土石方工程量，其土石方计算采用的是方格网计算法，适用于变化连续的地形情况。

方格网法是将场地划分为若干个具有一定间距的正方形方格，设定方格网角点的高程，对方格网面按四角高程的平均值计算土石方量（汪海燕，2010）。挖、填方量分别用“-”、“+”号表示，然后分别计算每一方格的挖、填方量。将所有方格的挖、填方量汇总，即得场地挖方和填方的总土石方量。

1.1方格网划分

根据已有地形图布设一定间距的方格网，将场地划分成若干个方格，按照自然标高与设计标高设定每个方格网角点高程，两者的差值即代表各角点的施工高度（挖或填），挖方为“-”，填方为“+”，见图1。

图1　方格网法计算土石方示意图Fig.1 Sketch Diagram of Earthwork Calculation with Grid Net

1.2零点位置计算

同时具有填方与挖方的方格，应先计算出方格网边上的零点的位置，并标注于方格网上，连接零点即得填方区与挖方区的分界线（即零线）。零点的位置确定与计算见图2：

通过计算x1、x2确定零点的位置，按下式计算：

式中： x1、x2——角点至零点的距离（m）；h1、h2——相邻两角点的施工高度（m），均用绝对值；a——方格网的边长（m）。

图2　零点位置计算示意图Fig .2 Sketch Diagram of Zero Position Calculation

1.3工程量计算

GPCAD软件采用双向切分三棱锥平均值计算土石方量，根据方格各角点施工高度的不同，零线（即方格边上零点的连线）将三角形划分为两种情况：三角形全部为挖方或填方（图3），以及部分挖方和部分填方（图4）。

图3　全填或全挖模型示意图Fig.3 Sketch Diagram of All Digging or Filling Model

图4　部分挖、填模型示意图Fig.4 Sketch Diagram of Part Diging and Part Filling Model

（1）第一种情况：三角形全部为挖方或填方全填或全挖将形成底面为三角形的三棱柱，其体积V

式中：h1、h2、h3——角点的施工高度（m）；a——方格网的边长（m）。

（2）第二种情况：部分挖方和部分填方由于零线将三角形划分成底面为三角形的锥体和底面为四边形的锲体，锥体和楔体体积公式分别计算如下：

锥体体积V1 计算：

楔体体积V2 计算：

式中：h1、h2、h3——角点的施工高度（m），均取绝对值；a——方格网的边长（m）。

最后，分别统计所有方格土石方量计算为“+”和为“-”的体积总和，这样“-”的体积总和就是该地形内土石方量挖方数，“+”的体积总和就是该地形内土石方量填方数。

2　应用实例

河北省张家口下花园区资源枯竭城市矿山地质环境治理项目治理目标是消除地质灾害隐患、保护地下水系、涵养地表水源、恢复生态植被，最大限度地增加和恢复可利用土地资源，其主要治理工程设计为地形整治工程。

2.1地形整治工程设计思路

地形整治工程采用规划总图设计软件GPCAD进行地形分析、场地标高设计和土方量计算。利用GPCAD进行地形设计、土方量计算需要区块范围、控制点标高和区块控制坡度等参数。根据项目区地形特征和相关规划要求，首先划定地形整治范围，并划分1～19个区块（土石方计算的方格网单元）；控制点标高和区块控制坡度根据项目所在地相关规划、建设用地性质和周边道路控制点标高等确定。

2.2GPCAD计算土石方

通过计算范围确定、方格网布设、自然标高采集、设计标高设定，采用规划总图设计软件GPCAD进行地形分析和土石方量计算。

（1）计算范围确定

本项目需要进行土石方计算和工程设计的项目区块范围，应根据场地地形起伏、连续情况以及需要进行避让的房屋建筑和基础设施等进行划分。

（2）方格网布设

根据土石方工程设计和计算精度要求，在地形图上对项目区块按照正交方格布设方格网，纵、横向间距分别设定为2m，即布设成2×2 m的正交网格，项目区块方格网布置方式、方格属性参数等设定见图5所示。

图5　方格网布置示意图Fig .5 Sketch Diagram of Grid Net Setting

（3）自然标高采集

在地形图上布设的方格网具有原始地形标高等属性，应用GPCAD软件通过三角网的构建就可以采集到方格网角点的自然标高，即对方格网角点的自然标高赋值。

（4）设计标高设定

根据本工程设计需要，并结合项目区块现场实际情况，确定该区块的工程设计控制点坐标（X，Y，Z）。按照该场地工业用地的建设用地属性（场地坡度应控制为0.2%～10%），设定场地的主控方向即第一方向设计坡度为-8%；参照该场地邻近公路和周边地形标高，设定场地的第二控制方向设计坡度为1.5%。采用“二点坡度面”对项目区块进行设计标高输入、设定（图6）。

图6　设计标高设定示意图Fig.6 Sketch Diagram of Design Elevation Setting

（5）土石方量计算

在进行土石方量计算之前，需要根据现场岩土体的土质类别，设定现场岩土体的松散系数，最初松散系数K1和最后松散系数K2。由勘查结论可知，现场土质类别为碎石土，K1、K2分别取值为1.26、1.03。运用GPCAD软件土石方计算功能可计算得出该项目区块土石方挖、填方量及净方量，土石方计算方格网及结果见图7。

图7　土石方计算方格网及结果示意图Fig.7 Sketch Diagram of Grid Net Calculation and the Result

3　结论

本文从理论上分析了GPCAD软件计算土石方量的基本原理，通过矿山地质环境治理项目实例，运用GPCAD软件进行大方量土石方计算，详细阐述了土石方量计算的流程与相关参数的设定，及土石方结果的计算。

（1）在矿山地质环境治理工程中，GPCAD软件能够较精确、快速的对大规模土石方量进行计算，可以对所有区块的土石方量进行统计、汇总。

（2）通过地形参数设定及土石方量计算，每个方格角点具有设计标高和施工高度值，因此可用以地形整治设计和指导施工。

（3）方格网设置的间距越小，其计算结果越精确，但是其计算耗时也越长，因此建议选用处理速度较快的电脑和硬件设备，以保证GPCAD软件运行与计算速度。

［1］张兴，王凌云. 矿山地质环境保护与治理研究［J］.中国矿业，2011，20（8）：52～55.

［2］张进德，田磊. 矿业城市矿山地质环境综合治理对策研究［J］. 城市地质，2010，5（3）：28～31.

［3］张兴. 我国矿业和谐发展中的矿山环境治理问题分析［J］. 国土资源科技管理，2009，26（6）：110～113.

［4］罗云志，李接艺. 土木工程土石方量计算方法及应用［J］. 企业科技与发展，2008，24（14）：131～132.

［5］马占林，李积兰，余筱蓉. 土石方量计算方法比较［J］. 地矿测绘，2010，26（1）：29～32.

［6］汪海燕. 基于方格网法对工程土方量精度计算的研究［J］. 山西建筑，2010，36（20）：92～93.

Application of GPCAD Software in Earthwork Calculation for Mine Geological Environment Project

HUAN Xiangsheng
（Beijing Geology Development Corporation， Beijing 100050）

GPCAD， a general layout design software， is developed on AUTOCAD software for general plan of city and control detailed planning .The main function contains terrain processing， terrain analysis， earthwork calculation etc. GPCAD software calculates the earthwork by using the method of grid net. The thesis summarizes the principle of earthwork calculation with GPCAD software and introduces the steps of grid division， zero position calculation and engineering quantity calculation. Mine geological environment problems mainly include topography， destruction of land resources and ecological damage influence etc. A large number of wastes in the process of mining are the root cause of the problem. So the engineering of design and construction usually involves the calculation of large area terrain remediation projects and large-scale earthwork calculation. Combining the example of the mine geological environment project design， by means of ascertaining calculation scope， setting grid net， collecting natural elevation， setting design elevation， the amount of large-scale earthwork， the earthwork excavation， fill volume and the net weight are calculated by the GPCAD software.

GPCAD software； Grid net； Mine geological environment construction； Earthwork calculation

TU463

A

1007-1903（2016）02-0093-05

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.02.019

还祥生（1983- ），男，硕士，主要从事地质灾害治理工程项目的勘查、设计工作。E-mail：81014504@qq.com。