Civil 3D在新疆某长距离输水隧洞工程弃渣场规划设计的应用

常 胜

(新疆水利水电勘测设计研究院， 乌鲁木齐 830000)

1 工程概况

新疆某长距离输水隧洞工程规模为大(1)型工程，其主要建筑物为1级，次要建筑物为3级，临时建筑物为4级。隧洞位于某山脉南麓中山区及低山、丘陵区，沿线地形起伏，横跨4条中小型河流。穿越的地层岩性有：① 奥陶系(O)黑云母石英片岩、结晶片岩；② 泥盆系(D)花岗片麻岩、黑云母片麻岩；③ 石炭系(C)的凝灰质砂岩、黑云母片麻岩、角闪黑云母长英角岩；④ 华力西期(γ4)侵入花岗岩、黑云母花岗岩、花岗斑岩及闪长岩。隧洞大多数处于新鲜岩体内，裂隙不发育，围岩以块状和厚层状，岩体较完整，属中—坚硬岩。

本工程遵循《水利水电工程施工组织设计规范》(SL303—2017)[5]和《水利水电工程水土保持技术规范》(SL575—2012)[6]，以“满足环境保护，水土保持要求和当地城乡建设规划要求”和“弃渣场宜靠近开挖作业区的山沟、山坡、荒地等地段，不占或少占耕(林)地，地基承载力满足堆渣要求”的原则，综合分析建筑物布置特点、地形特性及施工支洞的位置等条件，共设置17处弃渣场地；其中包含3级和4级渣场各6处，5级渣场5处。隧洞沿线施工场地位于山区和丘陵区，因此，弃渣场多以沟道型和坡地型为主。

12#弃渣场位于低山丘陵区一处天然冲沟，属沟道型渣场。沟长约为650 m左右，宽约为70～185 m；地势东高西低，分布高程为656～688 m，沟道纵坡约为1/20.31。地表基岩多裸露，岩性为泥盆系花岗片麻岩，强风化层厚度为3～5 m，弱风化层厚度为8～10 m，天然密度为2.74 g/cm3，自然吸水率为0.11～0.47，饱和抗压强度为40.8～121 MPa，软化系数为0.71，属中～坚硬岩；饱和抗剪强度c=3.2 MPa，φ=48.0°，地基承载力为1.5 MPa。根据场地钻孔揭露，地下水位埋深为22 m，地下水为基岩裂隙水。12#弃渣场渣量为39.89万m3，最大堆高为20 m。

17#弃渣场位于某水库下游右岸阶地，地形平坦、开阔，临近河流坡面冲沟发育；地势北高南低，分布高程为622～630 m，相对高差约为8 m，属坡地型渣场。地表为第四系上更新统冲积砂卵砾石，厚度为10～15 m，砂卵砾石天然干密度为2.06 g/cm3，渗透系数为2.6×10-1cm/s，为强透水层。下覆岩性为石炭系片麻岩，强风化层厚度为3～5 m，弱风化层厚度为8～10 m，天然密度为2.76 g/cm3，自然吸水率为0.13～0.2，饱和抗压强度为64.3～171 MPa，软化系数为0.67，属坚硬岩；饱和抗剪强度c=2.0 MPa，φ=50.6°，地基承载力为1.2 MPa。地下水为基岩裂隙水，埋深大于20 m。17#弃渣场渣量为99.91万m3，最大堆高为20 m。

根据《水土保持工程设计规范》(GB 51018—2014)[7]中弃渣场级别规定：12#弃渣场堆渣量小于50万m3，最大堆渣高度为20 m，渣场失事对主体工程或环境造成危害的程度属于5级(无危害)，确定其级别为4级。17#弃渣场堆渣量小于100万m3，大于50万m3，最大堆渣高度为20 m，渣场失事对主体工程或环境造成危害的程度属于4级(较轻)，确定其级别为4级。

2 渣场规划设计

2.1 设计思路

Civil 3D凭借着三维动态建模与设计，仿真分析和数据动态链接等功能，使其被广泛运用于水利，市政，交通运输等行业的设计工作中。兰立伟[1]等通过Civil 3D建立动态土石坝坝体模型，并绘制断面图，计算坝体工程量。王奕钦[2]从曲面创建，装配设置，曲线放样，挖填方工程量计算等方面介绍了Civil 3D在双曲拱坝建模中的应用。缪正建[3]等提出了基于Civil 3D的水利水电工程施工总布置三维设计方法。陈接永[4]通过对BIM软件研究，初步形成了一套可用于水保勘测设计的流程体系。

沟道型弃渣场特征为堆渣体将沟道全部或部分填埋；沟道内弃渣形成与渣顶等高线齐平的平台，沟口位置弃渣按照一定坡度放坡至地面。结合沟道型弃渣场特征，通过Civil 3D的曲面和放坡功能建立弃渣场动态堆渣体模型。建模主要过程：① 根据地形测量资料创建原始地形曲面，并检查其准确性；② 依据选址沟道的地形，渣量，坡比，堆高；划定一条沟口分界线，该线作为渣顶平台和斜坡的分界线，高程值为渣顶高程；③ 创建设计曲面，并计算堆渣体积；该曲面由渣顶平台和斜坡曲面两部分构成；④ 根据计算结果调整沟口分界线位置和高程；⑤ 结合水文，地质等基础资料布置挡渣墙等工程措施。最终划定弃渣场征地范围。

坡地型渣场的特征弃渣堆放在缓坡地、河流或沟道两侧较高台地上，堆渣体底部高程高于河(沟)中弃渣场设防洪水位。堆渣体一般呈棱台体，顶部为不规则几何图形平台，平台边缘以一定坡度放坡至地面。结合坡地型弃渣场特征，通过Civil 3D的建模主要过程：① 根据地形测量资料创建原始地形曲面，并检查其准确性；② 依据弃渣场选址处地形，地物，渣量，坡比，堆高，初步划定弃渣场范围；③ 自下而上“一次放坡”确定弃渣场平台范围和渣顶高程；④ 根据步骤3得到的弃渣场平台范围和渣顶高程“二次放坡”，创建设计曲面，并计算堆渣体积；通过调整坡顶线直到满足弃渣要求；⑤ 结合水文、地质等基础资料布置挡渣墙等工程措施，最终划定弃渣场征地范围。

2.2 沟道型渣场

1) 创建地形曲面

具体步骤：“工具空间”→右键单击“曲面”选择“创建曲面”→“定义”→“等高线”或“图形对象”或“点文件”→分别对应添加测量成果(包含等高线，高程点，高程块等)。选中新创建的地形曲面，“对象查看器”可视化窗口检查地形曲面是否存在地形错误，可通过“编辑曲面”→“删除点”或“删除直线”的方法，删除有误的地形高程点或等高线。检查“曲面特性”→“定义”→“生成”，显示高程范围。如果该范围值超出了该片区域地形合理高程值，可通过“排除小于(大于)此值的高程”，修正地形曲面。

2) 划定沟口分界线

结合地形，地类，地物，水文等资料，选取合适的荒沟作为弃渣场地。根据沟道地形，面积，渣量，在沟口位置划定分界线；并将其转化成要素线，赋值渣顶高程。

3) 创建设计曲面

设计曲面包括渣顶平台曲面和斜坡曲面：① 渣顶平台曲面可通过创建曲面并添加沟口分界线和沟道内与渣顶齐平的等高线作为特征线实现，需注意等高线在要素线处断开；② 斜坡曲面采用Civil 3D放坡工具，选择步骤2中要素线“放坡创建工具”→选择放坡规则“曲面-挖填坡度”→选择地形曲面作为“目标曲面”，并输入坡度放坡→创建放坡曲面和体积曲面，放坡曲面即为斜坡曲面；③ 渣顶平台曲面和斜坡曲面通过粘贴曲面功能形成设计曲面。

放坡体积工具可查看初拟高程和坡度下对应的弃渣场容积是否满足堆渣需求。

4) 调整沟口分界线位置和高程

根据“二分法”数学原理，试算几组渣顶平台高程，创建相应设计曲面，复核渣量体积；能够较为快速确定渣顶高程。此时再重复步骤3)，唯一不同的是放坡规则，由于为了快捷确定渣顶高程，可选择“一坡到底”不含马道的放坡规则。在确定渣顶高程后，开展较为详细的设计工作时，选择“距离-相对高程”的组合放坡规则，按照设计坡度和马道层层放坡，创建设计曲面。

5) 划定弃渣场征地范围

选中设计曲面，点击“分析”→“曲面之间最小距离”→选择设计曲面和地形曲面，生成堆渣体坡脚线。最后预留管理范围和挡渣墙，护坡等安全拦挡工程措施用地范围的基础上，划定渣场征地范围线。图1为12#弃渣场平面设计示意，图2为12#弃渣场三维效果示意。

图1 12#弃渣场平面设计示意

图2 12#弃渣场三维效果示意

2.3 坡地型渣场

1) 创建地形曲面

创建地形曲面并检查曲面准确性同2.2步骤1)。

2) 划定弃渣场范围

弃渣场选址结合地形，地物，地类等因素，初步划定弃渣场范围。在预留管理范围和挡渣墙，护坡等安全拦挡工程措施用地范围的基础上，确定渣体的坡脚线；将其转化成要素线并对其高程赋值。具体步骤：“要素线”→“从对象创建要素线”选择坡脚线→“指定高程”→“从曲面”中选择地形曲面。从地形曲面获取高程值时，勾选“插入中间坡度转折点”功能，坡脚线会被重新添加许多转折点。此操作提高精度，但放坡功能减弱。

3) “一次放坡”确定弃渣场渣顶平台范围和渣顶高程。

步骤2)得到的要素线按照“高程-坡度”规则自下而上放坡，利用放坡生成的曲面与地形曲面计算弃渣体积，逐步形成线→面→体的过程。

具体步骤：“创建放坡”→“放坡创建工具”→“选择标准集”中选择“目标：高程”→“高程-挖填坡度”→“创建放坡”→选择坡脚线，输入拟定高程和坡度，放坡→创建放坡曲面和体积曲面→“创建填充”选取渣顶区域→“放坡体积工具”查看该高程和坡度下对应的弃渣场容积；通过“编辑放坡”功能调整高程和坡度，渣体体积也实时动态更新。由于该步骤采用“一坡到顶”放坡形式，坡面并未设置马道；因此，此处渣体体积应略大于弃渣场实际所需容积时，对应的渣顶高程值较为合适。在确定合适渣顶高程值后，多段线绘制得到弃渣场坡顶线，将其转化成要素线并赋值渣顶高程。

4) “二次放坡”创建设计曲面

步骤3)得到渣场坡顶线选择“距离-相对高程”的组合放坡规则进行“二次放坡”，按照设计坡度和马道层层放坡，创建设计曲面。

5) 划定弃渣场征地范围

划定弃渣场征地范围步骤同2.2步骤3)。图3为17#弃渣场平面设计示意，图4为17#弃渣场三维效果示意。

图3 17#弃渣场平面设计示意

图4 17#弃渣场三维效果示意

3 结语

本文以新疆某长距离输水隧洞工程12#和17#弃渣场为例，运用Civil 3D的曲面及放坡功能并结合沟道型和坡地型弃渣场各自特征，分别建立了动态堆渣体模型。结果显示Civil 3D在隧洞工程弃渣场规划设计的应用具有较好可操作性，较传统土石方计算结果快速准确，三维可视化效果良好，可为类似工程提供借鉴。