基于南方CASS的多级边坡土石方量精确计算应用研究

基于南方 CASS 的多级边 坡 土石方量精确计算 应用研究

徐天雄 熊旭辉 刘 超

中国核工业华兴建设有限公司 安装 分公司第 三直属项目 部

[摘要]铁路、公路、矿山及建筑等一系列的建设工程项目施工过程中经常遇到山体多级边坡土石方开挖工程，其土石方工程量往往难以准确计算。为此我们针对目前国内应用最为广泛土方算量软件南方CASS开展了多级边坡土石方工程量精确计算的应用研究，通过构建虚拟底面完成了土石方工程量的精确计算。基于南方CASS软件的虚拟底面计算法可以简单快捷地计算出多级边坡土石方工程量，计算精确度较高，可以进行进一步的推广和普及。

[关键词] 多级边坡；南方CASS；虚拟底面；土石方量

引言

我国属于多山地少平原国家，基础建设过程中需要进行大量的山体土石方开挖施工作业。随之也就形成了大量的山体高切坡工程，高切坡工程往往采用多级边坡的形式进行放坡支护。现阶段建筑业内同行大多采用断面法进行多级边坡土石方工程量计算，其计算过程相对复杂、计算精度较为粗略。目前关于多级边坡土石方工程量精确计算方面参考资料和文献较少，我们利用国内较为应用普遍的南方CASS软件的现有功能模块，探索研究出一种简单快捷的多级边坡土石方工程量精确计算的方法，现进行总结分享，供业内同行进行参考。

1. 应用研究背景

某项目位于广西壮族自治区梧州市藤县东部，项目选址所在地原始地形以山地为主，该项目需进行大量的山体土石方开挖场平施工。为了准确计算边坡土石方工程量，避免因各参建方采用的土石方工程量计算软件不同而产生的工程量量差导致不必要的纠纷。项目各参建方共同召开了土石方工程量计算软件选定会议，考虑到项目建设单位、监理单位、审计单位及财评单位等参建方预算员均仅具备南方CASS软件的操作经验。经各参建方协商，最终决定采用南方CASS软件计算结果作为本项目土石方工程量结算依据。

本项目施工前期，土石方运输道路修建及市政水管迁改施工需沿山体侧面进行局部开挖场平，场平施工形成了大量的高切坡。本项目高切坡采用多级边坡的形式进行设计，土石方工程量难以计算。为了能够应用南方CASS软件完成多级边坡土石方工程量计算，我们根据南方CASS软件现有功能模块展开了应用研究，并不断地对计算方法进行优化，最终精确地完成了多级边坡土石方工程量计算。

2. 应用分析

南方CASS软件提供了三角网法、方格网法及断面法计算土石方工程量的计算方法。经过应用对比分析发现，南方CASS软件三角网法仅能计算出单级边坡土石方工程量。南方CASS软件断面法与常见道路设计软件的土石方计算方法类似，均采用挖方区横断面面积乘以断面分段长度得出方量，计算精度不足。且其断面法仅能计算出二级边坡土石方工程量，无法满足本工程多级边坡土石方工程量计算需求。

经应用研究发现，南方CASS软件中方格网土方计算模块中提供了平面、斜面【基准点】、斜面【基准线】和三角网文件共4种设计基底面的计算方式，前三种设计基底面均无法实现多级边坡土石方工程量计算。通过试验，我们在多级边坡设计平面图中各级边坡平台线上布设了大量的高程点，通过高程点生成边坡坡面三角网文件，最后将三角网文件作为虚拟底面进行方格网土石方工程量计算，成功实现了多级边坡土石方工程量计算成果的一次性输出。

3. 计算原理

方格网法是将场地划分为若干个正方形方格网，再将场地设计标高和自然地面标高分别标注在方格角上，找出零线位置，然后通过四角棱柱体法和三角棱柱体法分别计算每一方格地填挖方量，最后汇总得出场地的填挖方总量，常见的土石方算量计算机软件均可完成计算任务。但方格网法计算土石方工程量主要应用于基底面规则的开阔场地，对于设计有大量坡间平台的多级边坡，其设计基底面呈倾斜且不规则的形状，大量方格网的方格处于边坡之上，难以确定方格角上的设计标高，目前多数土石方算量计算机软件无法通过方格网法直接准确地完成计算任务。

上述基于南方CASS软件的多级边坡土石方算量法，先通过三角网法模拟边坡的最终成型状态，构建出一个倾斜的不规则虚拟底面，再应用方格网法进行计算虚拟底面与原始地表之间的土石方体积，最终得以准确地完成多级边坡的土石方工程量计算。

4. 计算方法

3.1 计算流程

原始地貌测量→生成原始地貌地形图→边坡平面图绘制→CASS绘制边坡各级平台线处高程点→生成三角网虚拟底面→检查三角网虚拟底面→生成三角网文件→CASS展高程点→通过CASS方格网法【三角网文件】模块计算土石方工程量。

3.2 原始地形数据的收集和处理

通常情况下，勘察单位提供的原始地形图多由卫星遥感数据形成，误差较大。直接采用该原始地形图计算的土石方工程量会出现较大的偏差。为确保数据的准确性，宜采用RTK设备测设的实测数据或采用无人机航拍形成的地形数据。受山体表面的灌木、植被的影响，无人机航拍地形数据仍存在一定的误差，需根据实际情况进行数据处理后方可应用。

为确保计算结果更为真实可靠，土石方工程量计算应用的原始地貌高程点间距应控制10m以下。对原始地貌进行测量时应尽可能地增加高程数据采集点的密集度，原始地貌高程点间距越小，后续土石方工程量计算结果就越准确。

3.3 虚拟底面的构建

3.3.1 高程点绘制

通常情况下，边坡土石方施工前已由设计单位出具多级边坡平面施工图纸，平面施工图中已标注多级边坡各个边坡坡度、平台开口线坐标定位和标高。施工平面图纸导入到南方CASS软件后，即可通过软件中插入高程点的功能添加高程点。高程点位于各个边坡平台边线处，通常每个平台上的高程点标高均一致，可批量设置高程点。为减少误差，提高边坡土石方工程量计算精确程度，高程点绘制宜控制在5m以内，高程点布置间距越小，工程量计算结果越精确。

3.3.2 虚拟底面构建

根据上述已布置的图面高程点，利用南方CASS软件中的等高线【建立三角网】模块即可完成三角网建立。操作时需勾选【由图面高程点生成】及【是否延伸到边选项】，以确保三角网虚拟底面的准确性。

3.3.3 虚拟底面检查和输出

三角网虚拟底面直接影响后续边坡土石方量计算的准确性，确保三角网虚拟底面的准确性尤为重要。三角网虚拟底面由软件自动计算生成，由于人为操作失误和软件计算误差等原因，难免出现差错。因此虚拟底面构建完成后，必须进行人工检查后方可输出三角网文件。通过显示【三维动态观察】模块，可将图面显示的平面三角网虚拟底面转换为三维动态形式，直观地体现虚拟底面是否与设计图纸吻合。若三角网虚拟底面存在错误，可通过【删除三角网】功能将三角网快速删除，修改高程点后重新构建三角网虚拟底面。最后，通过等高线【三角网存取】模块中的【写入三角网】选项即可完成三角网文件的输出和保存。

3.4 土石方工程量计算

三角网虚拟底面构建完成后计算土石方工程量的方法与常规计算方法基本一致。首先选择绘图处理【展高程点】模块，将已处理完成的原始地貌高程点数据导入CASS软件中。然后选择工程应用【方格网计算】模块，导入三角网文件，并根据图面高程点进行土石方工程量计算即可。为了确保数据的准确性，计算时宜将方格网方格宽度进行缩小，大小控制在5-10m为宜。受山体形状和所框选的计算区域范围过大等问题的影响，计算结果中可能出现少量填方工程量，因边坡开挖工程不涉及土方回填作业，可忽略不计。若需去除计算结果中的填方工程量，可根据上述计算结果的平面图中的填挖方分界线重新绘制边坡计算范围，对土石方工程量进行再次验算即可。

5. 总结

本文介绍的基于南方CASS的多级边坡土石方量精确计算方法，通过建立三角网虚拟底面，模拟多级边坡的最终成型状态，结合原始地形数据，可精确计算出多级边坡土石方工程量。三角网虚拟底面可根据边坡设计形式进行灵活调整，适用于各类边坡土石方工程量计算。对于大型的复杂基坑工程的土石方工程量，在绘制好详细的“坑中坑”及基坑边坡开挖平面图纸的情况下，理论上同样可以通过建立三角网虚拟底面一次性完成土石方工程量计算。后续我们将大型开展复杂基坑的土石方工程量计算的进一步探索和研究。

参考文献：

[1] GB50330-2013，建筑边坡工程技术规范

第5页/共5页