《武汉工程大学学报》 2013年05期
27-31
出版日期：2013-05-31
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
三维矿业工程软件优化挖填土石方的方法
0引言当前信息技术中计算机处理速度和处理能力发展迅猛，为数字矿山提供了强大的技术支持.数字矿山的兴起，赋予了矿山三维可视化技术新的意义与发展空间.三维可视化是实现数字矿山战略的关键技术，要真正实现矿山数字化，就必须以3DMine为基础\[1\].3DMine矿业工程软件是我国第一款拥有自主知识产权、功能齐全、全中文界面、操作简便、兼容性强，达到国外同类软件可视化效果、模块功能、符合国际行业规范且易于操作的三维矿业工程软件系统.3DMine矿业工程软件的研发，打破了国外同类软件长期垄断的局面，为我国矿业和建筑行业实现信息化和数字化提供了专业的软件平台.它的发展和应用情况标志着我们国家矿业和建筑业的现代化水平\[2-3\].工程项目建设中经常会涉及到土石方的开挖和填埋，合理的开挖和填埋不仅能节约投资，而且能响应党中央提出的“环境友好型”的号召.利用3Dmine建立土石方挖填的三维模型，通过表面体积计算中的三角网法、网格法、断面法、区域土方平衡法来分析和计算土石方的开挖量和填埋量，根据不同的土壤松散系数设计出区域土方平衡标高，能优化土石方挖、填\[4\].1三角网法三角网法是用坐标(x，y，z)的数字形式来表达区域内的地貌形态,以微缩的形式再现了地表形态高低起伏的变化特征，具有直观、形象、精确等特点，适用于所有的地形，并且计量的精度相当高.打开3DMine软件，从文件中调入已经建立好的面1.3 dm和面2.3 dm，然后调整z坐标使两个面相交.在面1.3 dm上画一个任意闭合的边界线，即要计算的区域的边界线，该边界线在xy平面的投影内要确保面1.3 dm和面2.3 dm有相交部分，其z坐标并不重要，只要确定平面坐标就行.打开表面体积计算中的三角网法，会弹出两个DTM\[5\]之间体积计算的对话框，点击生成实体、打印报告、计算闭合线内的量，然后根据提示来操作即可得出如图1所示的挖方填方三维模型（第一层为填方部分，第三层为挖方部分）和如图2所示的工程量计算报告. 图1挖方填方三维模型（第一层为填方部分，第三层为挖方部分）Fig.1Cutandfill threedimensional model（the first layer is fill section，the third layer is cut section ）图2工程量计算报告Fig.2Engineering calculation report从图1挖方填方三维模型和图2工程量计算报告可知三角网法有以下优点:a.三角网中线的分布结构和密度完全与地表的特征协调，不改变原始数据，能很好地适应工程体不规则、起伏较大地形，从而将地表的特征呈现出来,而且土石方计算精度也较高.b.能够插入地性线保存其原有关键的地貌特征，坡地的坡肩、坡根为明显的沿地性线.对工程位置测量，并考虑到地性线生成三角网时,可真实直观的反映每个台阶坡面的形状.c.利用三角网建立DTM三维模型计算土石方量精度较高,在设计地表十分不规则的时候,用其他的方法很难精确计算出挖、填土石方量.而利用三角网法，可以建立设计地表DTM三维模型，当建立原始地表DTM的数据精确,且所构建的三角网趋于无穷多时，可以重现土石方量的地表形态与特征,与实际工程体最为接近，因此计算的土石方量最优.这是其他几种方法所不能做到的\[6\].第5期田昌贵，等：三维矿业工程软件优化挖填土石方的方法武汉工程大学学报第35卷2网格法网格法的原理就是把工作区域分成N个网格，这些网格都是以s为底面积，以每个方格四个角的地平线高程和设计高程差的平均值Hi为高的长方体，N个长方体的总体积和就是要挖（填）的土石方量.其中N=S总/S，S总为整个工作区的投影面积，其公式简化为V=∑SHi（按微积分原理当N∝∞时，V趋向于真值）(1)网格法主要适用于平坦地区及高程差相差不是很大的地区,对于高程差大的网格,可以通过加密其网格的办法提高该方法的计算精度.网格法优点在于方格网的底面积是定值s，计算Vi=SHi简单.网格法只适用于平坦场地,或是经过施工后高程差相差很小的地形.网格法不能直观的根据对象来选择线和面，这里需要事先建立好挖填的线和面.顶部DTM选择三角网法里面的面1.3 dm，底部DTM选择三角网法里面的面2.3 dm，边界文件选择已经事先编辑好的边界线3 ds.打开表面体积计算中的网格法，输入上面的计算范围.在对话框中找到“网格密度”，“网格密度”越小，计算的精度就会越高，“网格密度”的大小同样也会影响计算的速度.对话框中的“最小厚度”指两个面之间小于所设置的厚度时不进行体积计算.该方法可以进行分层报量，这里不需要使用这个功能.这个方法中同样可以创建实体和生成打印文件.完成上面的步骤后，3DMine生成如表1所示的工程量计算验收单和图3所示的计算三维模型.表1工程量计算验收单Table 1Engineering calculation acceptance of a single3DMine工程量计算验收单区域挖方量/m3填方量/m3填挖总量/m311 134 781.103483 950.9981 618 732.101合计1 134 781.103483 950.9981 618 732.101在表1的工程量计算验收单里显示有各个区域的挖方量、填方量、填挖总量，从各个区域的挖方量、填方量、填挖总量、合计量可以选择出该土石方工程合理的投资和设计方案，用来减少该项目的工程量.图3计算三维模型Fig.3Threedimensional calculation model图3三维模型中给出的是计算体积的部分，图3是由一系列的柱状体组成的，设置的网格密度是让该土石方按照一系列的柱状体来填充两个面之间的部分来计算其体积，柱状体平面面积的的边长就是我们所设置的网格密度.3断面法断面法是测定条形地带和沿线路的纵横断面，依靠设计线和实测断面线来计算每条断面的面积,根据断面与相邻断面的距离来计算该相邻断面的挖、填土石方量,再累加计算每条线路的挖方、填方量.用平行截取的断面来描述地貌形态，然后利用断面的面积及相应的数学公式Vi= (ΔSi-1+ΔSi)L/2(2)来进行土石方量的计算.断面法的优点是：断面的数据容易采集,计算方法多样且简便，适用于特别复杂的带状地形场地.清空屏幕后重新调入面1.3 dm和2.3 dm，打开表面体积计算中的断面法，该方法与网格法有一定的相似处，只是断面的分法有些不同，其优点是设计出的方案施工起来更加方便，缺点是其计算的精度没有网格法高.在使用断面法前，要把两个面重叠之间的交线算出来.打开表面里面的两DTM之间交线，然后按照屏幕上的提示进行操作，即可求出两面重叠之间的交线，生成的白色闭合曲线就是要求的交线.断面法就是计算该交线之内的体积.打开表面体积计算中的断面法，然后弹出相应的对话框，该对话框上有断面间距、断面切线方位角、输出断面图、计算闭合线内的量等选项.断面间距设置的越小其计算的值越精确；按照体积最佳方向设置一个方位角来切割这个剖面；输出剖面图可以选择输出一部分和全部的剖面，断面图间隔设置为1的时候就是输出全部的剖面，每列剖面数目暂时设置为5.确定之后根据屏幕的提示来进行操作，然后再放入剖面图，这样就计算出体积报告中不同剖面的体积量.每一个剖面上的挖方面积、填方面积、挖方体积、填方体积以及剖面总数、挖方总体积、填方总体积在断面体积报告中都有显示.如图4~6及表2所示.图4总断面示意图Fig.4Total cross section diagram图5各个断面示意图Fig.5Sketch of each profile图6断面10的示意图Fig.6Schematic of section 10从图4、图5和表2可知该土石方被切成16个剖面，每个剖面的工程量大小都不一样，通过断面号可以在图4中查看该断面的形状，在表2中查找出该断面的挖方面积、填方面积、挖方体积、填方体积以及总挖方体积和总填方体积.表2各个断面挖、填详表Table 2The cutandfill in the details section断面号挖方面积/m2 填方面积/m2 挖方体积/m3填方体积/m310261.1201 392.63201 212.05010 857.28301 993.91025 389.54402 774.4037 974.95503 137.78047 267.60603 132.59050 162.93703 360.33051 932.68804 029.18059 035.16903 796.41062 595.491002 651.21051 307.571101 464.63032 460.71120990.59019 518.56130692.28013 391.83140422.1308 826.64150248.4605 303.7016090.1102 603.67合计030 257.18 0480 020.964区域土方平衡在工程项目中，如果在土石方项目中能够达到平衡，便可以节约很多运费和劳动力，而在3DMine软件中很容易就能让该想法得到实现，并且可以运用到极致，而该方法也很容易理解和掌握.区域土方平衡法的最终目的就是帮我们在考虑填方平均松散系数、向上扩展边坡角、向下扩展边坡角的情况下计算出一个经济合理的高程使得挖出的土石方刚好可以用来填埋\[7-8\].打开文件调入已经建立好的面1.3 dm，转入xy平面后进行操作.在面1.3 dm上画一个将要进行操作的面，大小和面积自己设置，该面就是要挖填建立的平台，也就是说当把这个标高设置在哪个位置的时候，挖出的土方正好把需要填的地方填平，达到一个区域的土方平衡.打开表面体积计算中的区域土方平衡，在弹出的对话框中，将填方松散系数设置为一个合理的值，设置填方松散系数主要是考虑到土石方在开挖后再用来填埋其体积就会变大，这里设置为常用的平均值1.1.设置的这个平台上面和下面都是有边坡角的，也就是所指的扩展边坡，该边坡也要设置合理，否则等到平台建立好后会带来不必要的像滑坡、泥石流等这样的地质灾害，造成一定的经济损失.这里将向上的边坡角设置为60°，向下的边坡角设置为45°.线内插点，当扩展时加密一些点，使这个点扩展的线条更加完美的符合到表面上，从而更贴近地形，这里内插点距离设置为5.确定之后根据提示来选择边界线和面，然后在界面的信息栏中就给出了挖方量，填方量，设计标高\[9-13\]，如图7所示.图7区域土方平衡三维模型（上部圆形为填方部分，下部圆形为挖方部分）Fig.7Regional earthwork balance threedimensional model (upper circle to fill, lower circular cut section)从图7可知，当把标高设计为290.39 m的时候，挖方和填方能达到平衡,而此时的挖方量=6 232 258.18 m3，填方量=6 855 484.04 m3.5结语综上所述，随着科学技术的进步，土石方挖填建模是矿山数字化中重要的一步，也是基础的一步.土石方的开挖，特别是在考虑开挖和填埋平衡设计标高时，使用3DMine矿业工程软件表面体积计算中的四个方法无疑会给我们带来很大的方便.在计算两个面之间的体积时选择三角网法；设计不同且数目较多的开挖剖面以及想确定每个断面的剖面图和工程量时选择网格法和断面法；设计经济合理的标高来实现挖填平衡时选择区域土方平衡法.这些方法合理的使用，会给工程设计和施工带来一定的经济效益.致谢本研究得到了武汉工程大学科研经费的资助，在此表示诚挚的谢意.