劉起霞，鄒 昕，李卓宇，張 樂

（河南工業(yè)大學(xué)土木建筑學(xué)院，鄭州 450001）

南水北調(diào)一期工程渠道鄭州段開挖方量計(jì)算方法的研究

劉起霞，鄒 昕，李卓宇，張 樂

（河南工業(yè)大學(xué)土木建筑學(xué)院，鄭州 450001）

在南水北調(diào)一期工程中，鄭州1段第二標(biāo)段地質(zhì)條件復(fù)雜，巖石的強(qiáng)度、埋深不一，需要對(duì)不同強(qiáng)度巖石的開挖方量進(jìn)行計(jì)算，對(duì)應(yīng)采取不同的開挖方案。分別采用斷面計(jì)算法、不規(guī)則三角網(wǎng)法、方格網(wǎng)計(jì)算法等方法對(duì)基巖的空間分布、開挖方量計(jì)算進(jìn)行了詳細(xì)的研究，為渠道開挖施工提供必要的科學(xué)參數(shù)，為科學(xué)信息化施工組織提供技術(shù)支撐。

渠道開挖； 開挖方量； 精度； 施工方法

南水北調(diào)中線工程主要解決京津華北地區(qū)城市供水問題，緩解京津華北地區(qū)城市用水矛盾，緩和城市擠占生態(tài)與農(nóng)業(yè)用水的矛盾，增加工業(yè)發(fā)展活力，改善生態(tài)環(huán)境。南水北調(diào)中線一期工程總干渠沙河南～黃河南段是南水北調(diào)中線一期工程總干渠的第Ⅱ渠段，全長234.748km。一期工程鄭州1段第二標(biāo)段地質(zhì)條件復(fù)雜，渠道地基土類型復(fù)雜，主要工程地質(zhì)問題有黃土地基、膨脹土地基、風(fēng)化巖地基等，開挖過程中遇到了一系列的問題，特別是巖土分界線波狀起伏，埋深不一，需要采取不同的開挖方案，該項(xiàng)目對(duì)不同基巖強(qiáng)度進(jìn)行了詳細(xì)的研究，對(duì)應(yīng)采取的開挖方法進(jìn)行了分類，通過研究為渠道開挖施工提供必要的科學(xué)參數(shù)，為施工組織提供技術(shù)支撐。

1 工程概況

南水北調(diào)中線一期工程總干渠沙河南～黃河南段是南水北調(diào)中線一期工程總干渠的第Ⅱ渠段，全長234.748km。該次研究的渠段工程位于河南省鄭州市境內(nèi)，可研階段渠線起點(diǎn)樁號(hào)SH201＋000，終點(diǎn)樁號(hào)SH210＋775，渠段線路總長9.775km。渠道邊坡開挖高度最高23.27m，最低5.0m，一般10～19m，設(shè)計(jì)底寬12.5～19.5m，以土質(zhì)邊坡為主，在渠道SH210＋100～SH210＋773段，上部為土質(zhì)邊坡、下部為巖石邊坡。

2 渠道環(huán)境地質(zhì)條件

該渠段地處暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，據(jù)鄭州氣象站資料統(tǒng)計(jì)，多年平均氣溫為14.4℃，極端最高氣溫42.3℃，極端最低溫度－17.9℃；日照時(shí)數(shù)2 302h；多年平均風(fēng)速2.5m／s，歷年最大凍土深度270mm，全年無霜期294d。該區(qū)多年平均雨量為632.3mm。

南水北調(diào)中線一期工程總干渠鄭州1段（樁號(hào)SH201＋000～SH210＋773），位于崗地與平原的過渡地帶。渠線以東為廣闊的黃（河）淮（河）沖積平原，渠線以西屬低山崗地。山脈大體呈東西向，向東逐漸與黃（河）淮（河）沖積平原相接。地勢總體呈西高東低，北高南低的特點(diǎn)。

地下水按其賦存條件及性質(zhì)可分為孔隙～裂隙水與孔隙水兩種類型?？紫丁严端饕植加跇短?hào)SH202＋505以北，主要由第四系上更新統(tǒng)（al＋plQ3）黃土狀重粉質(zhì)壤土構(gòu)成含水層，弱透水性，主要為潛水，水位高程在98.00m以下?？紫端饕植加谫Z魯河、賈峪河的河床、漫灘及一級(jí)階地下部。含水層組由第四系全新統(tǒng)沖積成因的砂、礫卵石及粉質(zhì)壤土組成，多呈透鏡體狀，厚度一般1～3m。含水層接受河水的補(bǔ)給，富水性好，受地層巖性變化影響，滲透性各向變化較大，具弱～中等透水性，滲透系數(shù)為1.0×10－3～3.0×10－6mm／s。

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告得知：樁號(hào)SH210＋100～SH1210＋773段地層巖性由老到新依次為：中更新統(tǒng)沖洪積層（al＋plQ2）、上更新統(tǒng)沖積層（alQ3）、全新統(tǒng)沖積層（alQ4）。

和渠道開挖有關(guān)的土層由下至上分述如下：

中更新統(tǒng)沖洪積層以棕黃、褐黃或淺棕紅色粉質(zhì)粘土、細(xì)砂和砂礫石為主，夾有重粉質(zhì)壤土，厚度4～28m。第⑥層砂礫巖：雜色（灰白、灰綠色），磨圓度較好，礫石粒徑一般2.0～5.0cm，約占60%左右，最大約10cm，呈次圓角狀。以強(qiáng)風(fēng)化為主、局部中等風(fēng)化或弱風(fēng)化。礫石主要成份灰?guī)r、砂巖、石英巖。主要以鈣質(zhì)膠結(jié)為主，鈣硅質(zhì)、鈣泥質(zhì)、泥鈣質(zhì)膠結(jié)次之。砂礫巖層底高程109.5～118.4m，層厚0.86～4.3m，分布樁號(hào)：SH210＋100～SH210＋773。

第⑦層砂巖（N1L）：該渠道開挖范圍內(nèi)的砂巖，按照其膠結(jié)物類型可分為硅質(zhì)砂巖、鈣泥質(zhì)砂巖和泥質(zhì)砂巖。

上更新統(tǒng)沖洪積層沿渠線廣泛出露，巖性為淺黃、褐黃色黃土狀粉質(zhì)壤土、重粉質(zhì)壤土，局部夾有粉質(zhì)粘土或粉質(zhì)壤土透鏡體、薄砂層或砂層透鏡體。黃土狀粉質(zhì)壤土可分為黃土狀輕粉質(zhì)壤土、黃土狀中粉質(zhì)壤土、黃土狀重粉質(zhì)壤土。其頂板高程為101.58～131.12m。

全新統(tǒng)沖積層分布于須水河河床部位。地層巖性為砂壤土、輕粉質(zhì)壤土，其間夾有腐殖質(zhì)、淤泥質(zhì)輕粉質(zhì)壤土和淤泥質(zhì)砂壤土、薄砂層和砂礫石透鏡體，巖性變化大，層厚2.0～18.0m，層底高程103.39～104.42m。

巖體分類：完全按照巖土體形成年代將巖土體分類不能反映巖石開挖的堅(jiān)硬程度，所以按照《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021－2001）等現(xiàn)行規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)可將巖體分為五大類，見表1。

表1 巖石堅(jiān)硬程度分級(jí)

3 開挖方量計(jì)算方法

渠道開挖量的計(jì)算是水利工程施工的一個(gè)重要步驟。工程施工前的設(shè)計(jì)階段必須對(duì)土石方量進(jìn)行預(yù)算，它直接關(guān)系到工程的費(fèi)用概算及方案選優(yōu)。在現(xiàn)實(shí)中的一些工程項(xiàng)目中，因土方量計(jì)算的精確性而產(chǎn)生的糾紛也是經(jīng)常遇到的。如何利用測量單位現(xiàn)場測出的地形數(shù)據(jù)或原有的數(shù)字地形數(shù)據(jù)快速準(zhǔn)確的計(jì)算出土方量就成了人們?nèi)找骊P(guān)心的問題。比較常用的幾種計(jì)算渠道開挖量的方法有：方格網(wǎng)法、等高線法、斷面法、DTM法、區(qū)域土方量平衡法和平均高程法等。

3.1 斷面計(jì)算法

當(dāng)?shù)匦螐?fù)雜起伏變化較大，或地狹長、挖填深度較大且不規(guī)則的地段，宜選擇橫斷面法進(jìn)行土方量計(jì)算。在范圍較大、精度要求高的情況下更為明顯；若是為了減少計(jì)算量而加大斷面間隔，就會(huì)降低計(jì)算結(jié)果的精度；所以斷面法存在著計(jì)算精度和計(jì)算速度的矛盾。

3.1.1 橫斷面計(jì)算法

開挖渠道土方量的計(jì)算方法可分為兩類，一類是縱斷面法，即以縱斷面為基礎(chǔ)，采用網(wǎng)格平均寬度法和面積填充法計(jì)算土石方量。由于巖性的極不均一性，研究采用橫斷面法計(jì)算，橫剖面的間隔與計(jì)算精度有直接關(guān)系。在該渠段開挖量計(jì)算過程中，我們?cè)赟H210＋100～SH210＋773范圍取了41個(gè)橫剖面（在巖性變化較大的渠段橫斷面的間隔為10～20m），左右岸基巖分界面不一致的情況、基巖分界面兩側(cè)高中間低的情況、鈣質(zhì)砂礫巖下面出現(xiàn)泥質(zhì)砂礫巖的情況、中間鈣硅質(zhì)砂礫巖基巖面高于兩側(cè)的情況等典型剖面見圖1～圖4。

3.1.2 縱剖面計(jì)算法

第二類是橫斷面法，即以橫斷面為基礎(chǔ)，采用平均深度計(jì)算棱柱體積。地質(zhì)素描圖按照渠道分左右岸進(jìn)行素描（見圖5和圖6），兩岸的基巖出露高程大體差不多，但地層巖性結(jié)構(gòu)卻存在較大的變化?，F(xiàn)在根據(jù)渠道左右岸地質(zhì)素描圖，采用方格網(wǎng)平均寬度法和面積填充法計(jì)算出各巖性層的方量，并分層計(jì)算出各巖性層的方量。

3.2 不規(guī)則三角網(wǎng)法

不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）是數(shù)字地面模型DTM表現(xiàn)形式之一，該法利用實(shí)測地形碎部點(diǎn)、特征點(diǎn)進(jìn)行三角構(gòu)網(wǎng)，對(duì)計(jì)算區(qū)域按三棱柱法計(jì)算土方。由于三角網(wǎng)中的點(diǎn)和線的分布密度和結(jié)構(gòu)完全可以與地表的特征相協(xié)調(diào)，直接利用原始資料作為網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)，能夠插入地性線以保存原有關(guān)鍵的地形特征，以及能很好地適應(yīng)復(fù)雜、不規(guī)則地形，從而將地表的特征表現(xiàn)得淋漓盡致。因此在利用T1N計(jì)算土方量時(shí)就大大提高了計(jì)算的精度。

3.3 方格網(wǎng)計(jì)算法

對(duì)于大面積的土石方估算以及一些地形起伏較小、坡度變化平緩的場地適宜用格網(wǎng)法。這種方法是將場地劃分成若干個(gè)正方形格網(wǎng)，然后計(jì)算每個(gè)四棱柱的體積，從而將所有四棱柱的體積匯總得到總的土方量。在傳統(tǒng)的方格網(wǎng)計(jì)算中，土方量的計(jì)算精度不高，但引入一種新的高程內(nèi)插的方法，即楊赤中濾波推估法，計(jì)算精度大大提高。

4 巖石開挖方量校核

橫剖面法的計(jì)算結(jié)果見表2，并根據(jù)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50218—94），將巖石的堅(jiān)硬程度按巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度的劃分類別列于表3中。

表2 土石方量計(jì)算結(jié)果一覽表

縱剖面法的計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 不同膠結(jié)巖性的基巖方量計(jì)算統(tǒng)計(jì)表

該工程于2012年12月～2013年6月進(jìn)行實(shí)地開挖，經(jīng)核算橫斷面和縱斷面兩種方法的精度均比不規(guī)則三角網(wǎng)法和方格網(wǎng)計(jì)算法要準(zhǔn)確。

5 結(jié) 論

a.在復(fù)雜地質(zhì)條件下，不同強(qiáng)度巖土開挖方法不同，準(zhǔn)確計(jì)算不同強(qiáng)度巖石的開挖方量十分重要，根據(jù)不同強(qiáng)度巖土安排適合的開挖機(jī)械對(duì)降低工程成本、保證工期起著至關(guān)重要的作用。

b.南水北調(diào)中線一期工程渠道涉及巖土分層比較多，層面起伏變化大，同種巖層的強(qiáng)度相差很大，單純根據(jù)鉆探資料計(jì)算不同巖土開挖方量計(jì)算誤差很大。

c.本研究分別采用橫斷面計(jì)算法、縱剖面計(jì)算法、不規(guī)則三角網(wǎng)法和方格網(wǎng)計(jì)算法計(jì)算了軟巖、較軟巖和較硬巖的開挖方量，并在實(shí)際開挖中進(jìn)行檢驗(yàn)，實(shí)踐證明對(duì)于復(fù)雜巖土體分布條件下橫斷面計(jì)算法的精度較高。

［1］江正榮.場地平整土方量計(jì)算［J］.建筑工人，1994（5）：22－25.

［2］陳玉瑩，吳小燕，龐逸群.復(fù)雜地區(qū)土方量計(jì)算的一種新方法［J］.勘察科學(xué)技術(shù)，2009（6）：53－57.

［3］王少云.不規(guī)則三角網(wǎng)法在土方量計(jì)算工程的應(yīng)用［J］.北京測繪，2009（2）：51－53.

［4］朱洪威，謝志華.高速公路工程設(shè)計(jì)中土方工程量計(jì)算精度的方法分析［J］.黑龍江交通科技，2010（1）：55－56.

［5］曹建亮.公路工程設(shè)計(jì)中土方工程量計(jì)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.

南水北調(diào)中線一期工程總干渠沙河北～黃河河南南段鄭州1段2標(biāo)段渠道開挖范圍內(nèi)基巖強(qiáng)度與施工開挖方法研究（H2013tj65）項(xiàng)目資助.

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