CASS7.0软件“断面法土方计算”在水利工程土方计算中的应用

高利科

（吉林省长泓水利工程有限责任公司，吉林 长春 130000）

CASS7.0软件“断面法土方计算”在水利工程土方计算中的应用

高利科

（吉林省长泓水利工程有限责任公司，吉林 长春 130000）

CASS7.0软件断面法土方计算法能数字化绘图、一键批量成图及自动计算土方量，计算成果可靠。其中，直接断面法应用于带状、狭长结构；间接断面法采用数字高程模型生成里程文件，应用于任何千变万化的地形。以水利工程为例，对2种方法的操作流程进行了详细论述，与DTM法计算成果进行了比对分析，指出了提高断面法精度的措施。

CASS软件；断面法；里程文件

1 问题的提出

水工建筑物填筑（或开挖）的收方、验方测量是水利工程施工建设阶段测量工作的主要内容。土方计算直接关系到工程造价，由于施工后地形无法复原性及土方计算偏差极易引起纠纷，因此合理选用计算方法，客观、准确、高效地计算土方量，是每一位工程技术人员需要认真思考的问题。

水电水利工程优先选用断面法计算土方。规范规定，水电水利工程在工程开工前、施工过程中及工程竣工后实测的地形图或断面图均为工程量计算和工程结算的依据[1]。另外，断面法具有图式对应，便于与设计断面图比对等优点，通常被业内认可和采纳。

传统的断面法计算土方时，地形图及断面图均为手工在米格纸上绘制，断面面积采用解析法、图解法及求积仪等方式获得，工作量大，亦不准确，而且易出错，错误修改也困难。基于AUTOCAD平台的南方CASS软件在成图效率、数据处理等方面具有自己的特点，其土方计算功能为大家普遍认可，软件内置“断面法土方计算”模块，分道路断面、场地断面和任意断面3种计算方法。在长期的断面测量和绘制实践中发现，断面法土方计算不仅在道路工程中有广泛应用，实际上在水利工程中对任意地形，均能实现断面成图的数字化、批量化及土方计算的自动化，计算成果准确、可靠。

2 断面法土方计算原理及流程

2.1 断面法土方计算原理

把确定的土方计算范围，以一定的间距（可不等分）划分为若干相互平行的横截面；按照原始地面线与设计线组成的断面图，计算断面线所围成的面积；以相邻两断面面积的平均值乘以两断面的间距，得到相邻两断面间体积；各个相邻断面的体积相加，求出总体积即土方量。这种计算土方量的方法称为断面法，亦称为平均断面法。为了减小断面法计算偏差，规范对断面间距布置做了规定：开挖、填筑工程应根据土方计算成果的用途、工程部位和地形复杂程度在5 ～ 20 m范围内选择；有特殊要求的部位按设计要求执行[1]。唐平英研究了断面法计算精度的问题，指出相邻断面面积相差较大时，平均断面法计算土方量的误差较大[2]，因此在实践中应调整相邻断面间距值，控制断面面积比值（小断面与大断面面积之比）不小于0.6。

2.2 断面法土方计算流程

根据采集数据方式的不同，断面法一般分为2种：一种是直接断面法，即先根据设计图纸、实际地形地貌布置断面位置，再进行原始地形断面测量，在工程施工中和工程竣工后进行开挖断面和竣工断面测量；另一种是间接断面法，即先测量碎步点，勾绘三角网，再根据三角网截取断面图，继而进行工程量计算。断面法土方计算流程见图1 ～ 2。

图1 直接断面法土方计算流程图

图2 间接断面法土方计算流程图

3 断面法土方计算流程分析

3.1 直接断面法土方计算流程分析

3.1.1 外业数据采集

防洪渠道、疏浚工程、土石坝坝体填筑等线性、带状工程，宜采用直接断面法，利用全站仪、GPS测量仪等进行数据采集。断面点之间的密度应能真实描述工程实际地形和满足工程量计算的需要，断面宽度应超出工程开挖边线5 ～ 10 m。必须测录“横断面中心点”，中心点可以选择纵向轴线与断面线交点，也可以选纵向轴线的平行线与断面线的交点。

3.1.2 生成断面里程文件

3.1.2.1 生成测量断面里程文件

“由坐标文件生成”是专门处理直接断面法采集的数据，数据文件的编码需要按照以下格式定义[3]：

点号，M1，X坐标，Y坐标，高程

点号，1，X坐标，Y坐标，高程

……

点号，M2，X坐标，Y坐标，高程

点号，2，X坐标，Y坐标，高程

……

点号，Mi，X坐标，Y坐标，高程

点号，i，X坐标，Y坐标，高程

其中，代码Mi表示道路中心点；代码i表示该点是对应Mi的道路横断面上的点；M1、M2、M3各点应按实际的道路中线点顺序，而同一横断面的各点可不按顺序。

测量数据按以上格式编辑后存盘为文件A.dat，执行“工程应用”/“生成里程文件”/“由坐标文件生成”命令，生成测量断面里程文件B.hdm。

3.1.2.2 生成设计断面里程文件

设计断面里程文件用手工输入和编辑的方式生成。手工输入就是直接在文本中编辑里程文件。格式如下：

BEGIN，断面里程：断面序号

第一点里程，第一点高程

第二点里程，第二点高程

……

下一个断面

……

说明：每个断面编码第一行以“BEGIN”开始；“断面里程”参数表示当前“横断面中心点”在纵断面图上的里程；“BEGIN”“断面里程”后的“，”“:”必须在英文半角状态输入。“断面序号”参数和3.1.2.1中测量数据生成的里程文件的“断面序号”参数相对应，以保证同一位置的断面数据展绘在同一个断面图上；各点应按断面上的顺序表示，里程依次从小到大。里程是指设计断面图中的点相对于“横断面中心点”的水平距离，左侧为负值，右侧为正值。

设计断面里程文件编辑后存盘为C.hdm。当计算施工过程中的断面开挖方量时，第二期断面线数据亦通过现场测量，可参考3.1.2.1方法生成断面里程文件C.hdm。

3.1.3 断面法土方计算

计算土方的2期断面线里程文件生成后，执行“断面法土方计算”模块的命令，操作程序如下：

第一步：“工程应用”/“断面法土方计算”/“道路断面”。在弹出的“断面设计参数”对话框中，在“选择里程文件”栏输入保存好的B.hdm；“绘图参数”部分视出图效果及版面要求做调整；点击“确定”；弹出“没有设计高程，是否继续绘断面图？”的提示框，点击“是（Y）”；弹出“绘制纵断面图”对话框，设置“断面图比例”后，点击“断面图位置”处的“…”，在CASS屏幕上点击纵断面图位置后，重新返回到“绘制纵断面图”对话框，点击“确定”，再次转到CASS界面，在屏幕上点击横断面图位置 ，断面图会批量生成。

若生成的图形布局不合理，全部删除图形后重复第一步，在“绘图参数”部分做调整。

在“选择里程文件”栏输入的文件也可以选择C.hdm。在这一栏输入那一期的数据，断面图中仅会标注该期断面线特征数据。

要实现土方量自动计算功能，第一步是不可缺少的步骤。

第二步：“工程应用”/“断面法土方计算”/“图上添加断面线”。在弹出的“选择里程文件”栏输入另一期断面线数据文件C.hdm（或B.hdm），点击“确定”，返回到CASS界面，按照屏幕底部命令行提示，全选第一步生成的断面图。断面图两期断面线全部绘制完成。

生成的两期断面线，有些是不闭合的，需要人工逐一检查，根据实际情况调整，调整方法可以用“延伸”命令在图面上直接操作，亦可执行“工程应用”/“断面法土方计算”下的“修改设计参数”“编辑断面线”等命令作修改。CASS7.0软件自带的面积计算工具，在断面线不封闭的情况下，也能计算，但多次验证发现，当两期断面线大范围不闭合时，自动计算的断面积是错误的。所以调整断面线使其闭合是非常重要的。

第三步：“工程应用”/“断面法土方计算”/“二断面线间土方计算”。按照屏幕底部命令行提示，分别选择一、二期断面线、全选断面图后，在屏幕适当位置点击，即可自动生成“土石方数量计算表”。

若在第一步中选择“场地断面”，则与“道路断面”的操作程序完全相同。若选择“任意断面”，仅需在“任意断面设计参数”对话框中的“中桩设计高程”一栏输入一个高程值，可以是接近真值的任何数，其他的操作与“道路断面”也是相同的。

3.2 间接断面法土方计算流程分析

在水利工程中，水电站、泵站等工程的施工场地集中，原始地形、地貌复杂多变。因此，测量地形碎步点、特征点，勾绘三角网，采用间接断面法土方计算更方便、快捷。与直接断面法土方计算操作流程相比，“生成设计断面里程文件”及“断面法土方计算”是相同的，以下介绍另外3个步骤。

3.2.1 外业数据采集

外业采集的数据的密度和结构就是要使勾绘的三角网与真实地表的特征相协调。首先，野外跑点人员要掌握三角网的建网原理，能根据不同的地形合理布设碎部点；其次，地形复杂的部位，测绘人员要绘出相应草图；第三，坎、坡的坎边、坎跟、坡顶、坡底均需布设一定数量的地形点；第四，测点间距一般5 m左右，图上距离应不大于3 cm，地形变化处应该加密测点。

3.2.2 建立数字高程模型

3.2.2.1 建立数字高程模型的流程

数字高程模型流程见图3。

图3 建立数字高程模型流程图

3.2.2.2 确定比例尺

收方图比例尺宜为1:500或1:200；大范围的收方图的比例可选1:1 000[1]。

执行“绘图处理”/“工程应用”/“改变当前图形比例尺”命令，按照屏幕下命令行的提示输入比例数值即可。

3.2.2.3 建立DTM

运行相关命令，完成展高程点及展野外测点点号后，先将测图的外围点用复合线顺序连接，再将山脊线、山谷线、地貌变向线、坡顶线及坡底线等地性线用复合线绘出。执行“等高线”/“建立DTM”命令，图面显示生成的三角网。

3.2.2.4 三角网修正及存盘

“建立DTM”命令生成的三角网采用边扩建法，先选择一点作为起始三角形的一个顶点，然后找距离最近的点连成一条边，以该边为基础，遵循角度最大或距离最小原则找到第三个点，形成初始三角形，由起始三角形的三边依次往外扩展，并进行重复检测，最后将点集内所有的离散点构成三角网，直到所有建立的三角形的边都扩展过为止[4]。可见，CASS7.0软件自动生成的三角网并不一定切合现场地形，当地貌多样复杂、测点密度低时，地性线会通过三角网内部，使得三角形的面“进入”或“悬浮”于地面，构建的数字地面模型与真实地形不符。应对三角网进行手工修正。

执行工具栏“绘图顺序”命令，使提前勾绘的地性线及测图范围线显现，利用“等高线”下的三角网修正命令，逐一修订。

修改三角网后，一定要执行“等高线”/“三角网存取”/“写入文件”命令，否则修改无效。

3.2.3 生成测量断面里程文件

实践证明，由碎部点生成里程文件时，三角网法与实际地形地貌最吻合。由三角网生成里程文件的操作如下：

（1）用复合线在图上绘出根据设计图纸确定的纵断面线。CASS7.0软件默认复合线的起点为较小的里程桩号；

（2）用复合线在图上绘出土方开挖或填筑边线，估算边线到纵断面线的最大距离为Am；

（3）执行“工程应用”/“生成里程文件”/“由纵断面线生成”/“由纵断面线生成”命令 。

若多数断面线间距固定为B m，则执行“新建”命令，在弹出的“由纵断面生成里程文件”对话框中确定相关参数为：“等分”“B”“A + C”“A + C”(为方便后期修剪断面线，这里C设为大于20 m的整数值)，点击“确定”。绘制其他断面线可执行“添加”命令。

若断面线间距基本上都不相同，则执行“添加”命令，依照屏幕命令提示行输入相关参数即可。

当纵断面线不是直线时，执行“新建”“添加”命令，也能准确的绘制断面线。

（4）执行“地物编辑”/“复合线处理”/“直线—复合线”命令，把断面线的直线属性改为复合线。

（5）将纵断面线向左、右两侧“偏移”(A + 10)m，以保证断面宽度超出工程开挖线10 m，并依此修剪断面线，确定断面线范围。

（6）执行“工程应用”/“生成里程文件”/“由三角网生成”命令。三角网生成里程文件时，默认从断面线左侧起算里程，因此断面起始里程输入-(A + 10)。逐个保存生成的里程文件。

（7）编辑（6）中逐个生成的里程文件，补充完整“BEGIN”后的“断面里程”“断面序号”参数；将各个断面线里程文件按照“断面里程”由小到大的顺序合并在同一个文件中，文件存盘为B.hdm。

4 断面法土方计算精度分析

4.1 直接断面法精度影响因素

影响直接断面法土方计算的主要因素有：①野外测点是否按地形变化，采集全部变化点；②测点偏离断面线的距离大小；③相邻断面的间距。

4.2 间接断面法精度分析及实例计算

间接断面土方计算精度取决于对真实地貌的采样过程及对数据的二次处理。在CASS7.0软件中，DTM法、断面法及方格网法等土方计算方法的本质区别是对野外采样数据的二次处理机制不同。基于数字高程模型的“计算2期间土方”(DTM法)的成果精度最高[5]。现将间接断面法土方计算成果与之比较分析。

表1给出了位于吉林省白城市青山镇的青山加压泵站工程中集水池土方开挖工程量的算例。

表1 DTM法、断面法计算的土方量比较表

由表1可以看出，以DTM法的计算成果作为土方量的最或然值，间接断面法计算土方量的误差为2.1%，计算成果可靠。

4.3 提高断面法计算土方精度的措施

断面法计算土方原理简单，计算成果可读性强。为了提高土方计算精度可以采取措施有：①采用全站仪、GPS测量仪等先进的测量工具，保证测点质量。②按地形变化采点，测点分布密度应满足构建三角网的要求。在获得断面的大概位置测量的碎部点密集，构建的三角网越接近真实地貌，断面线越准确。③在原始地形或设计断面变化大的部位，应增加计算断面，缩小相邻断面间距。④计算过程中用到的三角网都应进行人工处理。

5 结 语

断面法土方计算法能批量生成断面图、自动计算工程量、成果可靠。直接断面法应用于道路、沟渠、大坝等狭长带状地形，适用按横断面采集数据的情形；间接断面法采用CASS7.0软件中的数字高程模型生成里程文件，应用于任意地形地貌土方计算，适用按碎步点方式采集数据的情形。因此，断面法计算土方量的方法不仅用于道路工程，同样适用于包括水利工程在内的其他建设工程。

[1] 彭荷生，荣燮阳，刘纬，等. DL/T 5173 — 2003水电水利工程施工测量规范[S].北京：中国电力出版，2003.

[2] 唐平英.断面法土方量计算公式的精度[J].港口技术，1998(1)：33 - 33.

[3] 刘宇轩，马春林，程俊，等.数字化地形地籍成图 CASS7.0用户手册[M].广州:南方测绘仪器有限公司，2006.

[4] 王少云.不规则三角网法在土方量计算工程的应用[J].北京测绘，2009(2)：51.

[5] 雷松，王海英，艾云毅.方格网法与三角网法相结合准确计算土方量[J].城市勘测，2011(6)：154.

（责任编辑 姚小槐）（责任编辑 黄 超）

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2016-10-11

高利科(1979 - )，男，工程师，大学本科，主要从事水利工程测量及招投标工作。E - mail：158529855@qq.com