路基设计CAD中排水设施的自动设置方法.docx

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路基设计CAD中排水设施的自动设置方法

路基设计CAD中排水设施的自动设置方法

第3l卷第l期西南交通大学?

31No11996年2月JOURNALOFSOUTHWESTJIAOTONGUNIVEP,SITYFeb?

1996基设计CAD中排水设施的自动设置方法【摘要】【关键词】【分类号】～盟L,rc.}（西南交通大学铁遭及道路工程系成都610031）将数宇地形模型引人路基设计CAD中,可有效地解决路基排水设施柏设置等关键问题}本文详细舟鲳基于横断面系统数字地形模型和麦互式图形技术进行路堤排水沟设置的方法车文所舟甥的方法同样连用于路基CAD中天淘等排水设施舶设置.爨主型;c旦;誓设计;踌挚排水U2IB.14排除地表水的工程虽然比较简易且费用不大,但其意义极为重要,设计中的某些忽略或处理不善,可能会引起一系列的问题,甚至造成严重后果;因此必须给予足够的重视.路基排水问题是路基设计CAD中的重要内容之一;尤其是路堤排水问题,需综合考虑地形,地质,水文,线路条件等多项复杂因素进行设计由于问题复杂,目前在生产中试用的几种路基CAD软件几乎都没有解决路堤排水问题.目前生产部门的做法是:

首先将外业测量的横断面资料输人计算机,建立相应的数据库,用CAD软件进行横断面设计,此时不考虑路堤排水问题I用绘图仪输出路基横断面图.然后再由设计人员在绘图仪输出的图上人工设计排水淘和天淘.这样做,不仅自动化的真正目的没达到,而且,由于设置排水淘时,往往需对原设计进行修改,造成返工.针对铁路路基设计的特点,本文提出了一种用数字地形模型自动处理路堤排水问题的方法.1地形模型路基横断面设计基于详细的地面横断面资料和地质资料;外业测量提供的地形资料一般为横断面图或横断面记录数据;报据这些资料可建立起供路基设计用的横断面数据库或图形库f对于一般路基本体设计和路堑侧淘的设计,上述横断面资料已足够了f但路堤地段排水1沟的设计需结合地形,地貌,沟谷和水系等进行,这就要求路基CAD软件系统能自动获取所需的地形资料,显示和处理地形图,提供淘谷和水系资料.而数字地形模型引人路基设计CAD中,正是解决这一类问题最有教的途径在横断面测量中,地面横断面测点的布置一般沿着线路中心线和垂直于中心线的横断面方向,等间隔地布置（如图l所示）,此时测点在某一个方向上的布设是规则的,而在另一个方向上则是不规则的;以横断面涮点作为数字地形模型的数据点,可构成鲱鱼骨式（横断面系统）数字地形模型利用所建立的数字地彤模型和某种数学内插方法,可方便地获取所需要的地形信息.文干1995年3月31日收到l1路/●卜第l期易思蓉:

路基设计CAD中排水设施的自动设置方法3ll_l内插点的探索对于给定的点（r,）,欲采出其地面信息数据需操索该点所属数模的哪个网眼.为了加快探索速度,可将数模分为若干段.比如5km一段;先判断待定点所属数模分段,再求出待定点所在分段的哪个阿眼就行了探索待定点属于哪个M眼可采用如下算法（如图l所示）:

（1）按适当的间距在中心线卜选择几个点;

（2）计算任意点0.）与上述沁点z问的距离,选择距离最近的那个测点;（3）寻找在这个测点附近点（z,）两旁的横断面线;（4）如果点.）在某两个横断面线之问,精确查明它属于横断面方向的哪个网眼.ll2内插待定点地面信息为了内插地面信息,可与方格州类似.采用双线性内插方法.使用持定点所在格网眼的四个数据点组成一十四边形,使用下列公式求出待定点高程矗为c+al×十.×+××先利用四十数据解出个系数cl（』,然后再根据待定点P的坐标z,,求出待定点的高程.如图2所示为鲱鱼骨式数字地形模型中的一个限假定在此格网范围内的地面是一个双曲面,而内插点就是反曲面卜的一个点假设该四边彤沿线路方向为U,横断面方向为r过待定点P佧AC边的平行线;该线与AB边檑交于M点.与CD边相交于N点,先用A,B两点的高程线性向插出M点的高程z—v/L!

J×/Ll_LZf】一/LI）×v/Lz+zc×Ⅱ×p/（Lt×Lz）32西南变通大学第3l豢上式中,”为’d,两点之间的距离,为P,M两点之间的距离;,值可报据几何关系求得:

如图2所示,过待定点P作AC边的平行线,与AB边相交于肘点,与D边相交于Ⅳ点;根据A,口,C,D点的坐标可求得AC边与轴夹角的正切为tg=（yc一）/（≈一”）口边与车f{『的夹角的正切为’【g手（～）1（8一』）AB边,AC边的边长舟别为Ll一√（z日一在路基设计CAD软件中应包括等高线地形围的显示,移动和缩放当采用先进的屯子航测技术测绘新线设计所需的地形图时,同时也可提供沿等高线布点或沿地形特征线布点的数字地形模型数据,则可直接在计箅机屏幕上绘制等高线地形图}如果设有按等高线布点的数模数据,可采用下列改进的双线性内插加密方法[],生成等高线数据,然后绘制等高线地形.如图3所示.绘制等高线幽的方法可归纳如下:

（1）在四边形ABCD上布一个矩形格M用双线性内插法计算每个格阿点上的高程值z;

（2）沿着等值线,（.）一z,用线性插位法求网格棱边与等值线的交点坐标;设加密格阿在方向的步长为S,在方向的步长为S”若等值线y（u,）=z从格阿面穿过一a点为方格的左下角,其行,列号为i.;对于ab边一+（J一】j×2,+（z—S（i,J））x/（,（,J+1）一,（,J））第1期易思蓉:

路基设计CAD中排水设施的自动设置方法33一一一+（1一【）×;对于AC边“一=c一十（j一】]×Sp一+（;一】）×s+（z,”.JJ）p/（,0+1,J）一,（I,J））上式中值采用2.2中介绍的方法求得.（3）用分段三次多项式将所得的交点光滑的连接起来.等高线地形图在设计前一次生成图彤库,供后续设计使用’为了便于交互式图形设计中图形的搜索,缩放和移动,对等高线地形图需进行分段处理[.1.’地表淘谷,水系线的生成’为了设计排水沟,需利用地表的沟各,水系信息;近二十多年来,国内外研究者提出了许多从数字地形模型,计算机自动提取地表沟各线,河流线以及流域边界线的方法.本文采用局部算子与人机交互相结台的方法提取地表沟各线,河流线以及流域边界线.囤3内插等高线示意（t）地表淘谷,水系线点的标注与校正此步工作可与等高线的生成同时进行.在等高线搜索时,用一个矩形网覆盖在数模上+计算每一梏网点的高程,与此同时,用一个2★2的小窗口对整个矩形区域内的数模数据扫描,标注窗rI内高程最高的等高线数据点.当整个区域扫描完以后.余下的未标注的点代表山谷线或水系线的所在地.当整个数模内的等高线生成完成后,地表线和水系统的点也同时标注好了.按上述方法标注的点且是一些潜在的沟各点,埘这些点还应进行检查和校正.检查主要考虑水系线两方面的特点:

①所标注的水系载点的高程随着流向单调下降;②在与流向垂直的方向上,各线上的格嘲点高程最底.～

（2）用交互式幽形技术绘淘谷线和水系线在等高线圈背景的屏幕上,将l中标注的淘备和水系的点按各自的流向联接起来,即把沟各线和水系线套绘在等高线幽j二.根据卜述标注点连接的淘谷线和水系线的结果,可能会出现河谷段不连系,或ij}（I矛盾等情况,可在彤肝幕上用人机交互的方式进行修改.2路基排水沟设Ij2为主要工作区,用于横断面的交互设计;窗口3用于纵断面和局部等高线地形田的品示;窗r【2和窗3为弹性窗|l,可随图彤的放大而放大,井可相互重叠.2.2排水沟设置

（1）一般设计要求排水沟忙于路堤护道的外测,用排胯路堤范围内的地表水和截排田野方面流向路堤的地面水.排水沟设置包括以下d方面的问题;①确定沟的流水方向{@确定淘底标商;⑧确定横向适当的位置;④若排水淘设在填筑的基体上副,路基坡脚至淘边的距离不小于2m.这些设计问题均需结合善线路纵断面资料,面图,以及沿线桥涵资料进行;为此我们采用交互式圈彤技术进行设计;

（2）确定沟的流水方向沟的流水方向的碲定应能保证水峨fl口j排水俩或跨词跨谷桥.计算机首先根据已知桥涌资料自动标出待设路堤地段的可能排水方向当同一路堤地段有两个排水方向时,应结合线路平面囝,采用人机交互方式确定分水点;～艘将分水点设在地形的分水岭或坡顶处;（3）确定淘底标高与横向佗置排水沟应根据地彤.地貌等自然特征设置;地面横坡明显地段,仅在上方一侧设置排水沟.在程序中.根据土质岩性,给定一-I,不设排水沟的最大地面横坡,由计算机自动捡查,指示需设排水沟的位置.排水沟的断面形式与尺寸,根据具体设计线的设计原则确定.淘底标高与横向俺筮的确定,是一个反复设置,捡盎,修改的过程;首先.在计算给定的可能的水沟位篮处,按标准断面绘出排水沟.计算出淘底的标高;然后对所设计的排水沟进行基于知识的检壹;检盎基于以下专门知识:

（】）沟的纵坡不缓于2‰,不陡于沟槽的临界坡度;

（2）淘的纵境坡度自上游至下游逐渐增加陡度.即每一下游坡段不缓于其上辨坡段的坡度.并且相邻坡段的坡度差不大于接设计标准确定的限制值;3）在水沟引人桥桶或天然沟酋皇上.淘底标高应略高于桥涌人【1或天然沟谷底部的标高.若设计的排水沟不满足述要求,则用人机交互方式进行调整:

（1）横向位值不变,调整沟麻标高（陶的挖探度）;（0）淘底标高雨变.调整横向位置.调整设计后返回第二步进行基于知识的硷查;第1期易思蓉:

路基设计CAD中排水设施的自动设置方击35反复进行以步骤,直至设计满足要求;存储断面,转下一段路基设计.3约束语路基设计出I芏l工作量大,实或路基设I十自动化应是铁路线路自动化设计首先追求的目标.本文所介绍的方法是将数字地形模型引人路基设计CAD中,使得路基设计中的地形资料获取,等高线地形I芏7的生成与处理及沟谷缓,水系线的生成等均由计算机自动完成,从而解决了路基CAD中比较复杂的排水淘设置问题本文所介绍的方法,同样可用于解决天淘设置,取土坑,弃土堆等附属设施的设置参考文献Sehu[,GHReviewofinterpolationmcdl,.d~fordigkalt~rraJ!

lmodels.TheCanadaJnSurveyor.1976;30（5）CottafavaGandLcmeliG.AutomadcCOil~ourMap.Comm.ACM,1969:

12（7）易思蓉.FORTRAN语肓实现带状地彤图志示的方法.铁路航测.1994{

（2）:

1O一13何隆华等.从数字高挫横型中自动提取地表尚备,水系信息的改进方法.测绘通报.I993}

（1）:

28-30AMethodforDesigningtheDrainageFacilitiesAutomaticallyinSubgradeCAD1’㈣f”{（Dcpr-ofRailwayandRoadEriE,SouthwcstIiautungUrtiversJty,Chengdu610031,China）【Abstract1[Keywords]ByintroducingtheDigitalTerrainModel（DTM）tocomputeraidedsubg~adedesi~J（subgradeCAD）syslem,theproblemabouthowtodesignthedrainagefacilitiesbycomputerautomaticallycanbe,solvedeffectively.Thispaperpresentsa111eIhodfordesigningtheberrnditchesby口】eansofcrossseetiotlsystenlDTMandtheinteractivegraphictechniques-Thetllethodisapplicablefordesigninginterceptingditchesandotherdrainagefacilities.digitalterrainm{nlel;CAD;subgradesdesign;subgradedrainage