軟基處理下吹砂回填量Matlab細(xì)化計算方法

駱 釗，馮先導(dǎo)，王 超，林紅星

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040;2.長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430040;3.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心，湖北 武漢 430040;4.中交公路長大橋建設(shè)國家工程研究中心有限公司，北京 100011)

吹砂回填是利用大型船舶吸取級配相對合適的砂，海運(yùn)到填海點(diǎn)倒出，從而形成陸域的過程。吹填砂從遠(yuǎn)海運(yùn)輸?shù)疥懹虻倪^程中，由于路途較遠(yuǎn)，導(dǎo)致價格相對昂貴。規(guī)范[1]公式中，給出了吹填量應(yīng)注意的幾個問題，但未考慮吹填砂壓縮率、堆載等；同時傳統(tǒng)的計算方法，由于人工計算網(wǎng)格相對較大，導(dǎo)致誤差較大。一般吹填區(qū)域的面積相對較大，在砂層厚度方向較小的誤差，都可能導(dǎo)致幾萬立方米的變化，進(jìn)而引起較大的經(jīng)濟(jì)損失。對于吹砂回填這類造價昂貴的土方量計算而言，有必要基于吹填后的地基處理效果，用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠嬎憷碚?、采用更?xì)化的計算方法得到精確的數(shù)據(jù)，從而避免吹填砂富余太多無法處理，又防止吹填砂過少而需再次昂貴的船舶調(diào)遣或陸上采購。

Matlab[2]是在科學(xué)計算領(lǐng)域較為成熟的編程軟件，其自帶較多內(nèi)置函數(shù)和簡易的編程界面，可得出較準(zhǔn)確的結(jié)果，適宜處理有規(guī)律的重復(fù)計算，但在工程領(lǐng)域還應(yīng)用較少。多波束測深系統(tǒng)[3]是一種可同時獲得數(shù)十個相鄰窄波束的回聲測深系統(tǒng)，裝有多波束測深系統(tǒng)的測量船能夠有效探測水下地形，獲取1 m×1 m網(wǎng)格坐標(biāo)上的水深數(shù)據(jù)。本文首次采用多波束測深系統(tǒng)，結(jié)合Matlab矩陣計算，迅速累加得出了最終所需的陸域回填量和砂面高程。以巴拿馬阿馬多爾郵輪碼頭項(xiàng)目為例，采用本文方法計算結(jié)果，計算了吹填料的使用量。

1 規(guī)范公式

根據(jù)《疏浚與吹填工程設(shè)計規(guī)范》，吹填設(shè)計工程量應(yīng)按下式計算:

(1)

式中:V為吹填設(shè)計工程量(m3)；V1為吹填容積量(m3)，即吹填區(qū)設(shè)計高程與原始地面之間的容積；ΔV1為原地基沉降量(m3)，即竣工驗(yàn)收前因吹填土荷載造成的原地基沉降；ΔV2為超填工程量(m3)，根據(jù)吹填工程的高程平均允許偏差值計算，對于吹填砂而言，其值為0.15 m；P為吹填土進(jìn)入吹填區(qū)后的流失率(%)，根據(jù)土的粒徑、泄水口的位置、高度及距排泥管口的距離、吹填面積、排泥管的布設(shè)、吹填高度及水力條件等具體施工條件和經(jīng)驗(yàn)確定。

2 細(xì)化公式

吹填砂后往往會進(jìn)行地基處理，規(guī)范公式中未考慮吹填砂自身振沖密實(shí)后的沉降，也未考慮臨時堆載砂等；傳統(tǒng)計算方法，通常選取十余個典型斷面進(jìn)行計算，精度較低。項(xiàng)目提出細(xì)化計算公式為：

(2)

3 Matlab數(shù)值仿真

Matlab具有強(qiáng)大的矩陣算法和成像技術(shù)。將多波束測量得出的的水深數(shù)據(jù)在Matlab中編譯繪制，見圖1。

圖1 多波束測量在Matlab中可視化結(jié)果

通過函數(shù)繪制吹填區(qū)域邊界，得出吹填前的水深，見圖2。

圖2 吹填前的區(qū)域水深

根據(jù)不同鉆孔點(diǎn)位的主固結(jié)沉降值，給出了部分區(qū)域沉降0.5 m、部分區(qū)域沉降1 m的吹砂工程量計算值，提供的軟黏土的沉降區(qū)域和取值，見圖3。

圖3 軟黏土沉降區(qū)域和取值

計算中考慮部分區(qū)域額外堆載高度2.1 m，見圖4。

圖4 堆載區(qū)域及取值

根據(jù)振沖壓縮率和砂的損耗，得出吹填后的砂層厚度，其最大值可通過Matlab讀取值為22.98 m，該值可用來復(fù)核振沖器的作業(yè)深度，見圖5。

圖5 地基處理前的砂層厚度

已知砂層厚度、原泥面高程、沉降值，便可得到振沖前各區(qū)域的理論振沖砂面高程。計算結(jié)果見圖6，其高程存在突變，是由該區(qū)域存在原地基的沉降固結(jié)和堆載決定的；繪制等高線圖便于現(xiàn)場查閱和施工，對于無填料振沖法而言，該值即可作為吹填的交工高程。

圖6 地基處理前的砂面高程

通過Matlab的數(shù)據(jù)疊加，可得在無堆載情況下的振沖砂到場總量為98.176萬m3。同時根據(jù)Matlab得出計算網(wǎng)格的面積為7.10萬m2，而陸域總面積為7.19萬 m2，通過多波束測量值的邊界，這部分區(qū)域距離測量船較遠(yuǎn)，其高程為5 m以上，距離交工高程6.5 m還有1.5 m的吹填砂量，還需添加1 359 m3砂。最終吹填砂總量為98.31萬m3，遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)方法計算的105萬m3。

4 結(jié)語

1)基于Matlab結(jié)合多波束測量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值計算，計算結(jié)果精度較高，在依托的巴拿馬阿馬多爾郵輪工程中，為項(xiàng)目節(jié)省約7萬m3的吹填料，約節(jié)省了人民幣700萬元。

2)針對規(guī)范公式中的吹填砂計算公式，反衍并補(bǔ)充了吹填砂壓縮率、堆載等參數(shù)，完善并細(xì)化了具體的網(wǎng)格法計算公式。

3)驗(yàn)證了吹填細(xì)砂在現(xiàn)場振沖達(dá)到65%相對密度的壓縮率約為4%的結(jié)論，可供其它項(xiàng)目參考。