軟基處理下吹砂回填量Matlab細化計算方法

駱 釗，馮先導，王 超，林紅星

(1.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430040;2.長大橋梁建設施工技術交通行業重點實驗室，湖北 武漢 430040;3.交通運輸行業交通基礎設施智能制造技術研發中心，湖北 武漢 430040;4.中交公路長大橋建設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，海運到填海點倒出，從而形成陸域的過程。吹填砂從遠海運輸到陸域的過程中，由于路途較遠，導致價格相對昂貴。規范[1]公式中，給出了吹填量應注意的幾個問題，但未考慮吹填砂壓縮率、堆載等；同時傳統的計算方法，由于人工計算網格相對較大，導致誤差較大。一般吹填區域的面積相對較大，在砂層厚度方向較小的誤差，都可能導致幾萬立方米的變化，進而引起較大的經濟損失。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，用嚴謹的計算理論、采用更細化的計算方法得到精確的數據，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遣或陸上采購。

Matlab[2]是在科學計算領域較為成熟的編程軟件，其自帶較多內置函數和簡易的編程界面，可得出較準確的結果，適宜處理有規律的重復計算，但在工程領域還應用較少。多波束測深系統[3]是一種可同時獲得數十個相鄰窄波束的回聲測深系統，裝有多波束測深系統的測量船能夠有效探測水下地形，獲取1 m×1 m網格坐標上的水深數據。本文首次采用多波束測深系統，結合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目為例，采用本文方法計算結果，計算了吹填料的使用量。

1 規范公式

根據《疏浚與吹填工程設計規范》，吹填設計工程量應按下式計算:

(1)

式中:V為吹填設計工程量(m3)；V1為吹填容積量(m3)，即吹填區設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為吹填土進入吹填區后的流失率(%)，根據土的粒徑、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、吹填高度及水力條件等具體施工條件和經驗確定。

2 細化公式

吹填砂后往往會進行地基處理，規范公式中未考慮吹填砂自身振沖密實后的沉降，也未考慮臨時堆載砂等；傳統計算方法，通常選取十余個典型斷面進行計算，精度較低。項目提出細化計算公式為：

(2)

3 Matlab數值仿真

Matlab具有強大的矩陣算法和成像技術。將多波束測量得出的的水深數據在Matlab中編譯繪制，見圖1。

圖1 多波束測量在Matlab中可視化結果

通過函數繪制吹填區域邊界，得出吹填前的水深，見圖2。

圖2 吹填前的區域水深

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

圖3 軟黏土沉降區域和取值

計算中考慮部分區域額外堆載高度2.1 m，見圖4。

圖4 堆載區域及取值

根據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，該值可用來復核振沖器的作業深度，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域的理論振沖砂面高程。計算結果見圖6，其高程存在突變，是由該區域存在原地基的沉降固結和堆載決定的；繪制等高線圖便于現場查閱和施工，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的數據疊加，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Matlab得出計算網格的面積為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，這部分區域距離測量船較遠，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，遠小于傳統方法計算的105萬m3。

4 結語

1)基于Matlab結合多波束測量數據進行數值計算，計算結果精度較高，在依托的巴拿馬阿馬多爾郵輪工程中，為項目節省約7萬m3的吹填料，約節省了人民幣700萬元。

2)針對規范公式中的吹填砂計算公式，反衍并補充了吹填砂壓縮率、堆載等參數，完善并細化了具體的網格法計算公式。

3)驗證了吹填細砂在現場振沖達到65%相對密度的壓縮率約為4%的結論，可供其它項目參考。