鄭 藺 孫春輝 張基斌 邢曉東

（中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京 100048）

0 引言

我國海岸線廣闊，擁有龐大的海砂儲備，在廣東、福建等地區(qū)的近海區(qū)域開展海砂開采作業(yè)，有助于解決建材市場上的供不應(yīng)求的緊張局面，同時(shí)能夠積極促進(jìn)建筑業(yè)的繁榮發(fā)展；廣東率先響應(yīng)，開展海砂開采項(xiàng)目，選址廣東市汕尾碣石灣施公寮島東南側(cè)海域?qū)Ｉ斑M(jìn)行開采，對海砂開采工作進(jìn)行研究，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。最新行業(yè)趨勢顯示，河砂的供應(yīng)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上建筑的需求量[1]。因此，在當(dāng)前的建筑發(fā)展背景下，對海砂的大量開發(fā)提上了議程。海砂是一種重要的礦產(chǎn)資源，作為建筑材料，可廣泛用于大型工程項(xiàng)目建設(shè)和填海造地[2]。

1 工程概況

廣東省汕尾市海砂開采項(xiàng)目JH21-09區(qū)塊位于汕尾市碣石灣施公寮島東南側(cè)海域，海域面積2.3km2，海砂資源儲量4178.1萬m3，可采資源量3531.65萬m3。礦區(qū)整體地形非常平坦，坡度變化范圍為0.05°～1.2°，平均坡度約0.27°，整體地勢為自北向南階梯式緩慢下降，局部受海底波紋發(fā)育的影響，地勢高低崎嶇起伏但是幅度很小。區(qū)域內(nèi)存在一定的侵蝕和堆積作用，波紋是礦區(qū)最發(fā)育的地貌，遍布整個采砂海區(qū)，南北兩側(cè)波紋波長為10m～15m，中間海域沙波波長為15m～25m，波高均為0.05m～0.5m。此外，礦區(qū)存在人工拖痕、小溝槽等微地貌類型，人工拖痕長約1.8km，寬約2m～3m。具體海砂礦區(qū)范圍見表1。

表1 JH21-09區(qū)塊海砂開采范圍表

2 海砂開采工藝研究

2.1 采砂技術(shù)

海砂開采技術(shù)主要涉及射流插入海床技術(shù)、泵吸吹吸技術(shù)以及洗砂過濾技術(shù)。汕尾海砂開采技術(shù)更多地結(jié)合了海域水力動力學(xué)的運(yùn)動特征，

按照采砂規(guī)模配置相應(yīng)容量及數(shù)量射流式采砂船直接抽取海砂礦，在采砂船進(jìn)行篩分一分級選礦，然后利用運(yùn)砂船（須與采砂船配套使用），將砂運(yùn)抵碼頭或目標(biāo)填海區(qū)[3]。對海砂開采來說，由于需要提供動力和泵吸能力，存在多種采砂的工藝方法，在開采過程中需要配備關(guān)機(jī)械、船只，見表2。

通過表2可以發(fā)現(xiàn)，目前主要存在5種海砂開采的施工工藝。在各種施工工藝中，廣東汕尾海砂開采項(xiàng)目聚焦通過直接海下吸砂、洗砂的工藝，對海砂進(jìn)行選砂流程，直接運(yùn)至海岸儲存。主要采用吸砂洗砂工藝進(jìn)行海砂的開采[4]。綜合開采的需要，工程共選用5艘采砂船進(jìn)行開采。海底的天然海砂并不像河砂一樣取用方便，從海底采集的砂需要進(jìn)行篩分、淡化以及礦選等工序，因此采集的海砂在處理加工過程中還要進(jìn)行很多的輸送工作，這種輸送工作往往是在運(yùn)砂船和處理加工點(diǎn)之間轉(zhuǎn)運(yùn)、或者是在處理加工設(shè)備之間輸送。海砂在利用過程中大量的輸送轉(zhuǎn)運(yùn)工作是陸上傳統(tǒng)的皮帶運(yùn)輸方式和車輛裝卸方法難以承擔(dān)的。船用真空吸送技術(shù)能通過管道輸送海砂，因此成本降低。

表2 主要海砂開采工藝表

船用真空吸送技術(shù)就是既能吸取又能輸送物料的技術(shù)。它既能在大水深下吸送砂粒，又能在無水的工況下吸送砂粒，而且是通過管道輸送的，是一種量大、連續(xù)、低成本的物料吸送技術(shù)。因此，在海砂開發(fā)利用項(xiàng)目中，船用真空吸送技術(shù)將有很多的吸送用途。它能在海底吸取原料砂、在處理加工過程中輸送砂，直至生產(chǎn)出各種砂產(chǎn)品。

在具體的工藝中，需要將輸送管插入海水中，直到海床所在位置，然后進(jìn)行向上吸附出砂。具體的海砂射流開采工藝如下[5]：①射流泵將高壓射流在砂層產(chǎn)生合成砂漿。②吸砂管將砂漿吸到洗砂船艙上。③洗砂船洗砂分選。④成品砂。采砂過程產(chǎn)生的少量廢棄泥土將在船底排入海中。根據(jù)本次開采制定如下作業(yè)方式，如圖1所示。

圖1 采砂作業(yè)示意圖

2.2 射流技術(shù)

在海砂開采作業(yè)過程中，首先需要在選定海域?qū)傂陨淞鞴芎臀肮芤?0°～70°的角度插入預(yù)定砂層，射流泵將一定壓力的工作水經(jīng)過噴嘴后，形成高速射流，與空氣之間產(chǎn)生卷吸作用，將射流泵混合室內(nèi)的空氣帶走，使該處產(chǎn)生低壓或真空，在外界壓力作用下，被吸的流體沿吸管被吸上來，兩股流體在射流泵的導(dǎo)管內(nèi)混合，然后進(jìn)入擴(kuò)散管，將動能轉(zhuǎn)換為壓力能，壓入排管至采砂船船艙[6]。射流泵的工作原理如圖2所示。

圖2 射流泵工作原理示意圖

由于高壓射流擾動，在傳統(tǒng)的吸收海砂的方式中，由于存在吸管內(nèi)外的水頭差，容易出現(xiàn)堵管和吸入困難的情況。因此根據(jù)海域中的施工措施，加入喉管和噴嘴2個裝置，利用射流原理克服海水中的阻力，將水流分別吸入和排出，然后過濾出海砂，通過泵吸動能把經(jīng)過過濾的海砂吸入船體內(nèi)。

淺海海床的淤泥層較為松動，通過上述原理能夠在海砂射流開采掏空砂層后，覆蓋上面的淤泥層，在重力作用下會自然地緩慢塌陷，該過程不會對原海床面造成影響，隨著海底洋流的不斷進(jìn)行，將逐漸恢復(fù)海床固定平衡的海床表面形態(tài)分布。

2.3 洗砂技術(shù)

當(dāng)海砂被吸入吸砂船后，開始進(jìn)行第二步施工工藝，對海砂進(jìn)行洗篩[7]。由于海砂中含鹽量較大，存在豐富的氯離子。這種成分的存在使海砂需要首先進(jìn)行清洗，篩出海砂中的氯成分、貝殼以及沉積物等，從而得到成品砂。射流泵將砂、泥、水等混合物吸到船艙，在甲板上裝1個篩網(wǎng)進(jìn)行過濾，將石塊、垃圾等濾在篩網(wǎng)上，海砂流入砂倉，經(jīng)過水體清洗，砂粒迅速沉入船艙底部，表面形成含泥余水，淤泥、粉砂則隨水流經(jīng)采砂船體兩側(cè)的溢流口排出。

在海砂搜集吸入的過程中，進(jìn)行分離洗砂，洗砂技術(shù)主要包括4個過程：篩分、脫氯、洗砂和脫水。需要摻入脫氯劑，脫氧劑的強(qiáng)氧化性可將海砂中氯離子氧化為氯氣并排出，實(shí)現(xiàn)氯離子與海砂的分離，隨著臭氧水濃度升高，脫氯時(shí)間增加，提高了海砂的脫氯效率；利用清洗水對脫氯后的海砂進(jìn)行沖洗，去除殘留的氯離子及部分泥土，進(jìn)一步降低海砂中氯離子的含量，同時(shí)降低了含泥量及泥塊含量，不僅提高海砂凈化的效率，同時(shí)減少用水量。

由于海砂中含有大量的鹽類，直接影響混凝土強(qiáng)度并且對鋼筋產(chǎn)生腐蝕。其中，氯離子的危害性最大。氯離子破壞鋼筋的鈍化膜造成鋼筋銹蝕，同時(shí)還會增大電位差，使鋼筋腐蝕加速反應(yīng)。洗砂過程是將采集的海砂進(jìn)行除氯處理，采用化學(xué)劑和物理重力分離的組合式技術(shù)進(jìn)行篩濾氯離子。該技術(shù)能夠最大限度地滿足海砂開采施工效率合施工質(zhì)量，通過該工藝取得的海砂材料可用于建筑結(jié)構(gòu)，質(zhì)量相比常規(guī)工藝將更有品質(zhì)保證。

在研究洗砂的過程中，發(fā)現(xiàn)如下結(jié)論：清洗水用量達(dá)到海砂質(zhì)量的30%～60%時(shí)，隨清洗水量與海砂的質(zhì)量比增大，清洗水量中氯離子與海砂上的氯離子的濃度差會加大，非常有利于海砂中的氯離子向清洗水遷移，從而提高海砂的凈化效果。同時(shí)，洗砂處理后形成的成品砂中的氯離子含量能夠滿足建筑用砂的氯離子含量要求。在海砂在清洗過程同時(shí)配合加熱處理，可以降低氯氣在水中的溶解度，有利于殘留在海砂表面上的氯氣揮發(fā)，進(jìn)一步防止海砂在使用過程中氯氣釋放對人體造成危害。

3 海砂開采工藝適用性分析

3.1 吸砂工藝分析

該工程開采施工將通過“采砂船采砂→采區(qū)原位吸砂→成品砂裝船→運(yùn)砂船排水及倉口蓋作業(yè)→航行”的海砂采運(yùn)方案進(jìn)行。采砂船通過射流進(jìn)行擊穿海床，然后開始泵吸海砂進(jìn)入船艙，然后通過洗砂過程，反復(fù)進(jìn)行，遴選出成品海砂運(yùn)至岸邊備用。其中采砂的裝駁部件詳細(xì)名稱如圖3所示，由閥門、鋼管、平板駁、排泥口組成，將多余泥質(zhì)排出船艙。

圖3 采砂船裝駁部件示意圖

吸砂船在工作中采取平板駁進(jìn)行接駁處理，采砂船之間兩兩配合，從海床中取得海砂后，進(jìn)行向上吸附。通過吸砂以后，將整個海砂在吸砂船保存，將多余雜質(zhì)排出船外。

在這個動態(tài)過程中，需要對開采工藝進(jìn)行力學(xué)分析。涉及的原理具體來講就是海砂被采砂船通過射流方式，克服重力而吸入船體內(nèi)，本質(zhì)是代數(shù)渦輪模型。首先根據(jù)海洋水體運(yùn)動，海面與一定深度的海水之間的應(yīng)力符合逐漸遞減規(guī)律。其計(jì)算模型如圖4所示。

圖4 海洋表層及隨深度應(yīng)力變化簡圖

通過該應(yīng)力變化關(guān)系，可以得出海水的應(yīng)力變化是由摩擦力不斷影響的，二者之間建立微分關(guān)系，如公式（1）所示。

式中：u為距離海底y深度的海水的海水平面方向應(yīng)力；A為該海水微元的面積；F為該平面方向的應(yīng)力。μ是渦輪系數(shù)，由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)給出。

在海水中，由于并非平面作用，因此海砂在克服海水壓強(qiáng)后向上作用，其作用長度既是混合長度l m，通過試驗(yàn)方法可以測得該平均值，然后就可以得出矩陣渦輪模型，如公式（2）所示。

式中：τ為在三維水體中推導(dǎo)出的渦輪形式的矩陣。它完美地刻畫出海砂在客服海水壓強(qiáng)后在不同角度收到的方向應(yīng)力的情況。τ（u，v，w）是海砂在海水中三個主方向上的偏導(dǎo)函數(shù)。理解了這個渦輪矩陣模型，就可以透徹地分析海砂開采施工工藝。如常用的絞吸篩分就是利用了在不同海深處的海水渦輪形式，從主方向中找出最弱主方向的偏導(dǎo)數(shù)值，只要對該方向上進(jìn)行拋吹的應(yīng)力大于其壓強(qiáng)，就可以輕松地完成海砂的吸砂過程。

對以上的渦輪矩陣進(jìn)行模態(tài)分析，更直觀地了解海砂開采施工的過程，海砂從海水中被抽離出來進(jìn)入船體的模態(tài)分布情況如圖5～圖7所示。以海砂的吸砂時(shí)間作為橫坐標(biāo)，單位是s；以對應(yīng)頻率下海砂在海水作用下的浮動幅值作為縱坐標(biāo)，單位是m。通過時(shí)間與幅值的變化關(guān)系，能夠?qū)討B(tài)流動的海砂運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)的規(guī)律認(rèn)識。無論如何變化，幅值都會保持循環(huán)運(yùn)動，基本符合海水洋流的動力學(xué)效應(yīng)。

圖5 一階模態(tài)的海砂吸砂時(shí)間與幅值的振型變化

圖6 二階模態(tài)的海砂吸砂時(shí)間與幅值的振型變化

圖7 三階模態(tài)的海砂吸砂時(shí)間與幅值的振型變化

為了更細(xì)致地分析問題，將模態(tài)做到三階。從上述模態(tài)分布圖像可以發(fā)現(xiàn)：一階和二階模態(tài)圖像幅值高于三階模態(tài)，因此從模態(tài)響應(yīng)的角度分析，可以把重心放在一階與二階基礎(chǔ)上，對三階模態(tài)響應(yīng)對海砂的開采影響幾乎沒有，從而明確海砂開采受到的海洋動力響應(yīng)（即代數(shù)渦輪模式）的影響并不廣泛，僅在一個維度上呈現(xiàn)變化，而在二階和三階階段的動態(tài)響應(yīng)沒有較大影響，可以忽略其應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系，視為常量就完全可以指導(dǎo)施工。

3.2 絞吸篩分工藝

通過前述內(nèi)容分析可以知道，整個采砂工藝重點(diǎn)在采砂船只和運(yùn)砂船只的施工工藝上。對海砂的分布區(qū)域也有不同的對應(yīng)措施，需要結(jié)合海域內(nèi)開采實(shí)際分門別類進(jìn)行，其分布見表3。

表3 海砂開采篩分過濾工藝

由篩分工藝可以發(fā)現(xiàn)，對泥質(zhì)含量較大的海域，需要重點(diǎn)進(jìn)行篩濾。篩分工藝是海砂開采施工工藝中的重要組成部分，需要了解其工藝方法，在開采工程中，通常不是只采用一種方法施工，應(yīng)該結(jié)合實(shí)際海砂的質(zhì)量情況，結(jié)合使用，才能采集出較為均質(zhì)的海砂產(chǎn)品。

4 結(jié)論

該文通過描述廣東汕尾海砂開采項(xiàng)目JH21-09區(qū)塊的基本情況，結(jié)合現(xiàn)場海域海砂實(shí)際工況，突出海砂開采工程的施工工藝流程和有關(guān)工藝，利用代數(shù)渦輪模型的引入，將海水隨深度變化進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)，得出了海砂被吸入船體的三維矩陣渦輪模型，并結(jié)合模態(tài)分析介紹了在我國東南沿海地區(qū)開展大型海砂開采的施工工藝方法，以供有關(guān)開采單位參考，在國內(nèi)海砂開采領(lǐng)域中有一定的實(shí)操性。