考慮風流影響的采砂作業分區施工技術研究

鄭 藺 張基斌 孫春輝 邢曉東

（中電建路橋集團有限公司，北京 100048）

0 引言

建筑業發展如火如荼，作為混凝土材料組成部分的砂的需求量出現供不應求的現狀，尤其現階段主要以河砂為主，而國家的綠色治理限制河砂的大規模開采，因此海砂開采項目成為今后的建材發展主要導向之一[1]。該文聚焦廣東汕尾海砂開采項目，通過海上作業并考慮風流影響，研究相關的海砂開采的施工技術。

1 工程概況

廣東省汕尾管轄海域JH21-09 區塊海砂開采。位于汕尾市碣石灣施公寮島東南側海域，整體地勢為自北向南階梯式緩慢下降，局部受海底波紋發育的影響，地勢高低崎嶇起伏，但是幅度很小，屬于水下岸坡區中的水下侵蝕-堆積岸坡地貌類型，侵蝕和堆積作用都較為強烈，海砂開采工程將受到風浪和海水洋流的侵蝕和沖擊影響[2]。工程采用露天水下開采方式，按照采砂規模配置相應容量及數量射流式采砂船直接抽取海砂礦。采砂作業控制在風力不大于6 級、浪高不大于2m，能見度不小于1000m 的工況下進行。該工程涉及的主要施工機具包括采砂船、備用采砂船、運砂船以及現場指揮船。

2 風流基本情況及分析

2.1 洋流影響分析

采砂過程產生的少量廢棄泥土將在船底排海，通過采砂船的射流泵將砂、泥、水等混合物吸到船艙，通過裝在甲板上的一個篩網進行過濾，將石塊、垃圾等濾在篩網上。海砂流入砂倉，經過水體清洗，砂粒迅速沉入船艙底部，表面形成含泥余水，淤泥、粉砂則隨水流經采砂船體兩側的溢流口排出[3]。洋流的漲急落急流場情況分布對把握海上海砂的作業時機有良好的控制效果。由于有不同的洋流影響，因此在不同影響程度下進行特定分析具有重要作用。

2.2 波浪作用分析

波浪在海域中的影響作用不能忽略，在海上進行作業必須考慮其作用[4]。由于地理位置的分布，該工程的采砂區附近海域從公歷的每年8 月份開始至翌年5 月份截止將主導東北東向浪，根據常年統計數據每月頻率在28%以上；而6～7 月份主要為西南及西浪向，月頻率在16%以上。由于水深和地形的影響，從季節上看，波高的季節變化為冬半年月平均波高大于夏半年，平均波高年均值為1.2m，秋冬兩季稍大，春夏兩季略小。

2.3 海面起霧影響

根據歷史數據統計，該海域起霧多在每年的4 月份，在暴風雨期間海面上能見度通常只有約1000m。有霧與暴風雨天氣將直接阻礙海砂施工。當能見度小于1000m時，該采砂區采砂船考慮停止采砂作業，運砂船也不允許出航。

當能見度小于1000m 時，禁止該項目采砂船、運砂船進入、進出港航道航行。如果船舶已在進出港航道中航行，應當在確保安全的前提下沿進出港航道行駛，駛出進出港航道后盡快選擇安全水域停泊。

3 分區采砂施工技術

3.1 分區施工技術分析

分區施工的理論依據和施工邏輯來源于海水的洋流和波浪作用。正是該過程受洋流的影響較大，當水流流向與船舶航向相同或相反時，主要是增速或減速；當水流與船舶中縱剖面有一定夾角時，將改變船舶的航速和航行軌跡。采砂船的定位裝置還需要承受水流沖擊力。潮流均表現出較明顯的往復性。在船舶錨定的條件下，潮流對采砂船、運砂船一般不會產生明顯的影響。因此，采用描述物體運動的基本運動方程的雷諾方程進行分區施工的研究。該技術本質上是以物體做勻速運動時的狀態方程為基礎，考慮在該狀態下以不同區間的方程來計算分區施工。為了能夠與海砂開采的實際相符合，需要用海洋微元體在瞬時的運動狀態來刻畫這一變量。因為整體采砂船在某一時刻的采砂運動是時間的變量，并且其變化規律并不完全一定，需要從雷諾方程本身出發，改變其基本的前置條件，得出符合客觀規律的偏微分方程，進而得出正確的工程規律，以指導實踐。

利用并結合海氣相互作用及海洋湍流理論分析海洋微元體的運動狀態。根據汕尾采砂海域的界面氣動能量方程以及湍流邊界層的邊界模式可以得到公式（1）、公式（2）。

上述兩公式反映了海域中海水與陸地上純水的區別。海水與溫度T、壓強p、鹽度s有關，而海水的密度實質上是一個經驗公式，主要通過數據擬合得到的多項式KT（T，s，p）構成。

從以上分析可以看出，由于海砂存在的自然條件比河砂更復雜，海域寬闊，有波浪、洋流等很多大氣物理現象的作用，同時潮汐現象所引起的急漲急落對海砂的準確定位及采集效果的影響也較為顯著。為此，不能像在河道中開采河砂一樣以靜態的方式進行開采等一系列工序，而需要結合海域的水動力情況，動態地給出不同分區，在區塊中進行海砂的優化采集，才能達到較好的施工質量。

分區施工的技術要點就是考慮風流的影響。采砂船在采砂作業過程中有一定的偏移，通過洋流的應力分布情況合理劃分同一量級的海砂蘊藏區域，然后合理配備相匹配的海砂開采施工力量，在結合航道導行來進行有效組織和開采施工。

在采砂船采集海砂、運砂船進行海砂運輸的過程中，都可能因為波浪的作用發生不平衡而失穩傾覆的現象[5]。在此情況下，很難確保船舶在擬定的航線上安全航行，采砂船和運砂船可在浪高不大于2m 的海況下作業。因此，運砂船遇到大風浪天氣時必須停止出航，暫停采砂作業。在波浪作用下，海面水體產生周期性起伏，其物理表征為波峰、波谷、波高、波長、周期、波速以及波幅等。該海砂開采區域的波高與海水深度經數值回歸得到公式（3）。

式中：Hd為波高；H0為海水深度；λ為波浪系數。

海水越深的部位，波浪作用越不明顯，海水的波浪力會由深度向表層逐層遞增并疊加。

海水微元體流動模型如圖1 所示。在開采海域選取一個海水微元體樣體，p和p+δp分別是控制該海水兩側的壓強，根據圖1 可得公式（4）。

圖1 海水微元體流動模型

化簡后，可以得到便于獲取分區依據的表層x方向的加速度描述，如公式（5）所示。

式中：ax為海水采砂船運行方向的加速度；δτ為控制體的體積；δm為控制體質量。

得到x方向的加速度，通過加速度的導出，可以進一步對分區進行壓強梯度力的劃分，按照公式（6）進行計算分類。

公式（4）～公式（6）反映了海域波浪力的梯度方程以及動力微分方程。通過微元體分析能夠透徹看出，隨著海洋梯度方向的不斷變化，如果采取同一區塊內的采砂作業方案不能夠滿足日常海砂開采要求，還會產生一定的船只傾覆或者船只碰撞的風險。因此根據波浪作用微分關系，可以很自然地得出如下依據海水壓強的梯度力劃分的作業區域范圍。

綜上所述，海水壓強梯度力給出了明確的針對海洋洋流運動的能量來源，可以最終將開采海域建立為A、B、C、D、E 共5 個區域，設有兩個集合地，其詳細分塊方案見圖2 所示。結合該工程情況，根據分區施工的技術，由南向北、由東向西推進分區劃分?？筛鶕F場開采情況調整。采砂作業應有計劃地進行，并分層分片，可將采砂區分成若干小區，均進行采礦，防止形成大面積的深坑，造成上部淤泥層的坍塌。5 艘采砂船集中在坐標區域中部組合挖砂口，砂口形成后再向四周挖掘，推進采砂區域至邊界線止，不得越界。所有船只（包括采砂船、運砂船等工作船只）均在此處進行轉頭和交匯。

圖2 采砂分區示意圖

3.2 采砂障礙性分析

根據該工程采砂施工特點，將海域內采砂分為5 個區域，每個區域的過往船舶流量有所不同，會對原有過往船舶的航行習慣產生一定程度的干擾。為避免這類干擾，需要結合項目采砂實際進行分類導航，限道、限區、限時進行分流通航，最大限度地確保采砂的持續作業，使其不受影響。該采砂區工期為2.58 年，采砂作業的礙航影響隨施工的結束而消除。在整個施工過程中，其產生的礙航性是暫時、間斷的，施工完成后，該影響將得到消除，因此其礙航性具有臨時性。

3.3 通航安全及交通

為嚴格限制施工作業區的管理，該次開采海砂對作業范圍內的浮筒、運砂船停泊水域采取統一使用的方法。浮筒、運砂船停泊水域作業區范圍以4 角點定位為準，具體見表1。

表1 開采作業區坐標表

當項目采砂過程中還需要特別針對采砂船及逆行作業進行施工時，其船只活動范圍會對通航安全產生影響。根據規范要求，港池兩側需要布置兩個以上泊位，當船舶在港池內轉頭作業時，水域寬度不宜小于2.0 倍設計船長[7]。根據這個規范要求，考慮對采砂船船長進行控制，得出如圖3 所示的結果。圖3 中，L 為采砂船船長，兩排船只活動須保持間隔2 倍船長，船只機頭轉向需要保持在1.5倍轉彎半徑。

圖3 采砂作業船有轉頭作業安全通航安全范圍

由圖3 可以得知，在海砂采集的區域范圍內，首要做好主要的采砂船只通航轉頭活動半徑的作業要求，同時工作日內還有指揮船、警戒船、交通船等輔助船艇，在采砂作業區采用錨泊及系浮筒方式停泊時占用的水域較大，因此協調其通航路線非常重要。

海砂的應用是一個系統工程，涉及混凝土原材料、配合比、施工過程的監管、后期養管等多個環節。為了避免海砂被不正當地應用在工程中，必須對海砂使用的各個環節加強監管。同時還應深入開發更有效的海砂除氯方法和保障措施，以便更有效地利用海砂資源。

4 結論

風流影響在海砂開采作業施工是不可忽視的因素，該文以廣東汕尾JH21-09 區塊海砂開采項目為工程實例，詳細分析策劃了開采施工前需要考慮的若干因素，并結合現場海域情況和實際開采的洋流、波浪以及雨霧等天氣影響，進行洋流的區域應力分析。通過雷諾方程的推導出發，整理出適宜的分區施工和通航安全的配套施工技術，從實踐的角度來說，具有現實和經濟意義。在后續海砂開采工程中可以反復踐行，并不斷總結經驗和施工規律。