廣東汕尾海砂開采施工工藝研究

鄭 藺 孫春輝 張基斌 邢曉東

（中電建路橋集團有限公司，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、福建等地區的近海區域開展海砂開采作業，有助于解決建材市場上的供不應求的緊張局面，同時能夠積極促進建筑業的繁榮發展；廣東率先響應，開展海砂開采項目，選址廣東市汕尾碣石灣施公寮島東南側海域對海砂進行開采，對海砂開采工作進行研究，具有良好的經濟效益與社會效益。最新行業趨勢顯示，河砂的供應量遠遠跟不上建筑的需求量[1]。因此，在當前的建筑發展背景下，對海砂的大量開發提上了議程。海砂是一種重要的礦產資源，作為建筑材料，可廣泛用于大型工程項目建設和填海造地[2]。

1 工程概況

廣東省汕尾市海砂開采項目JH21-09區塊位于汕尾市碣石灣施公寮島東南側海域，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，局部受海底波紋發育的影響，地勢高低崎嶇起伏但是幅度很小。區域內存在一定的侵蝕和堆積作用，波紋是礦區最發育的地貌，遍布整個采砂海區，南北兩側波紋波長為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。具體海砂礦區范圍見表1。

表1 JH21-09區塊海砂開采范圍表

2 海砂開采工藝研究

2.1 采砂技術

海砂開采技術主要涉及射流插入海床技術、泵吸吹吸技術以及洗砂過濾技術。汕尾海砂開采技術更多地結合了海域水力動力學的運動特征，

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，在采砂船進行篩分一分級選礦，然后利用運砂船（須與采砂船配套使用），將砂運抵碼頭或目標填海區[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機械、船只，見表2。

通過表2可以發現，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目聚焦通過直接海下吸砂、洗砂的工藝，對海砂進行選砂流程，直接運至海岸儲存。主要采用吸砂洗砂工藝進行海砂的開采[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行很多的輸送工作，這種輸送工作往往是在運砂船和處理加工點之間轉運、或者是在處理加工設備之間輸送。海砂在利用過程中大量的輸送轉運工作是陸上傳統的皮帶運輸方式和車輛裝卸方法難以承擔的。船用真空吸送技術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

船用真空吸送技術就是既能吸取又能輸送物料的技術。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、低成本的物料吸送技術。因此，在海砂開發利用項目中，船用真空吸送技術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，直至生產出各種砂產品。

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。采砂過程產生的少量廢棄泥土將在船底排入海中。根據本次開采制定如下作業方式，如圖1所示。

圖1 采砂作業示意圖

2.2 射流技術

在海砂開采作業過程中，首先需要在選定海域將剛性射流管和吸砂管以60°～70°的角度插入預定砂層，射流泵將一定壓力的工作水經過噴嘴后，形成高速射流，與空氣之間產生卷吸作用，將射流泵混合室內的空氣帶走，使該處產生低壓或真空，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管內混合，然后進入擴散管，將動能轉換為壓力能，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，在傳統的吸收海砂的方式中，由于存在吸管內外的水頭差，容易出現堵管和吸入困難的情況。因此根據海域中的施工措施，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，通過泵吸動能把經過過濾的海砂吸入船體內。

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行，將逐漸恢復海床固定平衡的海床表面形態分布。

2.3 洗砂技術

當海砂被吸入吸砂船后，開始進行第二步施工工藝，對海砂進行洗篩[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。

在海砂搜集吸入的過程中，進行分離洗砂，洗砂技術主要包括4個過程：篩分、脫氯、洗砂和脫水。需要摻入脫氯劑，脫氧劑的強氧化性可將海砂中氯離子氧化為氯氣并排出，實現氯離子與海砂的分離，隨著臭氧水濃度升高，脫氯時間增加，提高了海砂的脫氯效率；利用清洗水對脫氯后的海砂進行沖洗，去除殘留的氯離子及部分泥土，進一步降低海砂中氯離子的含量，同時降低了含泥量及泥塊含量，不僅提高海砂凈化的效率，同時減少用水量。

由于海砂中含有大量的鹽類，直接影響混凝土強度并且對鋼筋產生腐蝕。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，同時還會增大電位差，使鋼筋腐蝕加速反應。洗砂過程是將采集的海砂進行除氯處理，采用化學劑和物理重力分離的組合式技術進行篩濾氯離子。該技術能夠最大限度地滿足海砂開采施工效率合施工質量，通過該工藝取得的海砂材料可用于建筑結構，質量相比常規工藝將更有品質保證。

在研究洗砂的過程中，發現如下結論：清洗水用量達到海砂質量的30%～60%時，隨清洗水量與海砂的質量比增大，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，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，進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→采區原位吸砂→成品砂裝船→運砂船排水及倉口蓋作業→航行”的海砂采運方案進行。采砂船通過射流進行擊穿海床，然后開始泵吸海砂進入船艙，然后通過洗砂過程，反復進行，遴選出成品海砂運至岸邊備用。其中采砂的裝駁部件詳細名稱如圖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行接駁處理，采砂船之間兩兩配合，從海床中取得海砂后，進行向上吸附。通過吸砂以后，將整個海砂在吸砂船保存，將多余雜質排出船外。

在這個動態過程中，需要對開采工藝進行力學分析。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，本質是代數渦輪模型。首先根據海洋水體運動，海面與一定深度的海水之間的應力符合逐漸遞減規律。其計算模型如圖4所示。

圖4 海洋表層及隨深度應力變化簡圖

通過該應力變化關系，可以得出海水的應力變化是由摩擦力不斷影響的，二者之間建立微分關系，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力；A為該海水微元的面積；F為該平面方向的應力。μ是渦輪系數，由統計數據給出。

在海水中，由于并非平面作用，因此海砂在克服海水壓強后向上作用，其作用長度既是混合長度l m，通過試驗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后在不同角度收到的方向應力的情況。τ（u，v，w）是海砂在海水中三個主方向上的偏導函數。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數值，只要對該方向上進行拋吹的應力大于其壓強，就可以輕松地完成海砂的吸砂過程。

對以上的渦輪矩陣進行模態分析，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入船體的模態分布情況如圖5～圖7所示。以海砂的吸砂時間作為橫坐標，單位是s；以對應頻率下海砂在海水作用下的浮動幅值作為縱坐標，單位是m。通過時間與幅值的變化關系，能夠將動態流動的海砂運動規律進行系統的規律認識。無論如何變化，幅值都會保持循環運動，基本符合海水洋流的動力學效應。

圖5 一階模態的海砂吸砂時間與幅值的振型變化

圖6 二階模態的海砂吸砂時間與幅值的振型變化

圖7 三階模態的海砂吸砂時間與幅值的振型變化

為了更細致地分析問題，將模態做到三階。從上述模態分布圖像可以發現：一階和二階模態圖像幅值高于三階模態，因此從模態響應的角度分析，可以把重心放在一階與二階基礎上，對三階模態響應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（即代數渦輪模式）的影響并不廣泛，僅在一個維度上呈現變化，而在二階和三階階段的動態響應沒有較大影響，可以忽略其應力與應變關系，視為常量就完全可以指導施工。

3.2 絞吸篩分工藝

通過前述內容分析可以知道，整個采砂工藝重點在采砂船只和運砂船只的施工工藝上。對海砂的分布區域也有不同的對應措施，需要結合海域內開采實際分門別類進行，其分布見表3。

表3 海砂開采篩分過濾工藝

由篩分工藝可以發現，對泥質含量較大的海域，需要重點進行篩濾。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，應該結合實際海砂的質量情況，結合使用，才能采集出較為均質的海砂產品。

4 結論

該文通過描述廣東汕尾海砂開采項目JH21-09區塊的基本情況，結合現場海域海砂實際工況，突出海砂開采工程的施工工藝流程和有關工藝，利用代數渦輪模型的引入，將海水隨深度變化進行數學推導，得出了海砂被吸入船體的三維矩陣渦輪模型，并結合模態分析介紹了在我國東南沿海地區開展大型海砂開采的施工工藝方法，以供有關開采單位參考，在國內海砂開采領域中有一定的實操性。