考虑风流影响的采砂作业分区施工技术研究

郑 蔺 张基斌 孙春辉 邢晓东

（中电建路桥集团有限公司，北京 100048）

0 引言

建筑业发展如火如荼，作为混凝土材料组成部分的砂的需求量出现供不应求的现状，尤其现阶段主要以河砂为主，而国家的绿色治理限制河砂的大规模开采，因此海砂开采项目成为今后的建材发展主要导向之一[1]。该文聚焦广东汕尾海砂开采项目，通过海上作业并考虑风流影响，研究相关的海砂开采的施工技术。

1 工程概况

广东省汕尾管辖海域JH21-09 区块海砂开采。位于汕尾市碣石湾施公寮岛东南侧海域，整体地势为自北向南阶梯式缓慢下降，局部受海底波纹发育的影响，地势高低崎岖起伏，但是幅度很小，属于水下岸坡区中的水下侵蚀-堆积岸坡地貌类型，侵蚀和堆积作用都较为强烈，海砂开采工程将受到风浪和海水洋流的侵蚀和冲击影响[2]。工程采用露天水下开采方式，按照采砂规模配置相应容量及数量射流式采砂船直接抽取海砂矿。采砂作业控制在风力不大于6 级、浪高不大于2m，能见度不小于1000m 的工况下进行。该工程涉及的主要施工机具包括采砂船、备用采砂船、运砂船以及现场指挥船。

2 风流基本情况及分析

2.1 洋流影响分析

采砂过程产生的少量废弃泥土将在船底排海，通过采砂船的射流泵将砂、泥、水等混合物吸到船舱，通过装在甲板上的一个筛网进行过滤，将石块、垃圾等滤在筛网上。海砂流入砂仓，经过水体清洗，砂粒迅速沉入船舱底部，表面形成含泥余水，淤泥、粉砂则随水流经采砂船体两侧的溢流口排出[3]。洋流的涨急落急流场情况分布对把握海上海砂的作业时机有良好的控制效果。由于有不同的洋流影响，因此在不同影响程度下进行特定分析具有重要作用。

2.2 波浪作用分析

波浪在海域中的影响作用不能忽略，在海上进行作业必须考虑其作用[4]。由于地理位置的分布，该工程的采砂区附近海域从公历的每年8 月份开始至翌年5 月份截止将主导东北东向浪，根据常年统计数据每月频率在28%以上；而6～7 月份主要为西南及西浪向，月频率在16%以上。由于水深和地形的影响，从季节上看，波高的季节变化为冬半年月平均波高大于夏半年，平均波高年均值为1.2m，秋冬两季稍大，春夏两季略小。

2.3 海面起雾影响

根据历史数据统计，该海域起雾多在每年的4 月份，在暴风雨期间海面上能见度通常只有约1000m。有雾与暴风雨天气将直接阻碍海砂施工。当能见度小于1000m时，该采砂区采砂船考虑停止采砂作业，运砂船也不允许出航。

当能见度小于1000m 时，禁止该项目采砂船、运砂船进入、进出港航道航行。如果船舶已在进出港航道中航行，应当在确保安全的前提下沿进出港航道行驶，驶出进出港航道后尽快选择安全水域停泊。

3 分区采砂施工技术

3.1 分区施工技术分析

分区施工的理论依据和施工逻辑来源于海水的洋流和波浪作用。正是该过程受洋流的影响较大，当水流流向与船舶航向相同或相反时，主要是增速或减速；当水流与船舶中纵剖面有一定夹角时，将改变船舶的航速和航行轨迹。采砂船的定位装置还需要承受水流冲击力。潮流均表现出较明显的往复性。在船舶锚定的条件下，潮流对采砂船、运砂船一般不会产生明显的影响。因此，采用描述物体运动的基本运动方程的雷诺方程进行分区施工的研究。该技术本质上是以物体做匀速运动时的状态方程为基础，考虑在该状态下以不同区间的方程来计算分区施工。为了能够与海砂开采的实际相符合，需要用海洋微元体在瞬时的运动状态来刻画这一变量。因为整体采砂船在某一时刻的采砂运动是时间的变量，并且其变化规律并不完全一定，需要从雷诺方程本身出发，改变其基本的前置条件，得出符合客观规律的偏微分方程，进而得出正确的工程规律，以指导实践。

利用并结合海气相互作用及海洋湍流理论分析海洋微元体的运动状态。根据汕尾采砂海域的界面气动能量方程以及湍流边界层的边界模式可以得到公式（1）、公式（2）。

上述两公式反映了海域中海水与陆地上纯水的区别。海水与温度T、压强p、盐度s有关，而海水的密度实质上是一个经验公式，主要通过数据拟合得到的多项式KT（T，s，p）构成。

从以上分析可以看出，由于海砂存在的自然条件比河砂更复杂，海域宽阔，有波浪、洋流等很多大气物理现象的作用，同时潮汐现象所引起的急涨急落对海砂的准确定位及采集效果的影响也较为显著。为此，不能像在河道中开采河砂一样以静态的方式进行开采等一系列工序，而需要结合海域的水动力情况，动态地给出不同分区，在区块中进行海砂的优化采集，才能达到较好的施工质量。

分区施工的技术要点就是考虑风流的影响。采砂船在采砂作业过程中有一定的偏移，通过洋流的应力分布情况合理划分同一量级的海砂蕴藏区域，然后合理配备相匹配的海砂开采施工力量，在结合航道导行来进行有效组织和开采施工。

在采砂船采集海砂、运砂船进行海砂运输的过程中，都可能因为波浪的作用发生不平衡而失稳倾覆的现象[5]。在此情况下，很难确保船舶在拟定的航线上安全航行，采砂船和运砂船可在浪高不大于2m 的海况下作业。因此，运砂船遇到大风浪天气时必须停止出航，暂停采砂作业。在波浪作用下，海面水体产生周期性起伏，其物理表征为波峰、波谷、波高、波长、周期、波速以及波幅等。该海砂开采区域的波高与海水深度经数值回归得到公式（3）。

式中：Hd为波高；H0为海水深度；λ为波浪系数。

海水越深的部位，波浪作用越不明显，海水的波浪力会由深度向表层逐层递增并叠加。

海水微元体流动模型如图1 所示。在开采海域选取一个海水微元体样体，p和p+δp分别是控制该海水两侧的压强，根据图1 可得公式（4）。

图1 海水微元体流动模型

化简后，可以得到便于获取分区依据的表层x方向的加速度描述，如公式（5）所示。

式中：ax为海水采砂船运行方向的加速度；δτ为控制体的体积；δm为控制体质量。

得到x方向的加速度，通过加速度的导出，可以进一步对分区进行压强梯度力的划分，按照公式（6）进行计算分类。

公式（4）～公式（6）反映了海域波浪力的梯度方程以及动力微分方程。通过微元体分析能够透彻看出，随着海洋梯度方向的不断变化，如果采取同一区块内的采砂作业方案不能够满足日常海砂开采要求，还会产生一定的船只倾覆或者船只碰撞的风险。因此根据波浪作用微分关系，可以很自然地得出如下依据海水压强的梯度力划分的作业区域范围。

综上所述，海水压强梯度力给出了明确的针对海洋洋流运动的能量来源，可以最终将开采海域建立为A、B、C、D、E 共5 个区域，设有两个集合地，其详细分块方案见图2 所示。结合该工程情况，根据分区施工的技术，由南向北、由东向西推进分区划分。可根据现场开采情况调整。采砂作业应有计划地进行，并分层分片，可将采砂区分成若干小区，均进行采矿，防止形成大面积的深坑，造成上部淤泥层的坍塌。5 艘采砂船集中在坐标区域中部组合挖砂口，砂口形成后再向四周挖掘，推进采砂区域至边界线止，不得越界。所有船只（包括采砂船、运砂船等工作船只）均在此处进行转头和交汇。

图2 采砂分区示意图

3.2 采砂障碍性分析

根据该工程采砂施工特点，将海域内采砂分为5 个区域，每个区域的过往船舶流量有所不同，会对原有过往船舶的航行习惯产生一定程度的干扰。为避免这类干扰，需要结合项目采砂实际进行分类导航，限道、限区、限时进行分流通航，最大限度地确保采砂的持续作业，使其不受影响。该采砂区工期为2.58 年，采砂作业的碍航影响随施工的结束而消除。在整个施工过程中，其产生的碍航性是暂时、间断的，施工完成后，该影响将得到消除，因此其碍航性具有临时性。

3.3 通航安全及交通

为严格限制施工作业区的管理，该次开采海砂对作业范围内的浮筒、运砂船停泊水域采取统一使用的方法。浮筒、运砂船停泊水域作业区范围以4 角点定位为准，具体见表1。

表1 开采作业区坐标表

当项目采砂过程中还需要特别针对采砂船及逆行作业进行施工时，其船只活动范围会对通航安全产生影响。根据规范要求，港池两侧需要布置两个以上泊位，当船舶在港池内转头作业时，水域宽度不宜小于2.0 倍设计船长[7]。根据这个规范要求，考虑对采砂船船长进行控制，得出如图3 所示的结果。图3 中，L 为采砂船船长，两排船只活动须保持间隔2 倍船长，船只机头转向需要保持在1.5倍转弯半径。

图3 采砂作业船有转头作业安全通航安全范围

由图3 可以得知，在海砂采集的区域范围内，首要做好主要的采砂船只通航转头活动半径的作业要求，同时工作日内还有指挥船、警戒船、交通船等辅助船艇，在采砂作业区采用锚泊及系浮筒方式停泊时占用的水域较大，因此协调其通航路线非常重要。

海砂的应用是一个系统工程，涉及混凝土原材料、配合比、施工过程的监管、后期养管等多个环节。为了避免海砂被不正当地应用在工程中，必须对海砂使用的各个环节加强监管。同时还应深入开发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资源。

4 结论

风流影响在海砂开采作业施工是不可忽视的因素，该文以广东汕尾JH21-09 区块海砂开采项目为工程实例，详细分析策划了开采施工前需要考虑的若干因素，并结合现场海域情况和实际开采的洋流、波浪以及雨雾等天气影响，进行洋流的区域应力分析。通过雷诺方程的推导出发，整理出适宜的分区施工和通航安全的配套施工技术，从实践的角度来说，具有现实和经济意义。在后续海砂开采工程中可以反复践行，并不断总结经验和施工规律。