考慮風(fēng)流影響的采砂作業(yè)分區(qū)施工技術(shù)研究

鄭 藺 張基斌 孫春輝 邢曉東

（中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京 100048）

0 引言

建筑業(yè)發(fā)展如火如荼，作為混凝土材料組成部分的砂的需求量出現(xiàn)供不應(yīng)求的現(xiàn)狀，尤其現(xiàn)階段主要以河砂為主，而國(guó)家的綠色治理限制河砂的大規(guī)模開采，因此海砂開采項(xiàng)目成為今后的建材發(fā)展主要導(dǎo)向之一[1]。該文聚焦廣東汕尾海砂開采項(xiàng)目，通過(guò)海上作業(yè)并考慮風(fēng)流影響，研究相關(guān)的海砂開采的施工技術(shù)。

1 工程概況

廣東省汕尾管轄海域JH21-09 區(qū)塊海砂開采。位于汕尾市碣石灣施公寮島東南側(cè)海域，整體地勢(shì)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(shì)高低崎嶇起伏，但是幅度很小，屬于水下岸坡區(qū)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(qiáng)烈，海砂開采工程將受到風(fēng)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(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。采砂作業(yè)控制在風(fēng)力不大于6 級(jí)、浪高不大于2m，能見度不小于1000m 的工況下進(jìn)行。該工程涉及的主要施工機(jī)具包括采砂船、備用采砂船、運(yùn)砂船以及現(xiàn)場(chǎng)指揮船。

2 風(fēng)流基本情況及分析

2.1 洋流影響分析

采砂過(guò)程產(chǎn)生的少量廢棄泥土將在船底排海，通過(guò)采砂船的射流泵將砂、泥、水等混合物吸到船艙，通過(guò)裝在甲板上的一個(gè)篩網(wǎng)進(jìn)行過(guò)濾，將石塊、垃圾等濾在篩網(wǎng)上。海砂流入砂倉(cāng)，經(jīng)過(guò)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[3]。洋流的漲急落急流場(chǎng)情況分布對(duì)把握海上海砂的作業(yè)時(shí)機(jī)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(jìn)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(jìn)行作業(yè)必須考慮其作用[4]。由于地理位置的分布，該工程的采砂區(qū)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(dǎo)東北東向浪，根據(jù)常年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)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(jié)上看，波高的季節(jié)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(jù)歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，該海域起霧多在每年的4 月份，在暴風(fēng)雨期間海面上能見度通常只有約1000m。有霧與暴風(fēng)雨天氣將直接阻礙海砂施工。當(dāng)能見度小于1000m時(shí)，該采砂區(qū)采砂船考慮停止采砂作業(yè)，運(yùn)砂船也不允許出航。

當(dāng)能見度小于1000m 時(shí)，禁止該項(xiàng)目采砂船、運(yùn)砂船進(jìn)入、進(jìn)出港航道航行。如果船舶已在進(jìn)出港航道中航行，應(yīng)當(dāng)在確保安全的前提下沿進(jìn)出港航道行駛，駛出進(jìn)出港航道后盡快選擇安全水域停泊。

3 分區(qū)采砂施工技術(shù)

3.1 分區(qū)施工技術(shù)分析

分區(qū)施工的理論依據(jù)和施工邏輯來(lái)源于海水的洋流和波浪作用。正是該過(guò)程受洋流的影響較大，當(dāng)水流流向與船舶航向相同或相反時(shí)，主要是增速或減速；當(dāng)水流與船舶中縱剖面有一定夾角時(shí)，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(xiàn)出較明顯的往復(fù)性。在船舶錨定的條件下，潮流對(duì)采砂船、運(yùn)砂船一般不會(huì)產(chǎn)生明顯的影響。因此，采用描述物體運(yùn)動(dòng)的基本運(yùn)動(dòng)方程的雷諾方程進(jìn)行分區(qū)施工的研究。該技術(shù)本質(zhì)上是以物體做勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)的狀態(tài)方程為基礎(chǔ)，考慮在該狀態(tài)下以不同區(qū)間的方程來(lái)計(jì)算分區(qū)施工。為了能夠與海砂開采的實(shí)際相符合，需要用海洋微元體在瞬時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來(lái)刻畫這一變量。因?yàn)檎w采砂船在某一時(shí)刻的采砂運(yùn)動(dòng)是時(shí)間的變量，并且其變化規(guī)律并不完全一定，需要從雷諾方程本身出發(fā)，改變其基本的前置條件，得出符合客觀規(guī)律的偏微分方程，進(jìn)而得出正確的工程規(guī)律，以指導(dǎo)實(shí)踐。

利用并結(jié)合海氣相互作用及海洋湍流理論分析海洋微元體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)汕尾采砂海域的界面氣動(dòng)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(qū)別。海水與溫度T、壓強(qiáng)p、鹽度s有關(guān)，而海水的密度實(shí)質(zhì)上是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式，主要通過(guò)數(shù)據(jù)擬合得到的多項(xiàng)式KT（T，s，p）構(gòu)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(fù)雜，海域?qū)掗?，有波浪、洋流等很多大氣物理現(xiàn)象的作用，同時(shí)潮汐現(xiàn)象所引起的急漲急落對(duì)海砂的準(zhǔn)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(tài)的方式進(jìn)行開采等一系列工序，而需要結(jié)合海域的水動(dòng)力情況，動(dòng)態(tài)地給出不同分區(qū)，在區(qū)塊中進(jìn)行海砂的優(yōu)化采集，才能達(dá)到較好的施工質(zhì)量。

分區(qū)施工的技術(shù)要點(diǎn)就是考慮風(fēng)流的影響。采砂船在采砂作業(yè)過(guò)程中有一定的偏移，通過(guò)洋流的應(yīng)力分布情況合理劃分同一量級(jí)的海砂蘊(yùn)藏區(qū)域，然后合理配備相匹配的海砂開采施工力量，在結(jié)合航道導(dǎo)行來(lái)進(jìn)行有效組織和開采施工。

在采砂船采集海砂、運(yùn)砂船進(jìn)行海砂運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中，都可能因?yàn)椴ɡ说淖饔冒l(fā)生不平衡而失穩(wěn)傾覆的現(xiàn)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(yùn)砂船可在浪高不大于2m 的海況下作業(yè)。因此，運(yùn)砂船遇到大風(fēng)浪天氣時(shí)必須停止出航，暫停采砂作業(yè)。在波浪作用下，海面水體產(chǎn)生周期性起伏，其物理表征為波峰、波谷、波高、波長(zhǎng)、周期、波速以及波幅等。該海砂開采區(qū)域的波高與海水深度經(jīng)數(shù)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(shù)。

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

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

圖1 海水微元體流動(dòng)模型

化簡(jiǎn)后，可以得到便于獲取分區(qū)依據(jù)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(yùn)行方向的加速度；δτ為控制體的體積；δm為控制體質(zhì)量。

得到x方向的加速度，通過(guò)加速度的導(dǎo)出，可以進(jìn)一步對(duì)分區(qū)進(jìn)行壓強(qiáng)梯度力的劃分，按照公式（6）進(jìn)行計(jì)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(dòng)力微分方程。通過(guò)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(qū)塊內(nèi)的采砂作業(yè)方案不能夠滿足日常海砂開采要求，還會(huì)產(chǎn)生一定的船只傾覆或者船只碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。因此根據(jù)波浪作用微分關(guān)系，可以很自然地得出如下依據(jù)海水壓強(qiáng)的梯度力劃分的作業(yè)區(qū)域范圍。

綜上所述，海水壓強(qiáng)梯度力給出了明確的針對(duì)海洋洋流運(yùn)動(dòng)的能量來(lái)源，可以最終將開采海域建立為A、B、C、D、E 共5 個(gè)區(qū)域，設(shè)有兩個(gè)集合地，其詳細(xì)分塊方案見圖2 所示。結(jié)合該工程情況，根據(jù)分區(qū)施工的技術(shù)，由南向北、由東向西推進(jìn)分區(qū)劃分。可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)開采情況調(diào)整。采砂作業(yè)應(yīng)有計(jì)劃地進(jìn)行，并分層分片，可將采砂區(qū)分成若干小區(qū)，均進(jìn)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(biāo)區(qū)域中部組合挖砂口，砂口形成后再向四周挖掘，推進(jìn)采砂區(qū)域至邊界線止，不得越界。所有船只（包括采砂船、運(yùn)砂船等工作船只）均在此處進(jìn)行轉(zhuǎn)頭和交匯。

圖2 采砂分區(qū)示意圖

3.2 采砂障礙性分析

根據(jù)該工程采砂施工特點(diǎn)，將海域內(nèi)采砂分為5 個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的過(guò)往船舶流量有所不同，會(huì)對(duì)原有過(guò)往船舶的航行習(xí)慣產(chǎn)生一定程度的干擾。為避免這類干擾，需要結(jié)合項(xiàng)目采砂實(shí)際進(jìn)行分類導(dǎo)航，限道、限區(qū)、限時(shí)進(jìn)行分流通航，最大限度地確保采砂的持續(xù)作業(yè)，使其不受影響。該采砂區(qū)工期為2.58 年，采砂作業(yè)的礙航影響隨施工的結(jié)束而消除。在整個(gè)施工過(guò)程中，其產(chǎn)生的礙航性是暫時(shí)、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(shí)性。

3.3 通航安全及交通

為嚴(yán)格限制施工作業(yè)區(qū)的管理，該次開采海砂對(duì)作業(yè)范圍內(nèi)的浮筒、運(yùn)砂船停泊水域采取統(tǒng)一使用的方法。浮筒、運(yùn)砂船停泊水域作業(yè)區(qū)范圍以4 角點(diǎn)定位為準(zhǔn)，具體見表1。

表1 開采作業(yè)區(qū)坐標(biāo)表

當(dāng)項(xiàng)目采砂過(guò)程中還需要特別針對(duì)采砂船及逆行作業(yè)進(jìn)行施工時(shí)，其船只活動(dòng)范圍會(huì)對(duì)通航安全產(chǎn)生影響。根據(jù)規(guī)范要求，港池兩側(cè)需要布置兩個(gè)以上泊位，當(dāng)船舶在港池內(nèi)轉(zhuǎn)頭作業(yè)時(shí)，水域?qū)挾炔灰诵∮?.0 倍設(shè)計(jì)船長(zhǎng)[7]。根據(jù)這個(gè)規(guī)范要求，考慮對(duì)采砂船船長(zhǎng)進(jìn)行控制，得出如圖3 所示的結(jié)果。圖3 中，L 為采砂船船長(zhǎng)，兩排船只活動(dòng)須保持間隔2 倍船長(zhǎng)，船只機(jī)頭轉(zhuǎn)向需要保持在1.5倍轉(zhuǎn)彎半徑。

圖3 采砂作業(yè)船有轉(zhuǎn)頭作業(yè)安全通航安全范圍

由圖3 可以得知，在海砂采集的區(qū)域范圍內(nèi)，首要做好主要的采砂船只通航轉(zhuǎn)頭活動(dòng)半徑的作業(yè)要求，同時(shí)工作日內(nèi)還有指揮船、警戒船、交通船等輔助船艇，在采砂作業(yè)區(qū)采用錨泊及系浮筒方式停泊時(shí)占用的水域較大，因此協(xié)調(diào)其通航路線非常重要。

海砂的應(yīng)用是一個(gè)系統(tǒng)工程，涉及混凝土原材料、配合比、施工過(guò)程的監(jiān)管、后期養(yǎng)管等多個(gè)環(huán)節(jié)。為了避免海砂被不正當(dāng)?shù)貞?yīng)用在工程中，必須對(duì)海砂使用的各個(gè)環(huán)節(jié)加強(qiáng)監(jiān)管。同時(shí)還應(yīng)深入開發(fā)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(jié)論

風(fēng)流影響在海砂開采作業(yè)施工是不可忽視的因素，該文以廣東汕尾JH21-09 區(qū)塊海砂開采項(xiàng)目為工程實(shí)例，詳細(xì)分析策劃了開采施工前需要考慮的若干因素，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)海域情況和實(shí)際開采的洋流、波浪以及雨霧等天氣影響，進(jìn)行洋流的區(qū)域應(yīng)力分析。通過(guò)雷諾方程的推導(dǎo)出發(fā)，整理出適宜的分區(qū)施工和通航安全的配套施工技術(shù)，從實(shí)踐的角度來(lái)說(shuō)，具有現(xiàn)實(shí)和經(jīng)濟(jì)意義。在后續(xù)海砂開采工程中可以反復(fù)踐行，并不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和施工規(guī)律。