广东汕尾海砂开采施工工艺研究

郑 蔺 孙春辉 张基斌 邢晓东

（中电建路桥集团有限公司，北京 100048）

我国海岸线广阔，拥有庞大的海砂储备，在广东、福建等地区的近海区域开展海砂开采作业，有助于解决建材市场上的供不应求的紧张局面，同时能够积极促进建筑业的繁荣发展；
广东率先响应，开展海砂开采项目，选址广东市汕尾碣石湾施公寮岛东南侧海域对海砂进行开采，对海砂开采工作进行研究，具有良好的经济效益与社会效益。最新行业趋势显示，河砂的供应量远远跟不上建筑的需求量[1]。因此，在当前的建筑发展背景下，对海砂的大量开发提上了议程。海砂是一种重要的矿产资源，作为建筑材料，可广泛用于大型工程项目建设和填海造地[2]。

广东省汕尾市海砂开采项目JH21-09区块位于汕尾市碣石湾施公寮岛东南侧海域，海域面积2.3km2，海砂资源储量4178.1万m3，可采资源量3531.65万m3。矿区整体地形非常平坦，坡度变化范围为0.05°～1.2°，平均坡度约0.27°，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。区域内存在一定的侵蚀和堆积作用，波纹是矿区最发育的地貌，遍布整个采砂海区，南北两侧波纹波长为10m～15m，中间海域沙波波长为15m～25m，波高均为0.05m～0.5m。此外，矿区存在人工拖痕、小沟槽等微地貌类型，人工拖痕长约1.8km，宽约2m～3m。具体海砂矿区范围见表1。

表1 JH21-09区块海砂开采范围表

2.1 采砂技术

海砂开采技术主要涉及射流插入海床技术、泵吸吹吸技术以及洗砂过滤技术。汕尾海砂开采技术更多地结合了海域水力动力学的运动特征，

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，在采砂船进行筛分一分级选矿，然后利用运砂船（须与采砂船配套使用），将砂运抵码头或目标填海区[3]。对海砂开采来说，由于需要提供动力和泵吸能力，存在多种采砂的工艺方法，在开采过程中需要配备关机械、船只，见表2。

通过表2可以发现，目前主要存在5种海砂开采的施工工艺。在各种施工工艺中，广东汕尾海砂开采项目聚焦通过直接海下吸砂、洗砂的工艺，对海砂进行选砂流程，直接运至海岸储存。主要采用吸砂洗砂工艺进行海砂的开采[4]。综合开采的需要，工程共选用5艘采砂船进行开采。海底的天然海砂并不像河砂一样取用方便，从海底采集的砂需要进行筛分、淡化以及矿选等工序，因此采集的海砂在处理加工过程中还要进行很多的输送工作，这种输送工作往往是在运砂船和处理加工点之间转运、或者是在处理加工设备之间输送。海砂在利用过程中大量的输送转运工作是陆上传统的皮带运输方式和车辆装卸方法难以承担的。船用真空吸送技术能通过管道输送海砂，因此成本降低。

表2 主要海砂开采工艺表

船用真空吸送技术就是既能吸取又能输送物料的技术。它既能在大水深下吸送砂粒，又能在无水的工况下吸送砂粒，而且是通过管道输送的，是一种量大、连续、低成本的物料吸送技术。因此，在海砂开发利用项目中，船用真空吸送技术将有很多的吸送用途。它能在海底吸取原料砂、在处理加工过程中输送砂，直至生产出各种砂产品。

在具体的工艺中，需要将输送管插入海水中，直到海床所在位置，然后进行向上吸附出砂。具体的海砂射流开采工艺如下[5]：①射流泵将高压射流在砂层产生合成砂浆。②吸砂管将砂浆吸到洗砂船舱上。③洗砂船洗砂分选。④成品砂。采砂过程产生的少量废弃泥土将在船底排入海中。根据本次开采制定如下作业方式，如图1所示。

图1 采砂作业示意图

2.2 射流技术

在海砂开采作业过程中，首先需要在选定海域将刚性射流管和吸砂管以60°～70°的角度插入预定砂层，射流泵将一定压力的工作水经过喷嘴后，形成高速射流，与空气之间产生卷吸作用，将射流泵混合室内的空气带走，使该处产生低压或真空，在外界压力作用下，被吸的流体沿吸管被吸上来，两股流体在射流泵的导管内混合，然后进入扩散管，将动能转换为压力能，压入排管至采砂船船舱[6]。射流泵的工作原理如图2所示。

图2 射流泵工作原理示意图

由于高压射流扰动，在传统的吸收海砂的方式中，由于存在吸管内外的水头差，容易出现堵管和吸入困难的情况。因此根据海域中的施工措施，加入喉管和喷嘴2个装置，利用射流原理克服海水中的阻力，将水流分别吸入和排出，然后过滤出海砂，通过泵吸动能把经过过滤的海砂吸入船体内。

浅海海床的淤泥层较为松动，通过上述原理能够在海砂射流开采掏空砂层后，覆盖上面的淤泥层，在重力作用下会自然地缓慢塌陷，该过程不会对原海床面造成影响，随着海底洋流的不断进行，将逐渐恢复海床固定平衡的海床表面形态分布。

2.3 洗砂技术

当海砂被吸入吸砂船后，开始进行第二步施工工艺，对海砂进行洗筛[7]。由于海砂中含盐量较大，存在丰富的氯离子。这种成分的存在使海砂需要首先进行清洗，筛出海砂中的氯成分、贝壳以及沉积物等，从而得到成品砂。射流泵将砂、泥、水等混合物吸到船舱，在甲板上装1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。

在海砂搜集吸入的过程中，进行分离洗砂，洗砂技术主要包括4个过程：筛分、脱氯、洗砂和脱水。需要掺入脱氯剂，脱氧剂的强氧化性可将海砂中氯离子氧化为氯气并排出，实现氯离子与海砂的分离，随着臭氧水浓度升高，脱氯时间增加，提高了海砂的脱氯效率；
利用清洗水对脱氯后的海砂进行冲洗，去除残留的氯离子及部分泥土，进一步降低海砂中氯离子的含量，同时降低了含泥量及泥块含量，不仅提高海砂净化的效率，同时减少用水量。

由于海砂中含有大量的盐类，直接影响混凝土强度并且对钢筋产生腐蚀。其中，氯离子的危害性最大。氯离子破坏钢筋的钝化膜造成钢筋锈蚀，同时还会增大电位差，使钢筋腐蚀加速反应。洗砂过程是将采集的海砂进行除氯处理，采用化学剂和物理重力分离的组合式技术进行筛滤氯离子。该技术能够最大限度地满足海砂开采施工效率合施工质量，通过该工艺取得的海砂材料可用于建筑结构，质量相比常规工艺将更有品质保证。

在研究洗砂的过程中，发现如下结论：清洗水用量达到海砂质量的30%～60%时，随清洗水量与海砂的质量比增大，清洗水量中氯离子与海砂上的氯离子的浓度差会加大，非常有利于海砂中的氯离子向清洗水迁移，从而提高海砂的净化效果。同时，洗砂处理后形成的成品砂中的氯离子含量能够满足建筑用砂的氯离子含量要求。在海砂在清洗过程同时配合加热处理，可以降低氯气在水中的溶解度，有利于残留在海砂表面上的氯气挥发，进一步防止海砂在使用过程中氯气释放对人体造成危害。

3.1 吸砂工艺分析

该工程开采施工将通过“采砂船采砂→采区原位吸砂→成品砂装船→运砂船排水及仓口盖作业→航行”的海砂采运方案进行。采砂船通过射流进行击穿海床，然后开始泵吸海砂进入船舱，然后通过洗砂过程，反复进行，遴选出成品海砂运至岸边备用。其中采砂的装驳部件详细名称如图3所示，由阀门、钢管、平板驳、排泥口组成，将多余泥质排出船舱。

图3 采砂船装驳部件示意图

吸砂船在工作中采取平板驳进行接驳处理，采砂船之间两两配合，从海床中取得海砂后，进行向上吸附。通过吸砂以后，将整个海砂在吸砂船保存，将多余杂质排出船外。

在这个动态过程中，需要对开采工艺进行力学分析。涉及的原理具体来讲就是海砂被采砂船通过射流方式，克服重力而吸入船体内，本质是代数涡轮模型。首先根据海洋水体运动，海面与一定深度的海水之间的应力符合逐渐递减规律。其计算模型如图4所示。

图4 海洋表层及随深度应力变化简图

通过该应力变化关系，可以得出海水的应力变化是由摩擦力不断影响的，二者之间建立微分关系，如公式（1）所示。

式中：u为距离海底y深度的海水的海水平面方向应力；
A为该海水微元的面积；
F为该平面方向的应力。μ是涡轮系数，由统计数据给出。

在海水中，由于并非平面作用，因此海砂在克服海水压强后向上作用，其作用长度既是混合长度l m，通过试验方法可以测得该平均值，然后就可以得出矩阵涡轮模型，如公式（2）所示。

式中：τ为在三维水体中推导出的涡轮形式的矩阵。它完美地刻画出海砂在客服海水压强后在不同角度收到的方向应力的情况。τ（u，v，w）是海砂在海水中三个主方向上的偏导函数。理解了这个涡轮矩阵模型，就可以透彻地分析海砂开采施工工艺。如常用的绞吸筛分就是利用了在不同海深处的海水涡轮形式，从主方向中找出最弱主方向的偏导数值，只要对该方向上进行抛吹的应力大于其压强，就可以轻松地完成海砂的吸砂过程。

对以上的涡轮矩阵进行模态分析，更直观地了解海砂开采施工的过程，海砂从海水中被抽离出来进入船体的模态分布情况如图5～图7所示。以海砂的吸砂时间作为横坐标，单位是s；
以对应频率下海砂在海水作用下的浮动幅值作为纵坐标，单位是m。通过时间与幅值的变化关系，能够将动态流动的海砂运动规律进行系统的规律认识。无论如何变化，幅值都会保持循环运动，基本符合海水洋流的动力学效应。

图5 一阶模态的海砂吸砂时间与幅值的振型变化

图6 二阶模态的海砂吸砂时间与幅值的振型变化

图7 三阶模态的海砂吸砂时间与幅值的振型变化

为了更细致地分析问题，将模态做到三阶。从上述模态分布图像可以发现：一阶和二阶模态图像幅值高于三阶模态，因此从模态响应的角度分析，可以把重心放在一阶与二阶基础上，对三阶模态响应对海砂的开采影响几乎没有，从而明确海砂开采受到的海洋动力响应（即代数涡轮模式）的影响并不广泛，仅在一个维度上呈现变化，而在二阶和三阶阶段的动态响应没有较大影响，可以忽略其应力与应变关系，视为常量就完全可以指导施工。

3.2 绞吸筛分工艺

通过前述内容分析可以知道，整个采砂工艺重点在采砂船只和运砂船只的施工工艺上。对海砂的分布区域也有不同的对应措施，需要结合海域内开采实际分门别类进行，其分布见表3。

表3 海砂开采筛分过滤工艺

由筛分工艺可以发现，对泥质含量较大的海域，需要重点进行筛滤。筛分工艺是海砂开采施工工艺中的重要组成部分，需要了解其工艺方法，在开采工程中，通常不是只采用一种方法施工，应该结合实际海砂的质量情况，结合使用，才能采集出较为均质的海砂产品。

该文通过描述广东汕尾海砂开采项目JH21-09区块的基本情况，结合现场海域海砂实际工况，突出海砂开采工程的施工工艺流程和有关工艺，利用代数涡轮模型的引入，将海水随深度变化进行数学推导，得出了海砂被吸入船体的三维矩阵涡轮模型，并结合模态分析介绍了在我国东南沿海地区开展大型海砂开采的施工工艺方法，以供有关开采单位参考，在国内海砂开采领域中有一定的实操性。

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