濰坊濱海水城人工沙灘防護(hù)工程效果物理模型試驗(yàn)研究

吳明陽(yáng)，張瑞波，解鳴曉，張義豐，劉國(guó)亭

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所港口水工建筑技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456）

濰坊濱海水城人工沙灘防護(hù)工程效果物理模型試驗(yàn)研究

吳明陽(yáng)，張瑞波，解鳴曉，張義豐，劉國(guó)亭

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所港口水工建筑技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456）

文章針對(duì)濰坊濱海旅游度假區(qū)人工沙灘防護(hù)工程進(jìn)行研究，分析了工程海域自然條件和沙灘侵蝕成因，對(duì)灘沙水力特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，最后通過(guò)波浪泥沙整體物理模型試驗(yàn)手段，分析了丁壩防護(hù)工程建設(shè)后的整治效果。其主要結(jié)論如下：濰坊濱海旅游度假區(qū)人工沙灘侵蝕的破壞性動(dòng)力來(lái)自NE向波浪的持續(xù)向西輸沙；正常天氣下人工沙灘年損失量約為2萬(wàn)m3，在極端高水位下如遭遇10 a一遇大浪作用24 h條件下，沙灘損失量為1.2萬(wàn)m3，人工沙灘年損失量約為7.7萬(wàn)m3；優(yōu)化方案實(shí)施后，防護(hù)工程實(shí)施1 a后，人工沙灘年損失量約為6.4萬(wàn)m3，約占總鋪砂量的6%；且抑制東灣內(nèi)泥沙在風(fēng)暴潮增水作用下向西灣輸送，達(dá)到了優(yōu)化目的。

人工沙灘；波浪；方案；模型試驗(yàn)

濰坊濱海水城位于萊州灣灣頂、濰坊市的海岸線中部，緊鄰濰坊森達(dá)美港。人工沙灘建設(shè)于濱海水城的西北角處，東西長(zhǎng)約1.6 km，現(xiàn)狀條件下，沙灘兩側(cè)采用防波堤掩護(hù)，堤線長(zhǎng)度約250 m。整個(gè)人造沙灘鋪墊33萬(wàn)m3優(yōu)質(zhì)海沙（黃金沙）。工程從2011年5月開(kāi)工建設(shè)，至10月竣工（圖1）。自竣工以來(lái)，人工沙灘泥沙流失嚴(yán)重，難以滿足原設(shè)定的需求，亟需采取防護(hù)措施，阻止沙灘泥沙進(jìn)一步流失，提高沙灘穩(wěn)定性。本研究采取現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、泥沙采樣分析、理論分析、泥沙水力特性實(shí)驗(yàn)、波浪泥沙整體物理模型試驗(yàn)等方法，對(duì)采取的防護(hù)措施進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，為整治工程設(shè)計(jì)提供參考。

圖1濰坊濱海水城人工沙灘區(qū)位示意圖Fig.1Location of artificial beach for coastal water?city in Weifang

1 自然條件及沙灘侵蝕原因

1.1 自然條件

根據(jù)濰坊濱海水城人工沙灘海域的實(shí)測(cè)資料，分析得知自然條件具有如下特征［1-2］：

（1）濰坊海域臨近黃河口外無(wú)潮點(diǎn)，潮差較小，多年平均1.6 m，沙灘前緣潮流不強(qiáng)，大潮平均流速在0.2 m/s以下。常浪向與強(qiáng)浪向均為NE向，強(qiáng)浪多出現(xiàn)在冬季，春秋兩季亦多發(fā)，夏季海面較為平靜。

（2）沙灘臨近海域正常天氣下含沙量不高，垂線平均在0.1 kg/m3以內(nèi)，水下底質(zhì)以細(xì)沙為主，伴有粉砂，河流來(lái)沙量很??；沉積物平均中值粒徑為0.108 8 mm，屬細(xì)砂物質(zhì)。

（3）萊州灣海域海冰情況較惡劣，應(yīng)引起重視。

（4）本區(qū)為沖積海積平原，以海積為主，河口區(qū)淺灘寬闊平坦，近岸多為鹽田和養(yǎng)殖區(qū)，多有石堤護(hù)岸。本區(qū)雖處萊州灣頂，但據(jù)多年測(cè)圖對(duì)比和地貌調(diào)查結(jié)果認(rèn)為，濰坊海域水下岸坡長(zhǎng)期處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，海岸處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，沒(méi)有恒定的外來(lái)沙源補(bǔ)給。

1.2 沙灘侵蝕的成因分析

依據(jù)濰坊濱海水城人工沙灘的侵蝕現(xiàn)狀進(jìn)行了勘查，從地貌學(xué)、動(dòng)力學(xué)及平衡岸線理論多種角度對(duì)沙灘侵蝕的成因進(jìn)行了分析，得到以下主要結(jié)論：

（1）濰坊濱海水城人工沙灘當(dāng)前正處在嚴(yán)重的侵蝕變遷過(guò)程中，沙灘中東段侵蝕最強(qiáng)，大量土工布出露，最高侵蝕位置接近圍堤胸墻處，岸坡陡峭，局部沙灘段已消失；沙灘西側(cè)堤根出現(xiàn)較新堆積臺(tái)地，岸坡較緩且灘沙較蓬松。自竣工后半年左右，沙灘高程最大變幅可超過(guò)3 m。

（2）濰坊濱海水城人工沙灘無(wú)外部沙源補(bǔ)充，在波浪作用下的侵蝕不可避免。綜合以上對(duì)地貌、岸線演變與動(dòng)力條件的分析，沙灘侵蝕的主要?jiǎng)恿?lái)自NE向波浪的持續(xù)向西輸沙，以及強(qiáng)風(fēng)暴潮作用下的集中沿岸、離岸輸沙。當(dāng)前條件下，沙灘東段缺乏對(duì)NE向浪的有效掩護(hù)，無(wú)法抑制持續(xù)的向西輸沙，同時(shí)由于西側(cè)防波堤較短，沿岸輸移的泥沙可繞過(guò)西防波堤堤頭流出沙灘區(qū)，風(fēng)暴潮作用下灘沙亦可同時(shí)向西與向海損失。

因此，要解決沙灘的穩(wěn)定性問(wèn)題，必須建設(shè)整治建筑物，阻擋或削減來(lái)自NE向的波浪直接作用，降低沙灘前沿波高，并阻斷沿岸輸沙。

2 模型概況

2.1 模型范圍及比尺

本試驗(yàn)為波浪沿岸輸沙整體物理模型。根據(jù)模型試驗(yàn)規(guī)程要求，結(jié)合試驗(yàn)場(chǎng)地，兼顧造波板起波水深及地形因素，經(jīng)多種綜合分析對(duì)比確定，模型水平比尺λl=80，垂直比尺λh=40，變率為2。模型南邊界為濱海水城圍堤胸墻，標(biāo)高為+7.8 m（理論基面，下同），北邊界至-2.0 m等深線處，東邊界至東防波堤?hào)|側(cè)1 000 m，西邊界至西防波堤西側(cè)800 m。模型范圍涵蓋了整個(gè)人工沙灘、東、西防波堤和2.0 m等深線以內(nèi)的淺灘水域，并預(yù)留一定過(guò)渡段和邊界范圍；模型起波點(diǎn)設(shè)置在理論基面約-2 m處，造波板長(zhǎng)度為18 m，造波方向選取為NE向。為避免波束向兩側(cè)水域擴(kuò)散，造波板兩側(cè)設(shè)置導(dǎo)波板（圖2）［3-4］。

2.2 人工沙灘設(shè)計(jì)形式

人工沙灘岸線長(zhǎng)度約1.6 km，由鋪砂段和東西兩側(cè)防波堤組成，其中防波堤長(zhǎng)度均為250 m。沙灘剖面鋪設(shè)主要分兩段，上段為設(shè)計(jì)高水位（+2.64 m）以上至濱海新城圍堤胸墻處，該段采用坡度約1：50，沙灘鋪設(shè)厚度1.0 m；下段為設(shè)計(jì)高水位以下向海，該段采用坡度1：25，沙灘鋪設(shè)厚度1.5 m。沙灘坡腳位置處高程約-0.03 m。為起到保灘作用，設(shè)計(jì)高水位處鋪砂下方埋設(shè)大型充填袋；沙灘水下坡腳處拋填100～150 kg的塊石。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)沙灘多個(gè)樣品的分析結(jié)果，人工沙灘灘沙中值粒徑在0.61～0.70 mm，平均0.67 mm。

2.3 模型沙的選擇

波浪沿岸輸沙整體物理模型選沙時(shí)，應(yīng)按沿岸輸沙及岸灘沖淤變形相似要求選取天然沙或適宜的輕質(zhì)沙?？紤]到水力特性、含水率與級(jí)配條件與灘沙盡可能接近，以及兼顧泥沙顆粒加速度相似，本次研究中首選天然沙作為模型沙，并亦選取塑料輕質(zhì)砂作為比選預(yù)備方案。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)灘沙的沉降試驗(yàn)和起動(dòng)試驗(yàn)，參照沙玉清公式和佐藤-田中公式，最終選擇原型沙D50=0.27 mm作為模型沙，基本滿足岸灘沖淤的泥沙沉降相似和起動(dòng)波高相似條件。

2.4 模型驗(yàn)證

根據(jù)上述沙灘侵蝕的成因分析，人工沙灘侵蝕的主要?jiǎng)恿?lái)自NE向波浪的持續(xù)向西輸沙，以及強(qiáng)風(fēng)暴潮作用下的集中沿岸、離岸輸沙。為此，模型驗(yàn)證主要內(nèi)容是根據(jù)波浪條件下的地形變化。

圖2物理模型布置平面示意圖Fig.2Layout of physical model experiment

2.4.1 試驗(yàn)地形

波浪泥沙整體物理模型地形驗(yàn)證依據(jù)2011年10月濱海水城人工沙灘竣工地形圖和2012年4月人工沙灘實(shí)測(cè)水深圖。

2.4.2 動(dòng)力組合條件

根據(jù)《海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，對(duì)潮差較小海域，可采用平均潮位進(jìn)行試驗(yàn)。然而，考慮到人工沙灘前方海域水深較淺，多在-2 m以內(nèi)。因此，在水位選取中采用平均高潮位（+1.96 m）、平均水位（+1.23 m）和平均低潮位（+0.36 m）組合的手段，其權(quán)重各占33%。值得指出的是，根據(jù)對(duì)沙灘侵蝕成因的分析結(jié)論，波浪侵蝕的最高位置可達(dá)+5.2 m處，體現(xiàn)出風(fēng)暴潮的強(qiáng)烈侵蝕作用。因此，人工沙灘侵蝕的成因不僅為年平均波浪條件，還必須考慮極端風(fēng)暴潮的作用。總體來(lái)說(shuō)，在對(duì)人工沙灘前緣動(dòng)力組合條件的選取上，不僅考慮了正常條件，亦同時(shí)考慮兩場(chǎng)典型風(fēng)暴潮作用（表1）。

2.4.3 地形觀測(cè)方案

采用超聲地形儀自動(dòng)測(cè)量水下地形，地形變化采用斷面控制，動(dòng)床區(qū)域由西向東布設(shè)17條斷面。斷面起點(diǎn)為濱海水城圍堤胸墻，終點(diǎn)為0 m等深線，測(cè)點(diǎn)間隔為5 m（圖3）。

根據(jù)2011年11月～2012年4月歷時(shí)半年的各斷面平均高程沖淤變化及驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)束后的沙灘地貌平面形態(tài)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，得到以下主要結(jié)論：

（1）對(duì)實(shí)測(cè)值而言，沙灘高程變化除西防波堤堤根處淤積外，其他斷面均為沖刷，其中最大沖刷位置約在11#和12#斷面處，分別為2.27 m和2.09 m，且沙灘東段沖刷幅度明顯大于西側(cè)。

（2）試驗(yàn)結(jié)束后，模型地形變化趨勢(shì)與原型基本相同。對(duì)斷面平均沖刷深度而言，原型與模型分別為1.20 m和0.99 m，各斷面的沖淤值，與原型相比誤差范圍在-0.19～+0.68 m，平均為0.24 m。

（3）整個(gè)人工沙灘的損失量，原型與模型分別為40.2萬(wàn)m3和33.2萬(wàn)m3，偏差為-17%。

（4）西側(cè)1#～7#斷面處，原型與模型沖淤基本相當(dāng)，最大誤差為0.19 m。東側(cè)8#～17#斷面處，原型與模型沖淤形態(tài)亦相近，其中平均潮位（+1.23 m）以下水域，兩者變化相差不大，平均潮位以上至岸邊水域的沖刷深度，模型略小于原型，平均差值為0.61 m，誤差為-19%，兩者的最大誤差為0.89 m。

（5）模型反映出的沙灘地貌形態(tài)與現(xiàn)場(chǎng)基本相近，其中西防波堤附近灘面呈淤積態(tài)，并出現(xiàn)弧形灣狀結(jié)構(gòu)；而東防波堤附近灘面沖刷較強(qiáng)。

總體來(lái)說(shuō)，模型可較好反演沙灘的地貌演變規(guī)律，無(wú)論從岸線形態(tài)、斷面沖淤分布還是沖淤量級(jí)角度均和現(xiàn)場(chǎng)較為一致，證實(shí)了模型沙及動(dòng)力組合選取的規(guī)律性是合理的。

表1試驗(yàn)動(dòng)力組合情況Tab.1Hydrodynamic force of the experiment

圖3模型地形驗(yàn)證水深斷面布置圖Fig.3Layout of depth sections for terrain verification of the model

3 試驗(yàn)方案

3.1 試驗(yàn)方案

根據(jù)對(duì)沙灘侵蝕成因的分析，防護(hù)工程的重點(diǎn)在于阻擋來(lái)自NE向的波浪，并阻斷自東向西的沿岸輸沙；此外，由于原西防波堤長(zhǎng)度較短，侵蝕的灘沙可繞過(guò)堤頭向外海流失，因此，亦應(yīng)加強(qiáng)對(duì)西側(cè)灘沙的防護(hù)。為分析人工沙灘的穩(wěn)定性、計(jì)算沙灘損失量以及評(píng)價(jià)工程設(shè)計(jì)方案的整治效果。根據(jù)工作大綱要求，模型進(jìn)行了3組工程方案試驗(yàn)，其差別主要表現(xiàn)在人工沙灘鋪砂狀況和波況不同，而各方案的工程方案相同，其主要由東、西防波堤和其間的丁壩組成（圖4）［5］。

（1）東防波堤。在原東防波堤的基礎(chǔ)上，向外海延伸、加長(zhǎng)防波堤，形成圓弧形防波堤，堤頂寬5 m，標(biāo)高堤頂標(biāo)高：原東防波堤為+5.0 m，延伸段為+3.5 m，防波堤總長(zhǎng)762 m。東防波堤建設(shè)目的在于阻擋來(lái)自NE向的來(lái)浪。

（2）西防波堤。在原西防波堤的基礎(chǔ)上，延伸、加長(zhǎng)防波堤，堤頂寬5 m，堤頂標(biāo)高：原西防波堤為+5.0 m，延伸段為+3.5 m，防波堤總長(zhǎng)620 m。西防波堤延長(zhǎng)目的在于攔截向西的沿岸輸沙。

（3）勾頭丁壩。在東防波堤西側(cè)700 m處興建一條勾頭丁壩，堤頂寬5 m，堤頂標(biāo)高：堤根處為+5.0 m，向海方向按1：50的坡度延伸至+2.64 m，其長(zhǎng)度約為150 m，其后均為+2.64 m直至堤頭，丁壩直線段長(zhǎng)度431 m，西側(cè)勾頭長(zhǎng)度為180 m。丁壩建設(shè)目的有二，其一為起到更好的波浪掩護(hù)效果，其二為分隔兩側(cè)海灣，降低沙灘東西兩側(cè)的灘沙交換。

對(duì)防護(hù)工程整治效果的評(píng)價(jià)主要采用以下指標(biāo)，共計(jì)3個(gè)工況，分別列舉如下：

（1）工況1：現(xiàn)狀地形下防護(hù)效果。試驗(yàn)?zāi)康脑谟诖_定當(dāng)沙灘不進(jìn)行再次補(bǔ)沙的條件下，防護(hù)工程建設(shè)后人工沙灘的損失情況。

（2）工況2：設(shè)計(jì)鋪砂地形下防護(hù)效果。試驗(yàn)?zāi)康脑谟诖_定當(dāng)沙灘重新補(bǔ)沙至原始設(shè)計(jì)形態(tài)時(shí)，防護(hù)工程建設(shè)后人工沙灘的損失情況。

（3）工況3：設(shè)計(jì)鋪砂地形時(shí)，極端風(fēng)浪作用下防護(hù)效果。試驗(yàn)?zāi)康脑谟诖_定當(dāng)沙灘重新補(bǔ)沙至原始設(shè)計(jì)形態(tài)時(shí)，一次極端風(fēng)暴潮作用下人工沙灘的損失情況。

至于動(dòng)力組合，工況1和工況2試驗(yàn)采用驗(yàn)證時(shí)確定的水位、波浪組合條件進(jìn)行延長(zhǎng)至1 a；工況3中選取極端高水位作用下10 a一遇風(fēng)暴潮浪作用24 h條件。

圖4丁壩防護(hù)工程方案平面布置圖Fig.4 Layout of scheme for spur dike protection engineering

4 試驗(yàn)方案成果

4.1 波浪掩護(hù)效果分析

為研究防護(hù)工程建設(shè)前后人工沙灘附近水域波浪變化情況，模型中共布設(shè)11個(gè)測(cè)波點(diǎn)，其中外海、口門(mén)附近水域及灣內(nèi)分別布置了3個(gè)、2個(gè)和6個(gè)測(cè)波點(diǎn)。經(jīng)分析，得到以下主要結(jié)論：

（1）未建防護(hù)工程條件下，由于海域缺乏對(duì)NE波浪的掩護(hù)，海區(qū)開(kāi)敞，從而自起波點(diǎn)處直至人工沙灘前沿，波高變化幅度不大。

（2）防波堤工程實(shí)施后，受其阻擋作用，波浪在口門(mén)處發(fā)生繞射，使得波向改變，減小了由斜向浪引起的強(qiáng)沿岸流；受丁壩掩護(hù)作用影響，在正常波浪條件下可阻斷沿岸流，令其無(wú)法貫穿整個(gè)沙灘段。

納入標(biāo)準(zhǔn)：（1）已經(jīng)置入起搏器的患者；（2）具有完整動(dòng)態(tài)心電圖資料的患者；（3）患者以及患者家屬將知情同意書(shū)簽訂，而且通過(guò)醫(yī)學(xué)倫理會(huì)批準(zhǔn)。

（3）防波堤工程實(shí)施后，掩護(hù)區(qū)域波高明顯降低，其中正常水位條件下波高變幅最大，防波堤后方波高衰減率達(dá)80%左右；然而，風(fēng)暴潮水位時(shí)，由于有部分越堤浪進(jìn)入掩護(hù)區(qū)域，防波堤后波高減小幅度相對(duì)較低，在60%左右。

總體來(lái)說(shuō)，防護(hù)工程建設(shè)后，可較大幅度改善掩護(hù)區(qū)內(nèi)的波浪條件，且使得波向改變，沿岸流無(wú)法貫穿整個(gè)沙灘段。因此，從這兩方面來(lái)講，防護(hù)工程建設(shè)后，應(yīng)較大程度改善沙灘的侵蝕現(xiàn)狀［6］。

4.2 試驗(yàn)方案成果分析

4.2.1 現(xiàn)狀地形下年損失情況

根據(jù)現(xiàn)狀地形條件下，工程建設(shè)后沙灘地貌及斷面沖淤情況，經(jīng)分析得到以下結(jié)論：

（1）從地形沖淤量角度，當(dāng)防護(hù)工程實(shí)施1 a后，西海灣的西部和中部地形淤高，平均淤幅分別為0.28 m和0.23 m，東部和D4#斷面沖深，分別為0.51 m和0.38 m；東海灣除D10#斷面淤積0.27 m外，其他斷面均沖刷，平均沖深0.36 m。即東海灣體現(xiàn)為沖刷，西海灣體現(xiàn)為沖淤相間。

（2）防護(hù)工程實(shí)施1 a后，人工沙灘損失量約為6.5萬(wàn)m3。

總體看來(lái)，防護(hù)工程建設(shè)后，東側(cè)岸線仍可有一定程度的蝕退。實(shí)際上，當(dāng)前東防波堤堤根高程為+5.0 m，延伸段高程為+3.5 m，其雖可在一定程度上阻擋正常來(lái)浪，但在極端風(fēng)暴潮作用下，水位可達(dá)到接近+4.82 m處，防波堤均被海水淹沒(méi)，在一定程度上降低了擋浪效果。與防護(hù)前相比（灘沙半年損失量30萬(wàn)m3），工程修建后，防波堤外緣的正常來(lái)浪被完全阻擋，風(fēng)暴潮浪亦得到一定消減，故其防護(hù)效果顯著（年損失量6.5萬(wàn)m3）。

4.2.2 設(shè)計(jì)地形下年損失情況

據(jù)設(shè)計(jì)鋪砂地形條件下，工程建設(shè)后沙灘地貌及斷面沖淤情況，經(jīng)分析得到以下結(jié)論：

（1）從地形沖淤量角度，當(dāng)防護(hù)工程實(shí)施1 a后，西灣兩側(cè)表現(xiàn)為微弱淤積，堤根處（D1#～D2#）平均淤高0.52 m，（D1#～D2#）平均淤高0.13 m，中間段出現(xiàn)沖刷，平均沖深0.07 m。東灣（D11#～D17#）出現(xiàn)沖刷，平均沖深0.63 m。

（2）防護(hù)工程實(shí)施1 a后，人工沙灘損失量約為7.7萬(wàn)m3，約占總鋪砂量的7%。

與現(xiàn)狀地形工況類似，防護(hù)工程建設(shè)后，東側(cè)岸段呈沖刷趨勢(shì)，而西側(cè)岸段呈沖淤相間趨勢(shì)。與現(xiàn)狀地形工況不同的是，設(shè)計(jì)鋪砂地形條件下，東防波堤堤根處沖深減小，其原因在于其高程較高，在一定程度上起到了消減波浪作用，從而掩護(hù)了東側(cè)堤根段沙灘。而13#斷面處由于在風(fēng)暴潮浪越堤的直接作用下，波高仍較大，從而侵蝕最為嚴(yán)重。

值得特別注意的是，在風(fēng)暴潮作用下，由于丁壩兩側(cè)沙灘高程較高，從而灘沙可在越堤沿岸流的作用下向西灣輸沙，導(dǎo)致西灣沙源相對(duì)充沛，丁壩西側(cè)堤根附近出現(xiàn)堆積體，且有灘沙覆蓋于丁壩之上。這一現(xiàn)象可使得東灣的灘沙在極端風(fēng)暴潮作用下仍可向西灣輸送。因此，如要斷絕東西兩灣灘沙交換，應(yīng)將丁壩近岸段高程進(jìn)一步加高，使其不再過(guò)沙；或通過(guò)風(fēng)暴潮過(guò)后采用維護(hù)手段，將西灣堆積的灘沙重新搬運(yùn)回東灣。

4.2.3 風(fēng)暴潮沖淤及損失量

根據(jù)設(shè)計(jì)鋪砂地形條件下，在10 a一遇波浪作用24 h條件下，防護(hù)工程建設(shè)后沙灘地貌及斷面沖淤情況，經(jīng)分析得到以下結(jié)論：

（1）10 a一遇波浪作用24 h條件下，西海灣（D1#～D9#）兩側(cè)表現(xiàn)為淤積，東、西部平均淤淺0.09 m和0.42 m，中間為沖刷，平均沖深0.19 m。東海灣（D11#～D17#）沖刷，平均沖深0.19 m，丁壩附近D10#斷面平均淤高0.08 m。

（2）10 a一遇波浪作用24 h條件下，人工沙灘損失量約為1.2萬(wàn)m3，約占正常年損失量的16%左右。

4.2.4 小結(jié)

（1）如考慮風(fēng)暴潮作用，現(xiàn)狀地形條件下防護(hù)后沙灘年損失量6.5萬(wàn)m3；設(shè)計(jì)鋪砂地形條件下防護(hù)后沙灘年損失量7.7萬(wàn)m3，約占總填方量的7%左右；極端高水位遭遇10 a一遇大浪作用24 h條件下，沙灘損失量為1.2萬(wàn)m3，約占年損失量的16%左右。

（2）如不考慮風(fēng)暴潮作用，正常天氣下防護(hù)后沙灘年損失量?jī)H2～3萬(wàn)m3。根據(jù)國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，這一量級(jí)較小。此外，與防護(hù)前相比（灘沙半年損失量30萬(wàn)m3），防護(hù)工程修建后可有效降低沙灘的年損失量，工程效果良好。

（3）值得注意的是，由于濰坊海域風(fēng)暴潮頻發(fā)，且增水嚴(yán)重。防護(hù)工程建設(shè)后，仍不可避免極端風(fēng)暴潮增水作用下的灘沙損失，因此應(yīng)引起特別重視。

5 優(yōu)化方案成果分析

5.1 優(yōu)化方案

根據(jù)對(duì)初步設(shè)計(jì)方案的試驗(yàn)研究，所建防護(hù)方案可有效掩護(hù)人工沙灘，損失量較現(xiàn)狀條件下可有較大改善。然而，在試驗(yàn)中亦觀察到，由于丁壩高程相對(duì)東西兩側(cè)防波堤而言仍較低，從而在風(fēng)暴潮增水作用下，東灣內(nèi)泥沙可在越堤沿岸流的作用下將泥沙向西灣搬運(yùn)，丁壩上方有沙體覆蓋。為增強(qiáng)丁壩的攔沙效果，模型進(jìn)行了優(yōu)化方案試驗(yàn)。即將丁壩壩根附近150 m加高至+5.0 m（理論基面），而后按線性遞減，至丁壩外海端部處高程為+2.64 m，東西防波堤形式與高程與初步方案相同（圖5）［7］。

5.2 優(yōu)化方案成果分析

（1）從地形沖淤量角度，與初步方案相比，優(yōu)化方案實(shí)施1 a后，西灣整體表現(xiàn)為微弱沖刷，平均沖幅為0.02 m，東灣亦為沖刷，平均沖深0.42 m。對(duì)整個(gè)沙灘而言，平均沖刷幅度為0.19 m。

（2）防護(hù)工程實(shí)施1 a后，人工沙灘損失量約為6.4萬(wàn)m3。約占總鋪砂量的6%。

實(shí)際上，由于沙源缺乏外部補(bǔ)充，丁壩的加高僅改變了局部流態(tài)與波浪條件，其影響主要阻斷為東灣內(nèi)泥沙在越堤沿岸流的攜帶作用下進(jìn)入西灣。因此，對(duì)整個(gè)沙灘而言，優(yōu)化方案引起的總損失量與初步方案差異不大，平均沖刷幅度分別為-0.19 m和-0.20 m。丁壩方案改變主要影響東西兩側(cè)灣內(nèi)的泥沙分配。

據(jù)試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)，丁壩加高后，東灣東段由于動(dòng)力條件未改變，從而沖刷幅度與初步方案相近，而至東灣西段，特別是丁壩堤根處，由于加高后丁壩可進(jìn)一步攔截泥沙越過(guò)壩頂進(jìn)入西灣，從而D10#斷面處堆積增強(qiáng)，且D11#～D12#斷面處沙灘侵蝕量亦有所降低。對(duì)西灣而言，由于缺乏來(lái)自東灣的泥沙越堤泥沙補(bǔ)給，從而整個(gè)灣內(nèi)由微弱堆積轉(zhuǎn)為微弱沖刷?？傮w來(lái)說(shuō)，優(yōu)化方案實(shí)施后，整個(gè)沙灘的年損失量有一定的減小，且抑制東灣內(nèi)泥沙在風(fēng)暴潮增水作用下向西灣輸送，可達(dá)到優(yōu)化目的［8］。

圖5優(yōu)化方案平面布置形態(tài)示意圖Fig.5Layout of optimization scheme

6 結(jié)論和建議

（1）濰坊海域潮差較小，多年平均約為1.6 m，沙灘前緣潮流強(qiáng)度不高，大潮平均流速在0.2 m/s以下，屬弱潮環(huán)境。常浪向與強(qiáng)浪向均為NE向，強(qiáng)浪多出現(xiàn)在冬季，春、秋兩季亦多發(fā)，夏季海面較平靜。正常天氣下沙灘前緣海域含沙量不高，垂線平均在0.1 kg/m3內(nèi)，底質(zhì)以細(xì)沙為主，伴有粉沙，河流來(lái)沙量很小。冬季可出現(xiàn)冰情。

（2）濰坊濱海水城人工沙灘侵蝕的破壞性動(dòng)力為來(lái)自NE向波浪的持續(xù)向西輸沙，鋪設(shè)于灘面的黃金沙在波浪作用下懸浮，并在沿岸輸沙作用下繞過(guò)原西防波堤堤頭向西側(cè)外海流失。此外，風(fēng)暴潮作用下的沿岸和離岸輸沙亦是重要原因。

（3）正常天氣下年損失量：防護(hù)工程修建后，在原設(shè)計(jì)鋪砂地形均鋪設(shè)人工沙條件下，如不考慮風(fēng)暴潮作用，正常天氣下人工沙灘年損失量約為2萬(wàn)m3。然而，濰坊海域風(fēng)暴潮發(fā)生頻率較高，因此需關(guān)注風(fēng)暴潮作用下的沙灘損失。

（4）極端條件下年損失量：防護(hù)工程修建后，在原設(shè)計(jì)鋪砂地形均鋪以人工沙條件下，在極端高水位下如遭遇10 a一遇大浪作用24 h條件下，沙灘損失量為1.2萬(wàn)m3；如考慮各種極端情況在1 a中均有發(fā)生，沙灘年最大損失量為7.7萬(wàn)m3。

（5）優(yōu)化方案實(shí)施后，防護(hù)工程實(shí)施1 a后，人工沙灘年損失量約為6.4萬(wàn)m3，約占總鋪砂量的6%；且抑制東灣內(nèi)泥沙在風(fēng)暴潮增水作用下向西灣輸送，達(dá)到了優(yōu)化目的。根據(jù)國(guó)內(nèi)外人工沙灘整治經(jīng)驗(yàn)，本防護(hù)工程實(shí)施后，人工沙灘的變化、損失量級(jí)均屬較小范疇，表明工程效果良好。

（6）建議在沙灘建設(shè)初期，適當(dāng)多鋪黃金沙。盡管黃金沙會(huì)有一部向海分?jǐn)?，但不?huì)流失到灣外；而且向海分?jǐn)偟狞S金沙在小浪作用下一部分還會(huì)被推回到灘面上，這個(gè)調(diào)整過(guò)程對(duì)沙灘的穩(wěn)定非常有利；防護(hù)工程可以保證黃金沙不流失到灣外，因此每年均進(jìn)行維護(hù)是不必要的，一般在沙灘變形較大、影響景觀及使用的情況下才需維護(hù)?；謴?fù)沙灘的形態(tài)可通過(guò)“人工挖掘搬運(yùn)”和“適當(dāng)補(bǔ)充新沙”兩種方式進(jìn)行。

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Research on effect of protection engineering for seashore water city artificial beach in Weifang based on physical model tests

WU Ming?yang,ZHANG Rui?bo,XIE Ming?xiao,ZHANG Yi?feng,LIU Guo?ting
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，National Engineering Laboratory for Port Hydraulic Construction Technology,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China）

The protection engineering for the artificial beach in Weifang seashore tourism resort was re?searched through analysis of the natural condition of the engineering sea area and the reason for the beach erosion, hydraulic characteristics tests of the sediment,and the analysis of the effect of the spur dike protection engineering based on the wave?sediment physical model tests.Conclusions are drawn as follows:the driving force of the destruc?tive erosion mostly comes from the continuous sediment transport by NE direction wave.The annual sediment loss is about 20 thousand cubic meters under normal weather conditions.The sediment loss is 12 thousand cubic meters under 10 years frequency wave for 24 hours at extreme high water level，and the annual loss will be 77 thousand cu?bic meters.After the construction of the protection engineering according to the optimized scheme,the annual loss will be 64 thousand cubic meters,which accounts for 6%of the total sediments,and the sediment transports from east bay to west bay under storm surge effect.Then the goal of the optimization is achieved.

artificial beach;wave;scheme;model test

U 656.3；TV 139.16

A

1005-8443（2015）06-0467-07

南通擁有五個(gè)一類開(kāi)放口岸

2015-03-16；

2015-04-01

吳明陽(yáng)（1963-），男，福建省人，研究員，主要從事海岸河口泥沙運(yùn)動(dòng)及淤積方面研究。

Biography：WU Ming?yang（1963-），male，professor.

本刊從江蘇省交通運(yùn)輸廳獲悉，南通洋口港區(qū)口岸不久前通過(guò)國(guó)家口岸管理辦公室等部門(mén)組成的驗(yàn)收組驗(yàn)收，南通市成為擁有五個(gè)一類開(kāi)放口岸的地級(jí)市。洋口港區(qū)位于長(zhǎng)江口北翼，于2008年建成并實(shí)現(xiàn)通航。2014年8月10日，國(guó)務(wù)院作出批復(fù)，同意洋口港區(qū)對(duì)外實(shí)現(xiàn)一類口岸開(kāi)放。隨著洋口港區(qū)口岸開(kāi)放通過(guò)驗(yàn)收，南通市形成了海陸空俱全的全方位、立體式口岸開(kāi)放格局。（殷缶，梅深）