護(hù)岸工程與沙灘流失*

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護(hù)岸工程與沙灘流失*

唐筱寧，王綠卿，楊錦凌

(海軍工程設(shè)計(jì)研究院 工程綜合試驗(yàn)研究中心，山東 青島 266100)

摘要：沙灘是沿海地區(qū)重要的旅游休閑資源，護(hù)岸工程是沿海地區(qū)重要的防災(zāi)設(shè)施，護(hù)岸在保護(hù)陸地資源的同時(shí)有可能對沙灘產(chǎn)生破壞。傳統(tǒng)護(hù)岸設(shè)計(jì)形式為硬性護(hù)岸，硬性護(hù)岸建成后將在一定程度上影響沿岸水動力環(huán)境，若護(hù)岸設(shè)計(jì)不當(dāng)，易引起周圍沙灘流失，造成旅游經(jīng)濟(jì)損失。本文通過威海九龍灣沙灘流失實(shí)例說明了硬性護(hù)岸對沙灘穩(wěn)定性的影響，并通過波浪泥沙物理模型試驗(yàn)對沙灘修復(fù)方案進(jìn)行了研究，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)因受原護(hù)岸影響修復(fù)后的沙灘仍將處于持續(xù)侵蝕狀態(tài)，并介紹了其他類似案例。文中重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了護(hù)岸設(shè)計(jì)不當(dāng)極易造成沙灘流失，對護(hù)岸設(shè)計(jì)、岸線規(guī)劃等具有一定參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：護(hù)岸；沙灘養(yǎng)護(hù)；沙灘流失

護(hù)岸工程是沿海地區(qū)預(yù)防海洋災(zāi)害破壞的重要設(shè)施之一，為有效抵抗海浪及風(fēng)暴潮的不利影響，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中通常采用硬性護(hù)岸，即混凝土、塊石結(jié)構(gòu)或其他具有較高強(qiáng)度的硬性材質(zhì)。作為沙灘和陸地之間的銜接過渡設(shè)施，護(hù)岸建成后勢必對沙灘產(chǎn)生一定的影響。

為與周邊環(huán)境保持協(xié)調(diào)，護(hù)岸工程在具有防護(hù)功能的同時(shí)通常具有較好的景觀功能，出于景觀設(shè)計(jì)需求，護(hù)岸工程位置可選余地較大，若護(hù)岸設(shè)置不當(dāng)，極易導(dǎo)致沙灘流失。為此，護(hù)岸設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)充分考慮其對沙灘穩(wěn)定性的影響。本文通過威海九龍灣工程實(shí)例說明了護(hù)岸工程對沙灘穩(wěn)定性的重要影響，對護(hù)岸設(shè)計(jì)、岸線規(guī)劃等具有一定的參考價(jià)值。

1沙灘流失概況與成因分析

本護(hù)岸工程位于威海南部的九龍灣西側(cè)(圖1)。2008年以后，受多種因素的影響，九龍灣內(nèi)波浪條件發(fā)生了變化，王綠卿[1]分析認(rèn)為，由于2007年前后威海灣內(nèi)人工養(yǎng)殖物的大面積拆除，導(dǎo)致工程所在海域波浪強(qiáng)度增大，長峰河口以南地段沿岸沙灘侵蝕嚴(yán)重(圖1)，據(jù)圖1可以看出，至2010年護(hù)岸前沙灘已經(jīng)發(fā)生整體流失，完全喪失沙灘功能。

圖1　護(hù)岸所在位置及護(hù)岸前沙灘流失前后對比圖Fig.1　Location of the revetment and the status before and after erosionof the beach in front of the revetment

在沙灘流失處南側(cè)，有一明顯的泥沙淤積區(qū)(圖2)，折線型岸線形成了納沙角兜，在這種岸線形態(tài)下，折線拐角處成為最易淤積的區(qū)域，并以此為據(jù)點(diǎn)逐漸成長。沙灘流失海域位處威海灣南側(cè)，由于受到灣周圍岸線地形的遮護(hù)，對該海域影響明顯的波浪以NE向?yàn)橹?。在NE向波浪作用下，硬性護(hù)岸前波浪條件復(fù)雜，波浪反射、折射相互疊加導(dǎo)致波高增大，泥沙易起動。此外，在波浪綜合作用下極易產(chǎn)生南向沿岸流，使泥沙發(fā)生沿岸輸移，逐漸堆積于拐點(diǎn)處，加上外海來沙，此處灘面逐漸發(fā)育。

圖2　踏勘斷面位置圖Fig.2　Location of the survey section

2007年之前九龍灣海域受到大面積養(yǎng)殖物的遮擋，波浪強(qiáng)度較低，可以推斷2007年之前和之后的“北向來沙”的粒徑不同。2007年之前波浪較小，能夠啟動的泥沙顆粒較小，而在2007年之后由于波浪強(qiáng)度增大，此時(shí)的“北向來沙”顆粒增大。據(jù)此推斷，靠近岸線拐角處淤積形成的沙灘靠岸側(cè)由于形成年代較早，粒徑應(yīng)該比后期形成的沙灘粒徑偏細(xì)。

為證明上述推斷，在現(xiàn)場進(jìn)行了詳細(xì)踏勘，踏勘斷面位置見圖2，踏勘內(nèi)容包括斷面高程、底質(zhì)粒徑等，圖3(基于威海灣理論基準(zhǔn)面)為該沙灘斷面的剖面高程和中值粒徑數(shù)據(jù)。據(jù)圖3可知，該斷面從岸側(cè)向海側(cè)岸灘底質(zhì)的中值粒徑逐漸變粗，0.29 mm-0.51 mm-0.82 mm-1.30 mm，證明推斷是正確的。據(jù)上述數(shù)據(jù)分析可知，護(hù)岸前沙灘侵蝕已存在多年，只是在2007年以前，由于波高較小，掀沙作用較弱，起動泥沙粒徑較小，泥沙輸移量不大，未發(fā)生明顯沙灘流失現(xiàn)象；而在2007年之后，該海域波浪強(qiáng)度明顯增大，泥沙侵蝕速度加快，僅在2 a左右的時(shí)間沙灘即流失殆盡。

圖3　踏勘斷面剖面高程和中值粒徑分布圖Fig.3　Profile data of the survey section

2物理模型研究

針對上述沙灘流失現(xiàn)象開展了沙灘整治工程研究，整治工程分為兩部分，其一在原沙灘流失處進(jìn)行補(bǔ)沙回填修復(fù)沙灘，計(jì)劃補(bǔ)沙4×104m3，平均補(bǔ)灘寬度約70 m；其二根據(jù)對該海域泥沙運(yùn)動機(jī)制的分析，認(rèn)為造成工程海域沙灘流失的根本原因是該海域波浪強(qiáng)度增大，為此，設(shè)計(jì)采用潛堤保護(hù)新補(bǔ)沙灘，采用潛堤可以消除波浪的不利影響，并且不會對當(dāng)?shù)鼐坝^產(chǎn)生不利影響，初步設(shè)計(jì)方案見圖4。

圖4　岸灘整治方案圖Fig.4　A plan for beach renovation

為評估整治方案可行性，預(yù)測沙灘穩(wěn)定性，在海軍工程設(shè)計(jì)研究院試驗(yàn)室開展了整體波浪泥沙物理模型試驗(yàn)研究，試驗(yàn)采用輕質(zhì)磨制煤粉(d50=0.25 mm)，質(zhì)量濃度為1.48 g/cm3，模型采用正態(tài)比尺1∶80，模型中-5 m(基于理論深度基準(zhǔn)面)以淺水域采用動床模型，確保能夠合理、準(zhǔn)確地模擬出主要侵蝕過程，由于-5 m以深水域內(nèi)侵蝕量較小，模型中不再考慮深水區(qū)的侵蝕，采用定床模型。

2.1　模型驗(yàn)證

物理模型中的泥沙侵蝕、淤積規(guī)律應(yīng)當(dāng)與該工程海域?qū)嶋H的主要泥沙運(yùn)動過程一致，驗(yàn)證工作依據(jù)2007年和2011年的實(shí)測地形數(shù)據(jù)開展，通過調(diào)整模型中波浪場梯度分布、流速、流向等要素，最終獲得了合理的動力環(huán)境。

由此動力環(huán)境所引起的地形變化與實(shí)測地形變化相一致，圖5為實(shí)測和物理模型中的泥沙沖淤深度對比圖，據(jù)圖，物理模型較好地模擬了該工程海域主要的泥沙沖淤趨勢，后續(xù)相關(guān)方案研究在此基礎(chǔ)上展開。

圖5　工程海域沖淤實(shí)測值與試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果對比圖(m)Fig.5　Comparison between the scour and silting values measured in the study area and the results from the simulation (m)

基于上述動力環(huán)境，在試驗(yàn)室成功復(fù)演了工程海域沙灘流失過程(圖6)。NE向波浪在從外海行進(jìn)至護(hù)岸附近水域過程中，行進(jìn)方向逐漸發(fā)生改變，當(dāng)波浪行進(jìn)至護(hù)岸前時(shí)，波向與護(hù)岸之間夾角在40°左右，在波浪作用下，護(hù)岸前沙灘發(fā)生整體流失，流失后的底質(zhì)在波浪帶動下堆積于岸線拐角處，試驗(yàn)過程較好地解釋了沙灘流失機(jī)理及下游拐角處沙灘的形成機(jī)制。

圖6　試驗(yàn)室中復(fù)演沙灘流失過程Fig.6　Beach erosion processes simulated in the laboratory

2.2　整治方案中的共性問題

物理模型試驗(yàn)以初步設(shè)計(jì)方案為基礎(chǔ)，基于上述模型驗(yàn)證所確定的水動力環(huán)境對整治方案進(jìn)行多輪試驗(yàn)、優(yōu)化，以沙灘流失率為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，參考沙灘海域水體循環(huán)能力，確定了最終整治方案(圖7)，最終方案中去除了南側(cè)兩個(gè)潛堤，并將北側(cè)兩個(gè)潛堤與引堤聯(lián)接，形成連續(xù)潛堤，潛堤高程為+1.3 m(基于理論深度基準(zhǔn)面)，與當(dāng)?shù)仄骄?+1.20 m)(基于理論深度基準(zhǔn)面)接近，采用該高程既能保證潛堤具有一定的消浪作用，又能保證沙灘水域具有良好的水體循環(huán)能力。

通過整治方案的模型試驗(yàn)可知(圖7)，當(dāng)NE向波浪行進(jìn)至護(hù)岸附近時(shí)，波浪方向逐漸發(fā)生改變，行進(jìn)波浪與反射波浪相疊加，使沙灘發(fā)生劇烈擾動；波浪行進(jìn)過程中形成沿岸流，將起動后的泥沙攜帶至拐角處持續(xù)淤積，使沙灘發(fā)生沿岸不可逆流失。

模型試驗(yàn)中所體現(xiàn)的泥沙運(yùn)動規(guī)律與踏勘數(shù)據(jù)分析結(jié)果相一致，即護(hù)岸前沙灘發(fā)生了不可逆的沿岸流失。與未整治之前的沙灘流失機(jī)制一致，僅是流失量和流失速度有所減小。

參考其他方案(圖8)，外海雖然采取了消浪措施，并且進(jìn)行了補(bǔ)灘處理，但在所有方案的試驗(yàn)過程中護(hù)岸前的沙灘均一直處于侵蝕狀態(tài)，雖然侵蝕速率因沙灘水域波高而異，但整治后沙灘持續(xù)侵蝕的趨勢仍存在，不當(dāng)設(shè)置護(hù)岸對沙灘流失的影響一直延續(xù)，給沙灘后續(xù)維護(hù)帶來一定難度。

圖8　其他參試方案試驗(yàn)現(xiàn)象Fig.8　Results from the experiments done for other cases

3結(jié)語

作為傳統(tǒng)的海岸防護(hù)設(shè)施，硬性護(hù)岸在保護(hù)沿岸市政設(shè)施中雖然起到了重要作用，有效保護(hù)了岸上設(shè)施及財(cái)產(chǎn)安全。但通過本文案例研究發(fā)現(xiàn)，若護(hù)岸設(shè)計(jì)不當(dāng)，將嚴(yán)重破壞岸線的自然屬性，造成局部泥沙發(fā)生不可逆流失，使沙灘喪失可持續(xù)利用的價(jià)值。

因此，在進(jìn)行護(hù)岸工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)及前期論證時(shí)應(yīng)充分認(rèn)識到海岸工程具有較強(qiáng)的系統(tǒng)性，全面研究水動力環(huán)境、沙灘、水工建筑物三者之間的相互影響關(guān)系。當(dāng)前，在海岸工程較發(fā)達(dá)的國家逐漸形成共識，認(rèn)為采用沙灘養(yǎng)護(hù)培育海岸沙丘能夠更好地抵御自然災(zāi)害[2-9]，通過沙灘養(yǎng)護(hù)能夠形成更加寬廣的灘面，塑造一定高度的沙丘，可以在一定程度上重建上述三者之間的自然關(guān)系，讓自然的沙灘抵御自然的災(zāi)害，“硬性護(hù)岸”正在向“軟性護(hù)岸”過渡。

鑒于我國目前海岸工程現(xiàn)狀及國際海岸工程發(fā)展趨勢，在護(hù)岸設(shè)計(jì)及岸線規(guī)劃時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分吸取以往工程建設(shè)產(chǎn)生的不利影響，積極吸收國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，全面論證，合理設(shè)計(jì)，保護(hù)岸線沙灘資源的可持續(xù)利用。

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Revetment Construction and Beach Erosion

TANG Xiao-ning1, WANG Lü-qing, YANG Jin-ling

(EngineeringResearchCenter,NavyEngineeringDesign&ResearchInstitute,

Qingdao 266100, China)

Abstract:Beaches are one of the important coastal tourism and leisure resources and revetments are one of the important coastal anti-disaster facilities. However, the revetments may possibly cause the beaches destroyed, while they are protecting the land resources. The traditional revetment was designed as a hard form, and such a hard revetment could, to a certain extent, influence the coastal hydrodynamic environment after its construction, which may easily induce a serious erosion of ambient beaches if the revetment was designed improperly and cause an economic loss for tourism. The effect of the hard revetment on the beach stability is illustrated by taking actual beach erosion as the example. A plan for restoring the breached beach is studied through the experiment with a wave-sediment physical model. The results reveal that the restored beach is still in a continuously eroded state. It is emphasized that the improper design of revetment can easily cause the beach eroded. This may offer a valuable reference for revetment design and shoreline planning.

Key words:revetment; beach nourishment; beach erosion

中圖分類號：P753

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：唐筱寧(1965-)，男，高級工程師，主要從事近海工程波浪和泥沙方面研究.E-mail：tangxn@163.com(杜素蘭編輯)

收稿日期：*2015-04-01

文章編號：1002-3682(2015)02-0033-07