岬灣平衡海岸理論在人工沙灘岸線設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

解鳴曉，李　姍，侯志強(qiáng)

（1.南京水利科學(xué)研究院，水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210029；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，港口水工建筑技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，天津300456；3.中交天津港灣工程研究院有限公司，中國(guó)交建海岸工程水動(dòng)力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300222）

綜合

岬灣平衡海岸理論在人工沙灘岸線設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

解鳴曉1，2，李?yuàn)?，侯志強(qiáng)2

（1.南京水利科學(xué)研究院，水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210029；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，港口水工建筑技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，天津300456；3.中交天津港灣工程研究院有限公司，中國(guó)交建海岸工程水動(dòng)力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300222）

基于岬灣平衡海岸理論，以濰坊濱海旅游度假區(qū)人工沙灘實(shí)際工程為例，對(duì)沙灘的防護(hù)方案選取進(jìn)行了探討，對(duì)比了不同丁壩平面布置形式對(duì)平衡岸線形態(tài)的影響，最終推薦了合適的防護(hù)方案及其對(duì)應(yīng)的沙灘平衡岸線線形。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際整治效果檢驗(yàn)，證實(shí)了岬灣平衡海岸理論在人工沙灘防護(hù)工程及平衡岸線設(shè)計(jì)中的有效性。

岬灣平衡海岸理論；人工沙灘；丁壩防護(hù)；平衡岸線

0　引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及海岸資源的開發(fā)，人造沙灘工程成為建設(shè)熱點(diǎn)。天然條件下沙灘地貌與動(dòng)力條件是相互適應(yīng)的共生體，近岸波浪、波生流等動(dòng)力驅(qū)動(dòng)泥沙輸運(yùn)并重塑岸線，而新的岸線形成后又將改變沙灘前沿的波流條件，經(jīng)反復(fù)調(diào)整后，最終實(shí)現(xiàn)動(dòng)力與岸線形態(tài)的動(dòng)態(tài)平衡。在人工沙灘的規(guī)劃設(shè)計(jì)中，合理的岸線走向是重要的參數(shù)。在條件允許的情況下，岸線走向布置應(yīng)盡可能接近平衡岸線形態(tài)，這樣可有效避免沙灘鋪設(shè)后岸線的再調(diào)整，控制岸線的穩(wěn)定性。因此，合理預(yù)測(cè)人工沙灘的平衡線形是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題，對(duì)其研究十分必要。

對(duì)沙灘岸線的數(shù)值模擬預(yù)測(cè)目前有兩種主要手段，分別為基于一線或多線模型理論和基于水沙動(dòng)力過(guò)程的模擬理論。Pelnard-Considere[1]最先提出了一線模型（one-linemodel），考慮沿岸輸沙對(duì)岸線的塑造作用，Bakker[2]將一線模型發(fā)展成為二線模型（two-linemodel），同時(shí)考慮岸線的變化和近岸等深線的變化，Perlin和Dean[3-4]進(jìn)一步拓展了二線模型，并提出了可考慮任意條等深線的多線模型（multi-line model），基于一線模型理論，目前亦發(fā)展了多種計(jì)算軟件（LITPACK、GENSIS，等）?？傮w來(lái)說(shuō)，一線和多線模型理論的核心在于建立波能與沿岸輸沙率的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，并根據(jù)沙量守恒理論計(jì)算岸線演變情況，其理論適用于沙源供給充足的天然平直形海岸。但對(duì)人工沙灘而言，由于為非自然形成的沙灘，從而上游和外海均缺乏泥沙供給，不符合一線及多線模型的理論推導(dǎo)前提假設(shè)?；谶^(guò)程的水沙運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型理論原則為采用波浪、波生近岸流、泥沙運(yùn)動(dòng)數(shù)值模式獲得所研區(qū)域的水沙地貌響應(yīng)過(guò)程。當(dāng)前已有學(xué)者對(duì)基于過(guò)程的模擬思路進(jìn)行了有益探討（如Roelvink[5]，Lesser等人[6]，Dastgheib等人[7]，Roelvink等人[8]）。然而，沙灘岸線處于頻繁露灘的潮間帶內(nèi)，破碎波浪的上爬和紊動(dòng)影響較大，而在當(dāng)前數(shù)學(xué)模型理論中，由于對(duì)露灘區(qū)域采用最小水深法，且無(wú)法模擬波浪上爬作用，與實(shí)際海岸動(dòng)力作用不符，導(dǎo)致其多數(shù)適用于水下岸灘的演變模擬，而在岸線演變模擬中則未得到廣泛的拓展應(yīng)用。

岬灣弧形平衡海岸是天然海岸中常見的形態(tài)，其沿岸輸沙由于受到上下游岬角阻斷，灣內(nèi)缺乏沙源補(bǔ)充，從而在波浪作用下形成靜態(tài)平衡的螺線弧形岸線，在岸線達(dá)到平衡后，波浪傳播至沙灘前緣經(jīng)過(guò)折射、繞射作用，波向處處與岸線垂直，從而沿岸輸沙理論上為零或極小，保持了岸線形態(tài)的長(zhǎng)期穩(wěn)定。事實(shí)上，在一般人工沙灘的設(shè)計(jì)中，多數(shù)采用兩側(cè)防波堤或丁壩掩護(hù)構(gòu)成上下游岬角的形式，其水沙動(dòng)力機(jī)制接近于岬灣弧形海灣。因此，采用岬灣海灣理論對(duì)人工沙灘的平衡線性進(jìn)行預(yù)測(cè)是更加合理的。

基于以上分析，本文以濰坊濱海旅游度假區(qū)人工沙灘工程（圖1）為例，探討岬灣平衡海灣理論在人工沙灘防護(hù)工程及沙灘平衡岸線設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

圖1　工程區(qū)位示意圖Fig.1 Location of project site

1　研究區(qū)域概況

1.1人工沙灘防護(hù)背景

濰坊濱海旅游度假區(qū)位于萊州灣灣頂?shù)臏\灘區(qū)、西側(cè)緊鄰濰坊森達(dá)美港，人工沙灘建設(shè)于度假區(qū)西北角處，沙灘東西長(zhǎng)約1.6 km，兩側(cè)分別采用長(zhǎng)250 m的短堤掩護(hù)，坡腳前緣水深在理論基面-2 m以內(nèi)，圖1中示意了工程區(qū)位和水深分布。整個(gè)沙灘鋪墊33萬(wàn)m3海沙，灘沙平均中值粒徑0.67 mm。沙灘工程于2011年10月竣工，竣工以來(lái)的半年中沙灘遭遇了嚴(yán)重的侵蝕，特別是東段灘沙流失達(dá)70%以上，最大侵蝕厚度甚至超過(guò)2 m，難以滿足原設(shè)定的需求。根據(jù)解鳴曉等人[9]的動(dòng)力地貌分析研究成果，目前人工沙灘的侵蝕成因?yàn)闁|西兩側(cè)的掩護(hù)防波堤過(guò)短，沙灘幾乎完全暴露于外海波浪的直接作用下，且沙灘走向與NE向常波浪的夾角較大，難以避免向西的強(qiáng)沿岸流及春季頻發(fā)風(fēng)暴潮的直接作用。因此，為阻止沙灘泥沙進(jìn)一步流失，提高沙灘穩(wěn)定性，亟需對(duì)沙灘采取必要的人工防護(hù)工程措施。

1.2工程海域水沙環(huán)境

近岸沙灘地貌的主要塑造動(dòng)力因素為波浪，交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所于2008年12月—2010年1月在萊州灣中部-9 m水深處設(shè)立了1處波浪觀測(cè)站，站位如圖1中所示。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，本海區(qū)常浪向?yàn)镹E向，出現(xiàn)頻率為25.3%，次常浪向?yàn)镹NE向，出現(xiàn)頻率為17.4%，強(qiáng)浪向?yàn)镹E向，人工沙灘西側(cè)受森達(dá)美港防波堤阻擋，N向和NW向波浪很小，對(duì)沙灘無(wú)直接影響。此外，據(jù)2011年3月在工程海域大、小潮的水文測(cè)驗(yàn)資料分析[9]，大潮平均流速在0.07～0.18 m/s間，小潮平均流速在0.10～0.16 m/s間，天然潮流流速很低，難以直接起動(dòng)0.67 mm粒徑的較粗灘沙；大潮平均含沙量為0.003～0.096 kg/m3，小潮平均含沙量為0.014～0.023 kg/m3。沉積物中值粒徑在0.019 2～0.220 5 mm間，平均中值粒徑0.108 8 mm，為粉砂至細(xì)砂區(qū)間，與人工灘沙差異較大。

2　岬灣平衡海岸計(jì)算理論

岬灣平衡海岸理論即通過(guò)對(duì)大量現(xiàn)場(chǎng)沙灘岸線與岬角位置的擬合，推導(dǎo)出在沙源無(wú)上游補(bǔ)給、上下游受岬角控制條件下的靜態(tài)穩(wěn)定岸線形態(tài)。根據(jù)Hsu和Evans[10]對(duì)27個(gè)實(shí)際海岸的現(xiàn)場(chǎng)形態(tài)擬合，天然條件下的岬灣平衡岸線地貌多具有螺旋弧形結(jié)構(gòu)，其表達(dá)式見式（1）。

式中：R為極軸半徑；β和θ為與極坐標(biāo)相關(guān)的參數(shù)；C0、C1和C2為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

2.2.3 結(jié)扎盆腔血管止血采用對(duì)子宮動(dòng)脈或結(jié)扎髂內(nèi)動(dòng)脈進(jìn)行結(jié)扎,必要時(shí)要做好子宮次全切除術(shù)治療的術(shù)前準(zhǔn)備工作[4]。

基于岬灣平衡海灣理論，Hsu等人[11]開發(fā)了沙灘平衡岸線模擬軟件MEPBAY，并采用大量實(shí)際天然沙灘和人工沙灘的工程案例對(duì)所建軟件模式進(jìn)行了測(cè)試，證實(shí)了其有效性。本文中即應(yīng)用MEPBAY軟件對(duì)人工沙灘的平衡岸線進(jìn)行推算。在應(yīng)用中，首先給定沙灘上岬角位置，通過(guò)設(shè)置主浪向、下岬角位置后，即可通過(guò)軟件模擬推算得到沙灘的平衡岸線形態(tài)。

圖2　單丁壩基礎(chǔ)方案平面布置形式Fig.2 Planar layoutof singlegroin shelter scenario

3　不同丁壩方案對(duì)沙灘平衡岸線影響分析

為對(duì)人工沙灘進(jìn)行掩護(hù)，防止灘沙流失，擬采用東、西防波堤延長(zhǎng)結(jié)合丁壩攔沙的平面形式。圖2中給出了單丁壩基礎(chǔ)方案的平面布置形式。

圖2中東、西防波堤在原有基礎(chǔ)上向外延伸，西側(cè)向海延伸370m，東側(cè)向海延伸200m，并為掩護(hù)來(lái)自NE向的波浪，東防波堤延長(zhǎng)段亦向西北側(cè)延伸，形成長(zhǎng)350 m的勾頭丁壩。沙灘中段擬建設(shè)一條丁壩，通過(guò)設(shè)置丁壩，將原長(zhǎng)1.6 km的沙灘分割成西、東兩個(gè)小型海灣。

防護(hù)工程實(shí)施后，東、西兩段人工沙灘均位于岬灣的海灣內(nèi)，無(wú)來(lái)自上游和外海的泥沙供給。因此，在NE常浪向的波浪作用下，沙灘岸線將調(diào)整至平衡海岸的岸線地貌格局。同時(shí)，丁壩的位置和壩頭位置的變化將導(dǎo)致西灣的上岬角位置改變，進(jìn)而影響沙灘的平衡岸線形態(tài)。因此，在本文中將針對(duì)不同丁壩布置方案對(duì)沙灘的掩護(hù)效果和平衡岸線形態(tài)進(jìn)行分析研究，并最終推薦合理的丁壩布置和設(shè)計(jì)岸線走向。

3.1丁壩有無(wú)勾頭效果對(duì)比

在初始設(shè)計(jì)中，首先應(yīng)考慮丁壩的整體形態(tài)，即采用直線形丁壩（“1”字形）還是勾頭形丁壩（“T”字形）。為比較丁壩勾頭段設(shè)置的必要性，圖3中比較了勾頭丁壩和直線丁壩的整治效果，圖中工況B為直線形丁壩，工況A為西側(cè)勾頭200 m，工況C為東側(cè)勾頭100m。

圖3　丁壩有無(wú)勾頭條件下平衡岸線形態(tài)示意Fig.3 Equilib rium shorelinew ith and w ithout T head of the shelter groin

經(jīng)對(duì)比得到以下主要結(jié)論：

1）就沙灘西區(qū)而言，采用直線形丁壩對(duì)NE向常浪向的掩護(hù)效果較差，從而平衡岸線整體位于原設(shè)計(jì)鋪砂岸線岸側(cè)，沙灘穩(wěn)定性無(wú)法得到保證。因此，欲使西區(qū)沙灘存有一定寬度，丁壩必須進(jìn)行西側(cè)勾頭。初步量測(cè)，有勾頭掩護(hù)下的沙灘平衡面積較直線形丁壩方案可增加約40%。

2）就沙灘東區(qū)而言，由于對(duì)NE向波浪的阻擋主要來(lái)自東側(cè)防波堤堤頭（即上岬角），從而采用勾頭丁壩和直線形丁壩對(duì)平衡岸線的影響差異不大，僅在西側(cè)壩根處略有差異。

3.2丁壩西勾頭長(zhǎng)度效果對(duì)比

根據(jù)上節(jié)中結(jié)論，丁壩勾頭段，特別是西側(cè)勾頭的建設(shè)是必須的。以下將采用敏感性分析手段，對(duì)丁壩西側(cè)勾頭段的長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化。圖4中給出了不同勾頭長(zhǎng)度（工況A：200 m、工況B：180m、工況C：150m）條件下的平衡岸線位置。

圖4　丁壩西勾頭不同長(zhǎng)度下平衡岸線相對(duì)位置示意Fig.4 Equilibrium shoreline under different lengthsof thewestern groin T head

經(jīng)過(guò)分析：

1）丁壩西側(cè)勾頭段長(zhǎng)度對(duì)沙灘西區(qū)平衡岸線位置影響明顯，特別是西灣的東段岸線處?？傮w來(lái)說(shuō)，勾頭加長(zhǎng)使得平衡岸線位置向海推進(jìn)，對(duì)維持沙灘穩(wěn)定是有利的。

2）經(jīng)測(cè)算，如以工況B為基準(zhǔn)，工況C的平衡岸線與陸域間的面積較其減小6.7%，而工況A則增加5.4%。隨勾頭長(zhǎng)度增加，掩護(hù)區(qū)面積逐步增大。

因此，根據(jù)對(duì)勾頭長(zhǎng)度的對(duì)比情況，丁壩西勾頭的最優(yōu)長(zhǎng)度取決于對(duì)西區(qū)沙灘最小穩(wěn)定寬度的要求。如對(duì)其要求不高，則勾頭可適當(dāng)縮短。

3.3丁壩西勾頭走向效果對(duì)比

圖5中給出了不同勾頭角度（工況A：平行岸線、工況B：偏轉(zhuǎn)20。、工況C：偏轉(zhuǎn)30。）條件下的平衡岸線形態(tài)。經(jīng)分析，丁壩西側(cè)勾頭向外海偏轉(zhuǎn)后，平衡岸線略有外推，其本質(zhì)反映了對(duì)NE向浪的掩護(hù)作用增強(qiáng)。因此，在丁壩設(shè)計(jì)中如勾頭長(zhǎng)度不變，則勾頭走向取NW—SE向最佳。

圖5　丁壩西勾頭不同角度下平衡岸線相對(duì)位置示意Fig.5 Equilibrium shorelineunder differentanglesof thewestern groin T head

3.4丁壩壩身長(zhǎng)度效果對(duì)比

圖6中給出了不同丁壩壩身長(zhǎng)度（工況A：370 m、工況B：420m、工況C：470m）條件下的平衡岸線位置。

經(jīng)分析，壩身向海延長(zhǎng)對(duì)沙灘掩護(hù)有利，但其作用略小于勾頭延長(zhǎng)的效果。此外，壩身向外延伸亦將增加工程造價(jià)。因此，建議丁壩壩身長(zhǎng)度在滿足功能要求的前提下，盡量采用調(diào)整勾頭布局的方式以達(dá)到穩(wěn)定沙灘的目的。

圖6　丁壩壩身不同長(zhǎng)度下平衡岸線相對(duì)位置示意Fig.6 Equilibrium shorelineunder differentgroin lengths

3.5推薦防護(hù)方案形式

根據(jù)以上分析，提出推薦的防護(hù)整治工程平面布置如圖7。其中丁壩和東、西兩側(cè)防波堤尺度與圖3中的基礎(chǔ)方案相同，丁壩西側(cè)勾頭在基礎(chǔ)方案條件下順時(shí)針旋轉(zhuǎn)30。，走向?yàn)镹W—SE向，長(zhǎng)度180 m；東側(cè)勾頭長(zhǎng)度可取為100 m左右，方向平行岸線。

圖7　單丁壩建議方案平面布置示意Fig.7 Planar layout of the suggested shelter groin scenario

濰坊濱海旅游度假區(qū)人工沙灘的防護(hù)工程和沙灘岸線鋪設(shè)于2013年完成，施工圖形態(tài)與圖7中的推薦形式基本一致。經(jīng)過(guò)2年多的現(xiàn)場(chǎng)考驗(yàn)，所建設(shè)的沙灘線形幾乎未有變化，表明了丁壩對(duì)沙灘的掩護(hù)效果很好，岸線線形布置合理，也證實(shí)了采用岬灣平衡海灣理論對(duì)沙灘的平衡線形進(jìn)行選取是合理有效的。

4　結(jié)語(yǔ)

本文中基于岬灣平衡海灣理論，以濰坊濱海度假區(qū)人工沙灘工程案例為實(shí)例，闡述了該理論在人工沙灘平衡岸線設(shè)計(jì)中的應(yīng)用效果，并對(duì)防護(hù)工程中丁壩尺寸各設(shè)計(jì)參數(shù)及對(duì)應(yīng)的平衡岸線形態(tài)進(jìn)行了分析。得到以下主要結(jié)論：

1）人工沙灘工程缺少來(lái)自上游和外海的泥沙供給，岸線形態(tài)將在波浪作用下重新塑造進(jìn)而達(dá)到靜態(tài)平衡。因此，對(duì)其平衡岸線的模擬采用基于岬灣弧形平衡海灣的理論較為適宜。

2）根據(jù)對(duì)不同丁壩平面布置形式的平衡岸線分析，采用勾頭形丁壩的掩護(hù)效果優(yōu)于直線形；丁壩西側(cè)勾頭段加長(zhǎng)對(duì)沙灘的掩護(hù)效果優(yōu)于加長(zhǎng)壩身；在西側(cè)勾頭長(zhǎng)度保持不變的條件下，勾頭方向選取為NW—SE向掩護(hù)效果優(yōu)于平行岸線。文中推薦的防護(hù)工程方案平面布局和平衡岸線布設(shè)經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)后，達(dá)到較優(yōu)的整治效果，證實(shí)了岬灣平衡海灣理論在人工沙灘防護(hù)工程及平衡岸線設(shè)計(jì)中的有效性。

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App lication of cape-bay equilibrium theory to shoreline designing of artificial beach

XIEMing-xiao1,2,LIShan3,HOU Zhi-qiang2
（1.Nanjing Hydraulic Research Institute,State Key Laboratory of Hydrology-Water Resourcesand Hydraulic Engineering, Nanjing,Jiangsu 210029,China;2.Tianjin Research Institute forWater TransportEngineering,Key Laboratory of Engineering Sediment,M.O.T.,National Engineering Laboratory for PortHydraulic Construction Technology,Tianjin 300456, China;3.CCCCTianjin PortEngineering Institute,Key Laboratory ofCoastal Engineering HydrodynamicsofCCCC, Tianjin 300222,China）

Using theWeifang artificialbeach engineering project as an examp le,the cape-bay equilibrium shoreline theory is applied to discuss the planar layoutof the shelter structure in the designing process of a typical artificial beach,and finally the corresponding appropriate equilibrium shoreline is suggested.After comparing with the actual effectatsite,it is proved that the application of cape-bay equilibrium shoreline theory iseffective in the designing process.

cape-bay equilibrium coast theory;artificial beach;sheltering groin;equilibrium shoreline

U652.3；P737.14

A

2095-7874（2016）06-0001-06

10.7640/zggw js201606001

2016-02-01

2016-03-22

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金（41306033）；交通運(yùn)輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2014329224330）；天津市自然科學(xué)基金（青年項(xiàng)目）（16JCQNJC06900）；水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放項(xiàng)目（2014492211）

解鳴曉（1982—），男，山東青島市人，博士，副研究員，主要從事海岸動(dòng)力學(xué)研究。E-mail：crabsaver@163.com