基于洞頭區(qū)東岙灣沙灘修復(fù)工程的沙灘修復(fù)技術(shù)

李水瀧，馮 閃

（浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002）

1 問(wèn)題的提出

近年來(lái)，我國(guó)海洋生態(tài)環(huán)境形勢(shì)嚴(yán)峻，近岸海域環(huán)境問(wèn)題突出，比如陸源污染嚴(yán)重，濱海濕地面積縮減，自然岸線減少，海島島體受損以及生態(tài)系統(tǒng)受到威脅等。由此以實(shí)現(xiàn)“水清、岸綠、灘凈、灣美”為目標(biāo)的海洋生態(tài)整治修復(fù)工作應(yīng)運(yùn)而生。海岸線作為海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“生命線”“黃金線”，具有重要的生態(tài)功能和資源價(jià)值。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)海岸線過(guò)度開(kāi)發(fā)利用導(dǎo)致海岸侵蝕、景觀破壞、海水入侵、沙灘退化，公眾的親?？臻g日益縮減，部分地方濱海環(huán)境嚴(yán)重?fù)p害。這與人民群眾日益增強(qiáng)的環(huán)境保護(hù)意識(shí)，對(duì)宜人濱海環(huán)境的不斷追求形成鮮明對(duì)比，因此海岸線修復(fù)整治迫在眉睫。沙灘修復(fù)作為海岸線整治的重要措施之一，因其施工簡(jiǎn)單、成效快、經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)而備受青睞。通過(guò)沙灘整治修復(fù)，既可以恢復(fù)岸線原有的消浪、護(hù)岸和防災(zāi)減災(zāi)功能，同時(shí)還能起到過(guò)濾海水、改善生態(tài)環(huán)境的目的。另外沙灘修復(fù)整治對(duì)拓展或改善沿海居民的親?？臻g也大有益處。以下結(jié)合洞頭區(qū)東岙灣沙灘修復(fù)工程，簡(jiǎn)述沙灘修復(fù)設(shè)計(jì)，為今后類(lèi)似沙灘修復(fù)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)提供參考。

2 沙灘修復(fù)設(shè)計(jì)

2.1 工程概況

2.1.1 設(shè)計(jì)潮位及波浪

溫州市洞頭區(qū)東岙灣沙灘修復(fù)工程位于溫州市洞頭區(qū)洞頭本島東南側(cè)東岙灣內(nèi)。海灣直面外海，面朝SSW ～ SW方向，外無(wú)建筑物遮擋，受潮位、波浪影響比較大。工程區(qū)主要受SW和SE向波浪，臺(tái)風(fēng)期間波浪方向主要為偏東和偏北方向。工程區(qū)設(shè)計(jì)潮位及波浪要素成果分別見(jiàn)表1 ～ 2。

表1 工程區(qū)各設(shè)計(jì)頻率潮位表 m

工程點(diǎn)多年平均高潮位2.31 m（1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，下同），多年平均低潮位-1.80 m，多年平均潮位0.25 m；大潮平均高潮位3.13 m，大潮平均低潮位-2.70 m。

2.1.2 泥 沙

洞頭島附近海域懸沙主要來(lái)自甌江徑流泄沙入海，陸域來(lái)沙量較少。甌江口距洞頭島約30 km，位于洞頭區(qū)的西北處。由于南炮臺(tái)突出尖角的屏障，甌江口下泄的泥沙輸移到洞頭島東北側(cè)較少，多年平均含沙量為0.16 kg/m3。

洞頭島附近海域含沙量冬季高于夏季，根據(jù)相關(guān)資料，冬季表層洞頭島附近泥沙量變化在0.03 ～ 0.30 kg/m3，夏季表層泥沙量變化在0.01 ～ 0.10 kg/m3，冬季含沙量高，但低含沙量范圍較小，夏季含沙量低，但低含沙量區(qū)范圍卻明顯向西北擴(kuò)展。在垂線分布上，一般隨深度的遞增，懸沙含沙量呈增加趨勢(shì)，底層明顯高于上層，冬季由于風(fēng)浪較大，垂直紊動(dòng)較強(qiáng)。大潮汛隨水動(dòng)力增強(qiáng)，懸沙粒徑相對(duì)較粗，反之，小潮則隨水動(dòng)力減弱，懸沙粒徑相對(duì)較細(xì)。

2.1.3 工程區(qū)歷史面貌、成因

工程位于洞頭本島東南側(cè)的東岙灣內(nèi)，海灣岸線平面呈“U”形。由于波能和入射角從岬角至灣頂發(fā)生了變化引起沿岸侵蝕、搬遷和堆積的變化，加上山體風(fēng)化顆粒隨降雨沿山體邊坡輸移至山腳，灣頂作為泥沙堆積場(chǎng)所，最終形成沙灘等堆積地貌。20世紀(jì)六七十年代東岙沙灘面積較大，沙粒柔軟細(xì)膩。后因長(zhǎng)期無(wú)人管理和維護(hù)、當(dāng)?shù)鼐用翊罅客谏骋约肮こ探ㄔO(shè)和排污口沖刷等，沙灘面積逐漸縮小，同時(shí)也改變了東岙所在海域的水文動(dòng)力條件，破壞了海岸帶輸沙的動(dòng)態(tài)平衡，整個(gè)沙灘的灘面形態(tài)和沉積物類(lèi)型分布相應(yīng)發(fā)生調(diào)整，粒徑較好的細(xì)沙流失，沙灘沉積物粒徑隨之增大。

表2 工程區(qū)設(shè)計(jì)波浪要素成果表

工程沙灘修復(fù)面積1.63 hm2（24.5畝）、沙灘岸線長(zhǎng)135 m（基本與海灣平行）。工程區(qū)內(nèi)2個(gè)排水涵洞在現(xiàn)有排水涵洞的基礎(chǔ)上接至沙灘岸線外。

3 工程設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容

沙灘修復(fù)工程內(nèi)容主要包括沙灘平面布置及沙灘剖面設(shè)計(jì)。

3.1.1 沙灘平面布置

人工沙灘修復(fù)時(shí)，其平面布置主要遵循以下原則：

（1）滿足工程使用要求并盡量減小對(duì)現(xiàn)狀建筑物功能及后續(xù)工程建設(shè)的影響；

（2）為盡量減小波浪條件下沙灘的泥沙損失（包括縱向輸沙和橫向輸沙），其形態(tài)應(yīng)盡可能的接近天然沙灘形態(tài)，即沙灘呈內(nèi)凹的海灣形態(tài)，不應(yīng)呈外凸形態(tài)[1]；

（3）為減少沙灘淤泥沉積，平面布置應(yīng)盡可能減少泥沙來(lái)源；

（4）工程設(shè)計(jì)應(yīng)體現(xiàn)安全性、保沙性、舒適性、美觀性以及經(jīng)濟(jì)性等；

（5）區(qū)域內(nèi)有排水口時(shí)，盡量不要布置在沙灘范圍內(nèi)，以確保沙灘整體性。

（6）沙灘修復(fù)尺度較大時(shí)，為減少沿岸輸沙，沙灘一般形成多個(gè)單元。各單元走向應(yīng)該與當(dāng)?shù)乜刂菩灾鞑ㄏ虼怪?，長(zhǎng)度與海灘總寬度比值以5 ～ 10倍為宜。

另外，一般而言，沙灘的平面形態(tài)與沿岸輸沙關(guān)系更密切，因此修復(fù)后沙灘灘面的上、下外緣線應(yīng)基本垂直于控制性波向，從而減小沿岸輸沙量。

結(jié)合上述原則設(shè)計(jì)將沙灘布置在2座斜碼頭之間，沙灘岸線基本與海灣平行呈內(nèi)凹形態(tài)。工程平面布置見(jiàn)圖1。

圖1 工程平面布置圖

3.1.2 沙灘剖面設(shè)計(jì)

3.1.2.1 沙灘剖面設(shè)計(jì)原則

人工沙灘剖面設(shè)計(jì)主要包括干灘高程、寬度、灘面坡度、鋪沙粒徑等，設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮以下因素：

（1）正常氣象條件下岸灘剖面形式（主要指岸灘坡度）。這時(shí)波浪較弱，一般不考慮岸灘侵蝕問(wèn)題，而是關(guān)注于減少灘面上的泥沙回淤，防止或減弱岸灘“泥化”現(xiàn)象的發(fā)生和發(fā)展，為此希望岸灘坡度盡量陡一些。

（2）惡劣氣象條件下波浪較強(qiáng)，首先需要考慮的是盡量減少岸灘侵蝕，也就是盡量減少岸灘剖面上離岸輸沙量，這時(shí)一般要求岸灘坡度適當(dāng)平緩，岸灘泥沙粒徑盡量粗一些。

（3）一般而言，沙質(zhì)岸灘坡度多為1/10 ～ 1/30[2]。

（4）參考常見(jiàn)天然沙灘條件，一般情況下，高潮灘至低潮灘范圍沙灘寬度以80.0 ～ 100.0 m為宜。

（5）從一般沙灘功能條件看，灘面寬度以30.0 ～ 60.0 m為宜。

3.1.2.2 平衡剖面設(shè)計(jì)

人工沙灘剖面形式設(shè)計(jì)，通常比照條件類(lèi)似的天然沙灘幾何形態(tài)，同時(shí)根據(jù)沙質(zhì)岸灘“沖淤剖面類(lèi)型”的機(jī)理和相應(yīng)的研究成果進(jìn)行。波浪作用下，近岸區(qū)泥沙運(yùn)動(dòng)的主要形式為破波區(qū)內(nèi)的沿岸輸沙（即縱向輸沙）和近岸區(qū)的向岸 — 離岸輸沙（即橫向輸沙）[3]。一般而言，沙質(zhì)海岸的岸灘剖面形態(tài)主要取決于波浪作用引起的近岸區(qū)泥沙向岸 — 離岸運(yùn)動(dòng)。理想的沙灘形態(tài)即為不沖不淤的平衡狀態(tài)（平衡剖面）。平衡剖面設(shè)計(jì)是沙灘剖面設(shè)計(jì)的一部分，其主要依據(jù)波浪對(duì)岸灘的橫向作用進(jìn)行設(shè)計(jì)。平衡剖面設(shè)計(jì)可以采用Bruun-Dean的模式，Bruun和Dean指出波控近岸平衡剖面可表達(dá)為：h(y) = Aym。式中：y為離岸線的距離（m）；h距離海岸線y處的水深（m）；A，m為經(jīng)驗(yàn)擬合常數(shù)（m應(yīng)根據(jù)工程區(qū)的水動(dòng)力條件擬合）。其中：A =0.067ω0.44，ω = 14D1.1，ω為沙粒沉降速度（cm/s）；D 為沙粒的平均直徑（mm）。

利用上式對(duì)東岙灣現(xiàn)狀剖面進(jìn)行擬合分析，確定D = 0.3 mm時(shí)，m的值約為0.87，剖面坡度約為1∶15。

3.1.2.3 沙灘剖面確定

（1）沙灘高程。沙灘高程直接關(guān)系到沙灘的使用效率，由于沙灘直面外海，受外海潮位的影響大，為保證沙灘有相當(dāng)?shù)某雎稌r(shí)間，沙灘頂高程一般設(shè)置在大潮平均高潮位附近，結(jié)合沙灘內(nèi)側(cè)擋墻高程4.00 ～ 5.70 m，綜合考慮經(jīng)濟(jì)、功能、景觀等因素，確定干灘頂高3.50 ～ 4.00 m。

（2）沙灘寬度。沙灘寬度主要取決于灘面形態(tài)、拋沙粒徑、波浪條件、計(jì)劃回填沙量等，綜合以上因素確定沙灘寬40.0 m。

（3）沙灘粒徑。人們根據(jù)大量現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)成果和實(shí)驗(yàn)室資料，總結(jié)出天然條件下泥沙粒徑與岸灘坡度見(jiàn)表3。

表3 天然海灘灘面坡度與泥沙粒徑之間關(guān)系表

綜合考慮旅游對(duì)沙灘舒適性、景觀性等的要求，以及與天然沙灘的協(xié)調(diào)性，確定沙灘粒徑為0.300 mm以上粗砂，其中0.500 mm以上不得小于50%，含泥量不得大于5%。在滿足沙灘正常使用的前提下，考慮其經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)將沙灘分層填筑：面沙采用上述粗沙，厚度不小于1.00 m，底沙采用細(xì)沙，粒徑0.075 ～ 0.250 mm，含泥量不得大于10%。

（4）沙灘坡度?；谶x定的沙灘粒徑、工程區(qū)波浪條件以及平衡剖面原理，最終確定灘面坡度為1∶10。

4 實(shí)施效果

工程于2016年12月開(kāi)工，2017年5月完工。修復(fù)這片沙灘后赤潮明顯減少、海水變清、沙灘又回到最初的模樣。工程實(shí)施前后東岙灣現(xiàn)狀見(jiàn)圖2 ～ 3。

圖2 沙灘修復(fù)前東岙灣現(xiàn)狀圖

圖3 沙灘修復(fù)后東岙灣現(xiàn)狀圖

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)東岙灣沙灘修復(fù)工程的成功實(shí)施，對(duì)沙灘修復(fù)得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

（1）平面布置上：①應(yīng)詳細(xì)了解工程區(qū)歷史、現(xiàn)狀面貌及成因；②以盡量減少對(duì)工程區(qū)現(xiàn)有建筑物功能的影響為前提；③盡量減小波浪條件下沙灘的泥沙損失（包括縱向輸沙和橫向輸沙），其形態(tài)應(yīng)盡可能的接近天然沙灘形態(tài)；④減少沙灘淤泥沉積，防止沙灘泥化，平面布置應(yīng)盡可能減少泥沙來(lái)源；⑤區(qū)域內(nèi)有排水口時(shí)，盡量不要布置在沙灘范圍內(nèi)，以確保沙灘整體性、安全性；⑥盡量對(duì)修復(fù)后的沙灘采用數(shù)學(xué)物理模型進(jìn)行模擬[4]，以確保設(shè)計(jì)的合理性。

（2）剖面設(shè)計(jì)上：①干灘段應(yīng)盡量高而寬，一方面利于消浪以維護(hù)沙灘穩(wěn)定，另一方面可確保足夠的出露時(shí)間供游玩使用；②灘面坡度主要受沙灘粒徑、波浪等因素影響，沙灘粒徑既應(yīng)考慮旅游沙灘對(duì)舒適度的要求，又要考慮與天然沙的協(xié)調(diào)性（現(xiàn)有沙灘剖面一般較接近平衡剖面），應(yīng)盡量使得設(shè)計(jì)的沙灘剖面與平衡剖面相一致，即整體不侵不淤；③對(duì)于涂面較深的情況，沙灘最好分層填筑，既不會(huì)影響沙灘形態(tài)、使用又節(jié)約了造價(jià)。

（3）鋪設(shè)沙料控制：在不影響沙灘景觀及使用的前提下，為降低造價(jià)，鋪設(shè)沙料采用分層控制，面沙采用粗沙（厚度不小于1.00 m），底沙采用細(xì)沙；在沙灘粒徑的選擇上，充分考慮結(jié)構(gòu)與功能因素，在確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，打破傳統(tǒng)細(xì)度模數(shù)作為沙子選擇標(biāo)準(zhǔn)，而采用粒徑區(qū)間使得選擇的沙子均勻性更好，更符合旅游的景觀性及舒適性，與沙灘修復(fù)的初衷保持一致。

（4）監(jiān)測(cè)與養(yǎng)護(hù)：沙灘修復(fù)后應(yīng)設(shè)置必要的監(jiān)測(cè)設(shè)備[5]，以了解沙灘動(dòng)態(tài)，為后續(xù)沙灘養(yǎng)護(hù)及類(lèi)似沙灘設(shè)計(jì)的持續(xù)改進(jìn)提供數(shù)據(jù)支撐。另外，由于沙灘在使用過(guò)程中可能遭遇各種氣象條件，可能發(fā)生泥化、侵蝕[6]等問(wèn)題，因此設(shè)計(jì)應(yīng)考慮沙灘修復(fù)后的養(yǎng)護(hù)問(wèn)題，采取必要的補(bǔ)水、洗沙、補(bǔ)沙等措施，以確保沙灘的正常使用。