某海水浴場(chǎng)海岸侵蝕及整治方案研究

喬貫宇，李 斌

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222）

引言

海岸侵蝕是指海洋水動(dòng)力作用造成的海岸線后退和海灘的下蝕，通過采取一定的工程措施可有效避免侵蝕，維護(hù)岸灘穩(wěn)定。

1 工程背景

某海水浴場(chǎng)平面如圖1所示，海水浴場(chǎng)沙灘呈東西向布置，面向北向。海灣北向原為完全開敞，后由于其西北側(cè)中心漁港防波堤的建設(shè)，改變了沙灘沿岸水動(dòng)力條件，打破了原有輸沙平衡，海水浴場(chǎng)沙灘侵蝕嚴(yán)重，浴場(chǎng)灘面縮窄，破壞了海水浴場(chǎng)沙灘的原始風(fēng)貌，嚴(yán)重削弱海岸防護(hù)功能。另外，浴場(chǎng)泥沙總體呈現(xiàn)向漁港搬運(yùn)的趨勢(shì)，漁港泥沙淤積嚴(yán)重。海灣內(nèi)不同位置2010—2017年的水下地形沖淤變化如圖2所示，沙灘東側(cè)區(qū)域的岸灘和海床侵蝕比較明顯，侵蝕幅度在0.5 m以上，最大侵蝕點(diǎn)為主波浪的頂沖點(diǎn)，最大達(dá)4 m以上。沖刷區(qū)主要分布在-5 m等深線以內(nèi)，外側(cè)基本沖淤平衡；西北側(cè)的漁港水域總體為淤積形勢(shì)，一般淤積在1 m左右，最大淤積達(dá)到3 m左右。

圖1 某海水浴場(chǎng)形勢(shì)

圖2 水下地形沖淤變化（2010—2017年）

2 沙灘沖刷侵蝕分析

在相對(duì)穩(wěn)定的動(dòng)力環(huán)境下，海灘各個(gè)部分相互協(xié)調(diào)組成了一個(gè)動(dòng)態(tài)的沙量平衡體系。影響岸灘侵蝕的因素可以分為自然因素和人為因素。

2.1 自然因素

本地區(qū)夏季容易受到北上臺(tái)風(fēng)影響，秋冬季容易受到北方強(qiáng)冷空氣影響，盛行NNW和N向風(fēng)，風(fēng)速較大。年均約有1.1次臺(tái)風(fēng)，3.2次寒潮過境。大浪作用是泥沙離岸流失的主要因素，也是海灘沖刷的主要?jiǎng)恿υ?。沙灘海域泥沙來源非常有限，僅有部分岸灘侵蝕供沙，在波流動(dòng)力作用下產(chǎn)生的侵蝕很難得到有效的泥沙補(bǔ)給。

2.2 人為因素

中心漁港防波堤建設(shè)后，使得海灣水域的波浪動(dòng)力條件發(fā)生了改變，處于掩護(hù)水域的漁港波浪動(dòng)力明顯減弱，而沙灘水域波浪動(dòng)力則有所增強(qiáng)，從而使得沙灘處的泥沙起動(dòng)并往波能減弱水域運(yùn)移，造成沙灘沖蝕而漁港淤積。

3 防護(hù)方案比選論證

通過對(duì)侵蝕原因的分析，提出了多個(gè)防護(hù)方案。首先對(duì)現(xiàn)狀進(jìn)行波浪數(shù)學(xué)模型計(jì)算，然后提出多個(gè)防護(hù)方案進(jìn)行數(shù)模計(jì)算，提煉出三個(gè)推薦方案，最后針對(duì)推薦方案進(jìn)行不同頂高程的泥沙物理模型試驗(yàn)，最終得到多個(gè)方案的防護(hù)效果。

3.1 現(xiàn)狀波浪場(chǎng)數(shù)模計(jì)算

應(yīng)用MIKE 21 BW模型，進(jìn)行港內(nèi)NNW向、N向和NNE向波浪計(jì)算。根據(jù)結(jié)果，對(duì)港內(nèi)水域影響較大的波浪主要來自N向，其次為NNE向、NNW向。年平均波浪作用時(shí)，港內(nèi)有效波高大多在1.2 m以下，近岸局部在1.4 m以下，水深在-1.0 m左右的泥沙將發(fā)生起動(dòng)。風(fēng)暴潮大浪作用時(shí)，港內(nèi)有效波高大多在 4.0 m以下，水深在-5.0 m以內(nèi)的泥沙將發(fā)生起動(dòng)。

圖3 港區(qū)平均潮位N向有效波高分布

3.2 比選方案波浪數(shù)模計(jì)算

針對(duì)造成泥沙起動(dòng)的原因，提出5個(gè)防波堤建設(shè)方案，對(duì)灣內(nèi)進(jìn)行掩護(hù)（圖4）。方 案1為垂直N向離岸堤方案，分別做了堤長(zhǎng)900 m時(shí)，堤間距150 m/200 m/300 m/500 m；堤間距200m時(shí)，堤長(zhǎng)1 180 m/800 m/700 m/600 m/500 m/400 m的試驗(yàn)；方案2為垂直NNW向離岸堤方案，分別做了堤長(zhǎng) 900 m，堤間距 150 m/200 m/300 m/500 m的試驗(yàn)；方案3為接岸堤順延方案，分別做了堤長(zhǎng)500 m/400 m/300 m的試驗(yàn)；方案4為接岸堤斜接方案，分別做了堤長(zhǎng) 728 m/781 m/855 m/946 m的試驗(yàn)；方案5為環(huán)抱式方案。各方案比選見表1。

圖4 防波堤建設(shè)方案示意

根據(jù)數(shù)模計(jì)算結(jié)果，方案1，隨著離岸堤離與現(xiàn)有防波堤距離增大，從他們之間穿越進(jìn)入港內(nèi)的波能也逐漸增大，各方案港內(nèi)比波高大多在0.3以下；堤長(zhǎng)減小對(duì)外海來浪的遮擋作用越弱，港內(nèi)波能逐漸增大。

方案2，隨著離岸堤與現(xiàn)有防波堤的距離增大，從他們之間穿越進(jìn)入港內(nèi)的波能也逐漸增大。與垂直N向的方案相比，因其右側(cè)堤頭與陸地之間的水域增大，對(duì)N向和NNE向外海來浪的掩護(hù)作用明顯減弱，港內(nèi)波浪比前一方案有所增大。

接岸堤順延方案和接岸堤斜接方案中，隨著延伸的堤長(zhǎng)縮短，港內(nèi)波能也逐漸增大。該兩組方案對(duì)NNW向和N向浪掩護(hù)效果較好，但NNE向浪仍有較大波能傳播至港內(nèi)水域，對(duì)研究的岸灘中西側(cè)水域影響較大。

環(huán)抱式方案對(duì)NNE向和N向浪掩護(hù)效果較好，NNW向浪有部分波能可傳播至港內(nèi)水域，對(duì)研究的岸灘中東側(cè)水域影響略大，總的來看該組方案下港內(nèi)波浪的掩護(hù)條件較好。

表1 數(shù)模試驗(yàn)方案組次及方案說明

為了解各方案實(shí)施后港內(nèi)水域的波高變化，在沿岸灘-1 m和-3 m等深線處分別布置了6個(gè)測(cè)點(diǎn)（圖5），通過計(jì)算得到在風(fēng)暴潮加平均高潮位大浪作用下，不同方案-1 m和-3 m等深線處最大波要素。

根據(jù)以上波浪數(shù)模試驗(yàn)計(jì)算研究，考慮方案實(shí)施后的掩護(hù)效果，以及漁港運(yùn)營(yíng)的通航需求等因素，推薦方案1-2、方案4-2和方案5，作為進(jìn)一步研究的推薦方案。

圖5 港內(nèi)波浪計(jì)算測(cè)點(diǎn)布置

3.3 數(shù)模推薦方案潮流和水體交換數(shù)模計(jì)算

對(duì)波浪數(shù)模推薦的三個(gè)方案，為防止工程建設(shè)后灣內(nèi)水質(zhì)變差，還進(jìn)行了潮流和水體交換的數(shù)值模擬計(jì)算。

方案建設(shè)后，從整體流態(tài)角度看，并未改變當(dāng)?shù)睾Ｓ虻恼w潮流運(yùn)動(dòng)特征，外海主流向仍為W～E。然而由于防波堤的建設(shè)，改變了局部岸線的形態(tài)，致使方案實(shí)施后工程局部流場(chǎng)有所變化。在新建防波堤附近，在漲、落潮時(shí)刻均存在明顯的沿堤流動(dòng)，方案4-2中，在新建防波堤與原有防波堤附近，漲急時(shí)刻形成了逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的回流，流速大小在0.1～0.3 m/s之間。

方案1-2中，新老防波堤未相連，在灣口附近，進(jìn)入灣內(nèi)的水體反而增加，導(dǎo)致灣內(nèi)流速相比之前有一定程度增大，回流區(qū)域仍位于灣內(nèi)。方案4-2中，新老防波堤相連，進(jìn)入灣內(nèi)的水體會(huì)有一定程度減小，灣內(nèi)流速相比之前有一定程度減小，回流區(qū)域有向?yàn)惩庖苿?dòng)的趨勢(shì)。方案5中，新建防波堤與灣口東側(cè)岸線相接，進(jìn)入灣內(nèi)的水量會(huì)有一定程度減小，灣內(nèi)流速相比之前有一定程度減小，在堤頭處受建筑物挑流影響，流速會(huì)增大。根據(jù)PIANC規(guī)程，各方案水體交換不同時(shí)間后的交換率見表2。

從水體交換情況看，三個(gè)方案均能保證中心漁港內(nèi)充足的水體交換，并無明顯優(yōu)劣之分。

表2 各方案不同交換時(shí)間的水體交換率

3.4 推薦方案的泥沙物理模型試驗(yàn)

為滿足沙灘修復(fù)的要求，我們又進(jìn)行了泥沙動(dòng)床物理模型試驗(yàn)。沙灘鋪設(shè)形式見圖6，參數(shù)如下：

1）沙灘平面線形根據(jù)現(xiàn)有岸線自然彎曲；

2）沙灘寬度鋪設(shè)為150 m，長(zhǎng)度約為1 000 m；

3）頂高程設(shè)為4.0 m，并按照1:20的坡度直線順延至自然海底。

按照這種方式，總的鋪沙量約為20.4萬m3。

根據(jù)波浪數(shù)模推薦的三個(gè)方案，進(jìn)行了泥沙動(dòng)床波浪物理模型試驗(yàn)，根據(jù)不同堤頂高程又分別提出了不同方案，方案組次見表3，平面布置見圖7～圖9。

根據(jù)物理模型試驗(yàn)結(jié)果，各方案在波浪作用3年后的侵蝕和沖刷情況如下：

現(xiàn)狀方案，沙灘的形態(tài)和趨勢(shì)與2017年現(xiàn)狀下很相似，沙灘150 m寬度全部受侵蝕，中部發(fā)生明顯淘刷，沖刷嚴(yán)重局部段達(dá)3.1 m。東西兩端侵蝕強(qiáng)度有減弱，東側(cè)受人工突堤的掩護(hù)，岸灘基本不發(fā)生明顯侵蝕。

方案1-1中，沙灘的形態(tài)和趨勢(shì)與現(xiàn)狀下較相似，侵蝕程度有所減弱，但由于沙灘淘刷主要發(fā)生在風(fēng)暴潮水位下，而該水位下波高沒有明顯減弱，因此沙灘總的情況沒有發(fā)生明顯改善，沖刷嚴(yán)重局部段達(dá)2.6 m。方案1-2中，侵蝕程度較方案1-1又有所減弱，沖刷嚴(yán)重局部段為1.1 m。

方案2-1中，侵蝕程度較方案1-2又有微弱的減弱，沖刷嚴(yán)重局部段為0.9 m。方案2-2中，侵蝕程度較方案2-1大幅減弱，沙灘150 m寬度中僅有不到20 m受到侵蝕，沖刷嚴(yán)重局部段不到0.3 m。方案2-3中，侵蝕程度較方案2-2有所增加，但總量不大，沙灘有不到60 m受到侵蝕，沖刷嚴(yán)重局部段不到0.8 m。

方案3中，侵蝕程度與方案2-3也基本相似，但總量略偏大。沙灘150 m寬度中僅有不到60 m受到侵蝕，沖刷嚴(yán)重局部段不到0.7 m。各方案的沙灘損失量見表4。

表3 物模試驗(yàn)方案組次

圖7 垂直N向離岸堤方案示意

圖8 接岸堤斜接方案示意

圖9 環(huán)抱式方案示意

表4 不同方案沙灘損失量統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)語

本文針對(duì)某海水浴場(chǎng)海岸侵蝕和沙灘流失的問題，首先進(jìn)行侵蝕原因分析，認(rèn)為中心漁港防波堤的建設(shè)使海灘水域的波浪動(dòng)力條件發(fā)生改變是侵蝕的主要原因，為保證岸灘泥沙避免因大浪作用而發(fā)生明顯起動(dòng)，提出多個(gè)整治方案進(jìn)行波浪數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)研究，提出三個(gè)推薦的防波堤布置方案，又針對(duì)這三個(gè)方案進(jìn)行了不同防波堤頂高程的泥沙動(dòng)床物理模型試驗(yàn)。

從泥沙流失總量看，物理模型試驗(yàn)中的方案2-2接岸堤斜接方案（頂高8.5 m）是最優(yōu)方案。建設(shè)單位和設(shè)計(jì)單位可根據(jù)各方案的試驗(yàn)結(jié)果和水域使用要求，以及工程造價(jià)和施工的可行性等，確定最終的整治方案。