浙江省花岙沙灘修復(fù)工程設(shè)計(jì)

李來(lái)武，劉 旭，姚文偉

（浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020）

1 問(wèn)題的提出

海岸線具有重要的生態(tài)功能和資源價(jià)值，關(guān)系到國(guó)家海洋生態(tài)安全、海洋經(jīng)濟(jì)綠色發(fā)展和沿海地區(qū)人民的生活品質(zhì)。近年來(lái)，隨著我國(guó)海洋經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，海岸線的生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作日趨嚴(yán)峻，整治修復(fù)受損的海岸線，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益與生態(tài)效益相統(tǒng)一是急需解決的問(wèn)題。浙江省是海洋大省，海岸線總長(zhǎng)度6 600 km，沿岸大多屬淤泥質(zhì)海岸，相比之下沙灘資源極其寶貴，保護(hù)和修復(fù)受損沙灘的工作就顯得更加重要。

我國(guó)沙灘修復(fù)工作主要是在21世紀(jì)初開(kāi)始的，相比之下，國(guó)外沙灘修復(fù)實(shí)施的起點(diǎn)比較早，最早始于美國(guó)紐約市1922年的柯尼島公共岸灘計(jì)劃，歐洲各國(guó)于20世紀(jì)50年代開(kāi)始興起海灘養(yǎng)護(hù)。我國(guó)以1990年香港南岸淺水灣的填沙護(hù)灘為最早實(shí)踐，以后相繼開(kāi)展北戴河西海灘沙灘養(yǎng)護(hù)、廈門(mén)香山 — 長(zhǎng)尾礁海灘養(yǎng)護(hù)、廈門(mén)會(huì)展中心岸段人造沙灘、大連星海灣沙灘養(yǎng)護(hù)工程、天津港東疆和上海金山灣人工沙灘等工程。近年來(lái)，浙江省也相繼開(kāi)展了象山縣下沙和大岙、臨海白沙灣人工沙灘等工程，這些工程均以提升海灘品位、促進(jìn)旅游發(fā)展、改善海岸環(huán)境為目的。

2 工程概況

花岙島位于三門(mén)灣口東側(cè)，隸屬于寧波市象山縣，項(xiàng)目地理位置見(jiàn)圖1。工程區(qū)位于花岙島的南側(cè)，背靠人工岸線，兩側(cè)為山體，灘涂表面歷史上為沙灘，但由于近年來(lái)人類(lèi)活動(dòng)影響和自然淤積導(dǎo)致沙灘退化消失，岸灘受損嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境遭到破壞（見(jiàn)圖2 ～ 3）。為復(fù)原海島原有的自然風(fēng)貌，修復(fù)受損的生態(tài)系統(tǒng)，恢復(fù)退化的生態(tài)功能，深化美麗海島，打造藍(lán)色海洋經(jīng)濟(jì)，提升海岸生態(tài)環(huán)境，需要對(duì)受損退化的沙灘進(jìn)行修復(fù)，該項(xiàng)目已經(jīng)列入國(guó)家“藍(lán)色海灣”工程。

圖1 項(xiàng)目地理位置圖

圖2 花岙沙灘修復(fù)工程區(qū)現(xiàn)場(chǎng)圖

圖3 沙灘退化后的表層泥化現(xiàn)象圖

2.1 水動(dòng)力特征

三門(mén)灣潮波以外海傳入潮波引起的脅迫振動(dòng)為主，潮波形態(tài)為駐波，潮汐性質(zhì)屬正規(guī)半日潮。而花岙灣內(nèi)由于受地形影響，淺海分潮影響較大，卻具有非正規(guī)半日淺海潮性質(zhì)。實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)平均潮位0.25 m，平均高潮位2.36 m，平均低潮位- 1.77 m，平均大潮高潮位2.94 m，平均大潮低潮位- 2.29 m。花岙島灣口外側(cè)的實(shí)測(cè)最大漲潮流速極值為1.76 m/s，最大落潮流速極值為1.17 m/s。灣內(nèi)流速較弱，基本在0.40 m/s以下。實(shí)測(cè)測(cè)點(diǎn)含沙量介于0.070 ～ 1.794 kg/m3，垂線平均含沙量介于0.239 ～ 0.983 kg/m3。

三門(mén)灣伸入陸域，由于山體和島嶼阻擋作用，除臺(tái)風(fēng)和寒潮侵襲期外，波浪作用較小。項(xiàng)目所在海域由北向至東向受陸岸和高塘島、南田島等島嶼屏蔽，波浪難以傳入。東南向和南向無(wú)大的島嶼阻擋，屬開(kāi)敞海區(qū)，外?；旌侠艘子趥魅??；ㄡ畭u附近實(shí)測(cè)年有效波高多集中在1.50 m以?xún)?nèi)，以0.50 ～ 1.00 m范圍居多。全年有效波高多集中在N ～ E向，NE向占最大比例，為16.0%，其次為NNE向，所占比例為13.0%。對(duì)工程區(qū)有影響的W ～ SW浪向風(fēng)區(qū)較短，很難形成1.50 m以上的大浪。

2.2 工程場(chǎng)區(qū)建設(shè)條件

沙灘修復(fù)工程區(qū)灘面寬度為500 ～ 700 m，沉積物以海積物為主，表面多為浮泥，近岸局部存有少量灰黃色粉細(xì)砂，兩側(cè)海岸以基巖為主，海蝕作用較強(qiáng)烈。

2.2.1 地質(zhì)概況

工程建設(shè)海區(qū)主要地質(zhì)土層為：①浮泥層，灰黃色，流塑，厚層狀，表面可見(jiàn)少量貝殼碎屑，物理力學(xué)性質(zhì)及差；②細(xì)砂層，灰 ～ 灰綠色，稍密，飽和，厚層狀，見(jiàn)少量貝殼碎屑、云母薄片等；③礫砂層，灰黃色，稍密，飽和，厚層狀，見(jiàn)大量貝殼碎屑，砂質(zhì)不均勻，局部以粗砂為主；④粉砂層，淺灰綠色，中密，飽和，厚層狀，含少量云母薄片，局部粘性土含量較高；⑤粉質(zhì)黏土夾粉砂層，灰色，軟塑，厚層狀，夾粉砂及中粗砂薄層，薄厚分布不均。

2.2.2 浮泥分布特征

現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)結(jié)果顯示，工程場(chǎng)地范圍內(nèi)的表層為浮泥，厚度0.15 ～ 0.50 m，而工程區(qū)外海側(cè)浮泥分布厚度更是達(dá)到0.50 m以上，該層浮泥物理力學(xué)性質(zhì)極差，呈流塑狀態(tài)，人行下陷，在波浪和潮流作用下，對(duì)沙灘修復(fù)工程的泥化影響很大。調(diào)查表明，歷史上三門(mén)灣一直處于緩慢的淤積過(guò)程，由于花岙沙灘表面平緩，坡度不足1%，20世紀(jì)80年代初，工程區(qū)域沙灘表層就存在泥化現(xiàn)象，近年來(lái)，隨著三門(mén)灣海域圍墾工程的實(shí)施，加快了三門(mén)灣河床整體抬高趨勢(shì)，工程所屬海灣也呈明顯淤積狀態(tài)，致使工程區(qū)沙灘加快泥化，被流泥覆蓋。

2.2.3 沙質(zhì)特性

為研究原沙灘的沙質(zhì)特性及分布規(guī)律，在工程區(qū)布置了7個(gè)斷面，共采集到33個(gè)點(diǎn)位的樣本，剝離表層浮泥針對(duì)下層細(xì)沙取樣分析，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果說(shuō)明，修復(fù)工程所在的花岙灣，現(xiàn)存自然狀態(tài)下的沙質(zhì)粒徑由岸向外呈變細(xì)趨勢(shì)，波浪分選特征顯著，中值粒徑范圍在0.248 ～ 0.140 mm，平均值為0.194 mm。工程修復(fù)區(qū)中線代表性的點(diǎn)位沙樣級(jí)配分析結(jié)果見(jiàn)圖4，中值粒徑均在0.170 mm以上。

圖4 代表性點(diǎn)位沙樣級(jí)配分析結(jié)果圖

3 工程設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)考慮的因素

沙灘修復(fù)工程設(shè)計(jì)需綜合考慮修復(fù)區(qū)的水動(dòng)力條件，特別是在常態(tài)和極端海況下沙灘的穩(wěn)定性，并盡量利用現(xiàn)有的地形條件，使修復(fù)后的沙灘適應(yīng)當(dāng)?shù)氐乃畡?dòng)力條件，避免修復(fù)工程完成后沙體流失與泥化，在滿(mǎn)足景觀效果和使用要求的前提下，盡量減少工程投資和方便施工，設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮的因素如下：

（1）沙灘的平面形態(tài)應(yīng)符合當(dāng)?shù)厣碁┐嬖诘目陀^規(guī)律，適應(yīng)當(dāng)?shù)厮畡?dòng)力條件，保持修復(fù)后的沙灘具有良好的形態(tài)；

（2）為減少修復(fù)后沙灘的沿岸輸移，便于沙灘維護(hù)和穩(wěn)定，沙灘外坡腳線應(yīng)控制在沿岸流相對(duì)較弱的屏蔽區(qū)內(nèi)；

（3）沙灘斷面應(yīng)與近岸波浪強(qiáng)度、近岸泥沙落淤特性相互適應(yīng)，避免未來(lái)沙灘表面出現(xiàn)泥化；

（4）沙灘在功能定位和建設(shè)規(guī)模上，應(yīng)與后方岸線利用規(guī)劃相互協(xié)調(diào)，符合當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)規(guī)劃，并應(yīng)符合海洋功能區(qū)劃；

（5）修復(fù)后的沙灘應(yīng)與周邊建筑相互協(xié)調(diào)，與海洋景觀相結(jié)合，有利于修復(fù)工程的總體效果。

3.2 設(shè)計(jì)方案

基于上述考慮，結(jié)合本項(xiàng)目工程區(qū)地形和實(shí)施條件，花岙沙灘修復(fù)工程主要考慮2個(gè)建設(shè)方案（見(jiàn)圖5），2個(gè)方案灘肩外緣線高程均取為4.0 m，干灘坡度1:30。方案1灘面坡度1:20，沙灘總寬度106.0 m左右，平均鋪沙厚度2.1 m。方案2灘面坡度1:15，沙灘總寬度95.0 m左右，平均鋪沙厚度2.3 m。

根據(jù)前述對(duì)原沙灘沙質(zhì)特性分析和工程區(qū)波浪條件，鋪沙材料選取中值粒徑不小于0.30 mm的中沙。鋪沙施工前需對(duì)工程區(qū)表層浮泥進(jìn)行清除，避免鋪沙后產(chǎn)生擠浮和沙灘直接泥化。

圖5 沙灘修復(fù)工程建設(shè)方案圖

3.3 數(shù)學(xué)模型計(jì)算比選

波浪是塑造沙灘形態(tài)的主要因素，也是引起岸線變化的重要原因。為研究修復(fù)沙灘的穩(wěn)定形態(tài)，預(yù)測(cè)沙灘修復(fù)后的岸線變化，采用數(shù)值模擬計(jì)算方法，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比選，沙灘演變預(yù)測(cè)模型由荷蘭Delft理工大學(xué)和Deltares Institute（Delft三角洲研究中心）聯(lián)合開(kāi)發(fā)的海岸動(dòng)力模型XBeach，該模型主要用于模擬海岸線演變、海床演變和泥沙輸運(yùn)等海岸動(dòng)力學(xué)過(guò)程，其控制方程主要包括波浪運(yùn)動(dòng)方程、淺水方程和泥沙輸運(yùn)方程。

3.3.1 常規(guī)海況條件下計(jì)算

3.3.1.1 模型計(jì)算條件

常規(guī)海況水位條件采用潮流模型計(jì)算得到的花岙島岙口潮位過(guò)程，波浪入射條件采用波浪模型計(jì)算得到的最不利SW向浪作為控制波向。

3.3.1.2 沖淤計(jì)算結(jié)果

常規(guī)海況條件下2個(gè)方案的沖淤計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6 ～ 7。

圖6 常規(guī)海況條件下方案1計(jì)算結(jié)果圖

圖7 常規(guī)海況條件下方案2計(jì)算結(jié)果圖

由圖6可見(jiàn)，方案1在常規(guī)海況條件作用下，潮位和波浪難以到達(dá)灘肩以上，即使在大潮高潮位期間波浪爬高到灘肩以上，也不會(huì)造成干灘的侵蝕，但在高程2.0 ～ 3.0 m（即平均高潮位與平均大潮高潮位），灘面沙質(zhì)被波浪搬運(yùn)到灘面坡腳及以外的海域，其中大部分沙質(zhì)在灘面坡腳位置落淤，灘面沖刷厚度在0.20 m以?xún)?nèi)，沙灘坡腳淤積厚度在0.10 ～ 0.35 m，且西側(cè)略高于東側(cè)。

方案2在常規(guī)海況條件作用下，灘面沖淤情況與方案1基本類(lèi)似，沖淤量值比方案1略小，但從沙質(zhì)落淤形態(tài)情況可以看出，方案2東側(cè)的沙質(zhì)則落淤在坡腳線以外，形成一個(gè)與方案1鋪沙坡腳線接近的形態(tài)，因此，方案1的鋪沙方案更接近當(dāng)前動(dòng)力條件下的沙灘動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。

3.3.2 極端海況條件下的計(jì)算

3.3.2.1 模型計(jì)算條件

極端海況水位條件選取風(fēng)暴潮模型計(jì)算得到的50 a一遇臺(tái)風(fēng)影響下，花岙島岙口增水的一次風(fēng)暴潮潮位過(guò)程，波浪入射條件采用臺(tái)風(fēng)浪模型計(jì)算得到的50 a一遇臺(tái)風(fēng)影響下，花岙島岙口最大有效波高，波向從不利角度考慮取SW向。

3.3.2.2 沖淤計(jì)算結(jié)果

極端海況條件下2個(gè)方案的沖淤計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖8 ～ 9。

圖8 極端海況條件下方案1計(jì)算結(jié)果圖

圖9 極端海況條件下方案2計(jì)算結(jié)果圖

由圖8可見(jiàn)，方案1極端海況條件作用時(shí)在高潮位加大浪的情況下，灘肩以上的沙質(zhì)被波浪淘刷懸浮，落潮時(shí)被搬運(yùn)到灘面沉降下來(lái)，從而形成干灘侵蝕、灘面淤積的現(xiàn)象。從分布上看，沙灘西側(cè)有山體造成波浪反射，侵蝕幅度較大，最大在0.50 m左右，中部及東側(cè)侵蝕程度較小，在0.10 ～ 0.25 m。沙灘中部灘面淤積量最大，可達(dá)0.35 m。從波浪搬運(yùn)泥沙的情況看，沙灘東側(cè)沖淤幅度相當(dāng)，灘肩以上的沙質(zhì)被搬運(yùn)到灘面。沙灘西側(cè)沖多淤少，中部沖少淤多，可見(jiàn)是西側(cè)的沙質(zhì)被波浪淘刷懸浮，而后隨水流運(yùn)動(dòng)到沙灘中部落淤。

方案2在極端海況條件作用下，沙灘中部及西側(cè)沖淤情況與方案1類(lèi)似，東側(cè)由于灘肩較窄，干灘部分侵蝕深度較大，最大可達(dá)0.35 m。沙灘東側(cè)灘面下部也出現(xiàn)了沖刷，這是由于波浪在干灘后方反射，造成局部沖刷。

極端海況作用下2個(gè)方案的沙質(zhì)都是在鋪沙范圍搬運(yùn)輸移，并沒(méi)有被帶到沙灘外部海域，2個(gè)方案均能較好地抵御高潮位時(shí)大浪的侵襲，但是在極端海況造成沙灘沖淤變化后，常規(guī)的波浪和潮流難以再將灘面淤積的沙質(zhì)推回灘肩以上，在后續(xù)的漲落潮過(guò)程中，將沙質(zhì)帶向外部海域，需要采用人工維護(hù)的方法將沙質(zhì)推回到干灘。

3.3.3 設(shè)計(jì)方案選擇

綜合以上常規(guī)海況和極端海況計(jì)算結(jié)果比選，方案1不僅與當(dāng)前水動(dòng)力適應(yīng)性好，而且能較好的抵御極端海況侵蝕，因此，設(shè)計(jì)采用了該方案。

4 結(jié) 語(yǔ)

浙江省沿岸沙灘資源稀缺，保護(hù)和修復(fù)受損的沙灘是落實(shí)國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)的重要舉措，沙灘修復(fù)的平面形態(tài)、尺度和結(jié)構(gòu)選擇，應(yīng)依據(jù)工程區(qū)水動(dòng)力條件和場(chǎng)區(qū)實(shí)施條件綜合確定，既要考慮常態(tài)波浪的作用，又要兼顧極端波浪的作用，荷蘭Delft理工大學(xué)和Deltares Institute（Delft三角洲研究中心）聯(lián)合開(kāi)發(fā)的海岸動(dòng)力模型XBeach，能較好地模擬海岸線演變、海床演變和泥沙輸運(yùn)等海岸動(dòng)力學(xué)過(guò)程，適合用于沙灘修復(fù)工程的數(shù)值模擬，可用于沙灘修復(fù)設(shè)計(jì)方案比選。