象山縣下沙和大岙沙灘修復工程設(shè)計研究與實施效果

李來武，黃世昌，姚文偉，劉 勇

（浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020）

1 問題的提出

海岸是人類生存的重要資源，從可持續(xù)經(jīng)濟發(fā)展的角度出發(fā)，生態(tài)環(huán)保的海岸，對人類社會的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。沿岸沙灘由于具有獨特的觀賞、休閑和浴場功能，獲得社會的普遍認可。目前，我國沙灘修復工程并不多見，較早開展研究的有上海、連云港和福建等地沙灘修復工程，沙灘修復研究工作仍處在探索層面，研究思路和設(shè)計方法也需要不斷完善和總結(jié)。

2 工程背景

2.1 工程位置

象山縣下沙和大岙沙灘修復工程位于寧波市象山縣爵溪街道東側(cè)海岸線上[1]，工程東側(cè)海域為大目洋，西側(cè)緊鄰爵溪街道，外海側(cè)有羊背山為天然屏障，地理位置見圖1。工程由2 個小海灣構(gòu)成，分別為下沙海灣和大岙海灣。下沙海灣西側(cè)為牛倉咀，東側(cè)為磨石礁，沿岸平均長度580 m，自然灣深400 m。大岙海灣西側(cè)為磨石礁，東側(cè)為岙嶺，沿岸平均長度510 m，自然灣深260 m。下沙海灣與大岙海灣隔磨石礁磯頭相鄰，工程區(qū)地形見圖2。

圖1 工程地理位置圖

圖2 工程區(qū)地形圖

2.2 水動力條件

工程區(qū)潮汐性質(zhì)屬非正規(guī)半日淺海潮類型[2]，根據(jù)實測資料統(tǒng)計，多年平均最高潮位3.29 m，多年平均大潮高潮位2.19 m，多年平均高潮位1.86 m，多年平均潮位0.33 m，多年平均低潮位-1.18 m。工程區(qū)近岸水域潮流總體上呈往復流運動特征，外側(cè)水域潮流受近岸地形和外海潮流的共同影響，往復流和旋轉(zhuǎn)流兼而有之。實測資料統(tǒng)計全潮垂線平均含沙量0.430 ～ 0.651 kg/m3，懸沙的中值粒徑0.002 ～ 0.006 mm。工程區(qū)波浪為風浪和涌浪的混合型，出現(xiàn)頻率基本相等，風浪常浪向為NE，涌浪常浪向為E。強浪向為E 和ESE，大浪集中在秋季的臺風期和冬季的寒潮期間，實測最大波高2.30 m，各月平均波高0.20 ～ 0.50 m，平均周期 6.8 ～ 7.5 s。

2.3 工程地質(zhì)條件

2.3.1 土層地質(zhì)

地層地質(zhì)分：①淤填土層，流泥，灰色，流塑，新近海相淤積土；②素填土層，灰黃色，稍濕，松散，以粉砂為主；③淤泥層，灰色，流塑，偶見貝殼碎屑及少量腐殖質(zhì)；④粉細砂層，灰黃色，局部灰色，成分以長石、石英為主，含少量云母；⑤淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，灰色，流塑，局部軟塑，局部夾有較多的粉細砂，偶見貝殼碎屑及少量腐殖質(zhì)；⑥細砂層，灰黃色，局部灰色，局部含少量黏性土；⑦粗砂層，灰白色，灰黃色，局部為粉細砂、中砂、礫砂，夾有少量角礫、碎石。

2.3.2 流泥特征

工程區(qū)表層（淤填土層）為流泥，人行下陷（見圖3 ～ 4）。下沙灣流泥分布在等深線0.00 m 以外，工程范圍內(nèi)的厚度0.20 ～ 0.60 m。大岙灣流泥分布在等深線-0.50 m 以外，工程范圍內(nèi)的厚度0.10 ～ 0.40 m，屬海相淤積。

圖3 下沙灣工程區(qū)流泥現(xiàn)場圖

圖4 大岙灣工程區(qū)流泥現(xiàn)場圖

2.4 工程地形條件

2 個海灣地形均呈內(nèi)高外低趨勢，下沙海灣內(nèi)側(cè)30 m范圍內(nèi)的自然高程4.20 ～-0.20 m，外側(cè)地形平坦，自然高程-0.20 ～-1.20 m。大岙海灣內(nèi)側(cè)35 m 范圍內(nèi)的自然高程5.40 ～-0.10 m，外側(cè)地形平坦，自然高程-0.10 ～-1.00 m。

2.5 沙灘歷史

對工程區(qū)調(diào)查表明下沙和大岙歷史上為沙灘，20 世紀80 年代沿岸仍能看見沙灘的存在，寬度可達100 m，但由于早年海岸環(huán)境保護意識淡薄，建筑用沙開采和周邊涉水工程實施等人類活動影響，破壞了工程區(qū)海岸帶的輸沙動態(tài)平衡，改變工程區(qū)水動力條件，致使原有沙灘泥化消失，2 個海灣沿岸僅存不到10 ～ 20 m 寬的條帶狀沙灘，高程在4.50 m 左右，以外均為流泥。

3 修復研究與設(shè)計

3.1 沙灘特征調(diào)查

對下沙和大岙灣內(nèi)現(xiàn)存沙調(diào)查顯示，沙粒的分布規(guī)律從內(nèi)到外由粗變細，取樣分析表明下沙現(xiàn)存沙的中值粒徑0.17 ～ 0.27 mm，大岙沙的中值粒徑 0.17 ～ 0.24 mm，2 個海灣的灘面坡比均介于3% ～ 6%。從沙灘形成與波浪互動機理上講，波浪進入下沙和大岙淺水區(qū)域時底部泥沙搬運量增大，沙灘物質(zhì)向岸運動并被推到波浪破碎區(qū)，隨水流上沖至灘面堆積。水體的波動作用使下沙和大岙灘面沉積物產(chǎn)生分選，粗顆粒留在灘面上部，細顆粒則隨水流退向外海形成沙灘坡面，坡面受到沉積物粒級影響形成了不同坡比[3]。

3.2 鋪沙試驗

由于工程所在海域水動力條件和泥沙運動復雜，數(shù)值計算和分析方法難以完全有效地解決沙灘修復的有關(guān)問題，因此采用現(xiàn)場試驗的方法進行研究[4]?，F(xiàn)場試驗具有與工程區(qū)域潮汐、潮流、波浪等水動力條件一致的條件，其結(jié)果能夠比較真實的反映出泥沙的輸移、岸灘的塑造過程。

鋪沙試驗在下沙灣內(nèi)實施，試驗段鋪沙寬度50 m，長度170 m，其中干灘鋪設(shè)長度100 m，高程1.00 m，斜坡段鋪設(shè)長度70 m，坡比1:40，沙料采用舟山海沙，中值粒徑在0.35 mm 左右，在鋪沙試驗段選取4 個斷面，每月觀測1次，2010 年 9 月 — 2011 年 6 月，連續(xù)觀測 10 個月，獲得主要結(jié)論：

（1）從鋪沙試驗區(qū)的大范圍來看，由于受到海流和波浪的共同作用，鋪設(shè)的沙體形態(tài)在不斷的調(diào)整和改變，以適應(yīng)灣內(nèi)的水動力條件。

（2）在橫向變化上，鋪沙主要向灣內(nèi)側(cè)推移，最為明顯的是在坡肩處，鋪設(shè)的海沙被推移至灘面上堆積，形成內(nèi)側(cè)灘面抬高至3.00 m 勢態(tài)，外側(cè)灘坡變陡，形成自然坡比在1:14 左右，而坡腳線下有少量散落沙體存在，其范圍和厚度有限，估算年輸沙量在總試驗方量的0.3%以內(nèi)。

（3）在縱向變化上，鋪設(shè)的海沙兩側(cè)形成坡比較緩的平灘，西北方向輸移距離不大，但東南方向輸移距離較遠，現(xiàn)場觀測有明顯的條帶型輸沙痕跡存在，說明縱向輸沙方向為東南方向，經(jīng)測量估算量值在6.0%左右。

（4）灘面鋪沙后由于受其自重影響，灘面原有的流泥被擠壓穿過所鋪設(shè)的沙層上浮到鋪沙的表面，形狀呈團狀而無規(guī)律分布鋪沙頂面上。

（5）從現(xiàn)場觀察情況看，盡管下沙灣內(nèi)水域含沙量較高，但鋪沙試驗區(qū)的表層基本無淤泥落淤，水體中的懸沙被落潮流帶出鋪沙區(qū)域流向外海，鋪沙試驗范圍近岸沙體顆粒粗，離岸沙粒細的波浪分選特征明顯。

3.3 設(shè)計方案

針對下沙和大岙海灣水動力和沙灘適應(yīng)性特點并結(jié)合工程區(qū)實際鋪沙試驗獲得的結(jié)論，工程設(shè)計方案確定：下沙海灣鋪設(shè)干灘長度120 m，外肩高程取為3.00 m，坡比1:15，底腳自然高程-1.20 m。大岙海灣鋪設(shè)干灘長度80 m，外肩高程取為3.00 m，坡比1:15，底腳自然高程-0.80 m，設(shè)計方案見圖5。

圖5 下沙和大岙沙灘修復設(shè)計方案圖

考慮到岸灘的穩(wěn)定性需要，沙灘修復后的持續(xù)性和與周邊環(huán)境的協(xié)調(diào)性等因素[5-6]，下沙和大岙干灘內(nèi)側(cè)高程均取5.20 m，形成干灘坡比在1:30 左右。

3.4 沿岸輸沙計算

工程上用于計算沿岸輸沙率的主要方法有波能流法和沿岸流法。其中波能流由于形式簡單，驗證資料較為充分，其應(yīng)用更為廣泛。我國《海港水文規(guī)范》給出了用波能流法確定沙質(zhì)海岸沿岸輸沙率的計算公式。

式中：q為沿岸輸沙率（m3/s）；δ0為深水波陡；Hb為破碎波高（m）；Cb為破碎波速（m/s）；αb為波浪破碎時波峰線與等深線的夾角（°）；D為泥沙中值粒徑（mm）；db為破碎水深（m）；Lb為破碎波長（m）；K′為計算系數(shù)；nb為計算系數(shù)。

利用上述公式計算得到，下沙沙灘的設(shè)計方案沿岸輸沙率約為5.64%，大岙沙灘的設(shè)計方案沿岸輸沙率約為5.55%，與鋪沙試驗所獲得的數(shù)值基本接近。

4 工程實施及效果

4.1 工程施工

4.1.1 表層流泥清除

2 個海灣工程區(qū)的表層均為流泥，具極高壓縮性，新近海相淤積土，力學性質(zhì)極差，下沙海灣人行下陷深度在0.60 m 左右，大岙海灣人行下陷深度在0.40 m 左右，根據(jù)前期鋪沙試驗結(jié)論，直接鋪沙表層的流泥會被擠出上浮出現(xiàn)泥沙混合問題。因此，在鋪沙前對流泥作了清除處理。

4.1.2 鋪沙施工

鋪沙工程施工分為2 個階段實施，第一階段于2012 年2 月開始實施，8 月完成，鋪海沙27.18 萬m3。下沙和大岙干灘分別完成設(shè)計寬度的80%左右，即下沙干灘寬度完成90 m，大岙完成60 m；第二階段于2016 年4 月開始實施，6 月完成，鋪海沙19.33 萬m3，至此工程按設(shè)計完成施工。

4.2 實施效果

4.2.1 沙灘穩(wěn)定

為觀測修復后的沙灘穩(wěn)定性，對工程區(qū)共計布設(shè)7 個測量斷面進行觀測，其中下沙布設(shè)3 個斷面，大岙布設(shè)4個斷面，觀測時間為2015 — 2018 年，連續(xù)觀測4 a，每年測量1 次。

觀測情況顯示，在施工中和施工完成后，2 個沙灘的平面形態(tài)變化均不大，平面形態(tài)穩(wěn)定。2 個沙灘的斷面坡比沿岸有所改變，東側(cè)變化不大，西側(cè)斷面坡比趨于變緩，由原設(shè)計的1:15 自然調(diào)整為1:17 ～ 1:18，這與當初設(shè)計的斷面坡比差異不大。觀測結(jié)果顯示，修復后的沙灘存在輸沙現(xiàn)象，但橫向輸沙有限，以縱向輸沙為主，沙灘年總流失率在4.5%以內(nèi)，主要發(fā)生在臺風大浪過后，沒有超過試驗預期縱橫向年損失率6.3%的要求，修復后的效果見圖5 ～ 6。

圖5 大岙沙灘修復后的效果圖（拍攝于2018.06）

圖6 下沙沙灘修復后的效果圖（拍攝于2018.06）

4.2.2 泥化情況

由于設(shè)計選取的沙灘岸型和坡比與沙灘前沿的水動力條件和波浪適應(yīng)性較好，灘面上無泥化現(xiàn)象，現(xiàn)場觀察被海流漲潮帶上灘面的泥沙，退潮時在波浪的作用下，隨海流退回到原有的灘面上，很好的保持了沙灘灘面的整潔和美觀。

5 結(jié) 語

沙灘修復工程作為改善海岸環(huán)境的一種方式，工程的設(shè)計與實施應(yīng)重點研究水動力條件，因為這是造就沙灘的必要條件，工程的平面布置和斷面結(jié)構(gòu)選擇不僅要注意形態(tài)，更應(yīng)注意適合修復區(qū)的客觀條件，盡可能利用自然屬性避免沙灘流失和泥化，使修復后的沙灘減少維護成本并保持修復視覺效果。