防波攔沙堤在人工沙灘設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

周嬴濤,王為群,張宸豪,陸 楊

(1.上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司,上海200125;2.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院,江蘇 南京210098;3.水利部交通運(yùn)輸部 國家能源局南京水利科學(xué)研究院,江蘇 南京210024)

伴隨著目前發(fā)展迅速的濱海旅游業(yè),在國內(nèi)外諸多沿岸城市都有通過人工方法建成沙質(zhì)海灘的成功案例[1-2]。而隨著時(shí)間的推移,不少人工沙灘的灘面優(yōu)質(zhì)沙逐步流失,裸露出泥質(zhì)基底。如今,越來越多的研究集中于海灘養(yǎng)護(hù)工程[3],海灘岸線的穩(wěn)定是人工沙灘設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵重點(diǎn)。由于岬角弧形岸線能夠遮蔽灣內(nèi)水域,具有改善灣內(nèi)波流狀況的獨(dú)特地形優(yōu)勢[4-6],故人工沙灘的開發(fā)多借助于現(xiàn)有弧形堤岸或?qū)┟嫠茉斐苫⌒吾禐嘲毒€。特殊地形下的河口及海岸水沙運(yùn)動是一項(xiàng)十分復(fù)雜的研究課題[7-9],水下沙壩運(yùn)動和近岸坡度的變化也是人工沙灘演變過程中需要關(guān)注的重點(diǎn)[10-12],水動力要素、泥沙運(yùn)動和地貌演變?nèi)唛g相互作用,彼此影響。

修建防波攔沙堤作為海灘養(yǎng)護(hù)最重要的方式之一,已被廣泛運(yùn)用到工程實(shí)踐當(dāng)中?？锎淦嫉萚13]研究了防波堤布置對于福建海壇灣龍鳳頭海灘的養(yǎng)護(hù)效果;曹成林等[14]在進(jìn)行日照石臼港人工沙灘設(shè)計(jì)時(shí),通過比選不同堤頭長度最終確定最優(yōu)防波堤攔沙設(shè)計(jì)方案。因此,防波攔沙堤的設(shè)計(jì)不僅關(guān)系到沙灘的演變趨勢,更能減少海灘建成后的灘面沙流失,極大降低二次補(bǔ)沙養(yǎng)灘的成本。但目前大多數(shù)的防波攔沙堤的修建是沙灘已發(fā)生侵蝕后所采用的二次工程措施,缺乏與沙灘本身的統(tǒng)一規(guī)劃和設(shè)計(jì),同時(shí)防波攔沙堤的建設(shè)需十分慎重,實(shí)體堤的修筑將改變小區(qū)域范圍內(nèi)的水動力場,對沙灘的演變影響也應(yīng)經(jīng)過充分論證[15]。?？跒橙斯ど碁┙ㄔO(shè)是打造?？诔鞘酗L(fēng)貌的重要工程,本文基于海口灣工程區(qū)域的測量地形與波浪數(shù)據(jù),對該區(qū)域人工沙灘的防波攔沙堤設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析。研究了長期常浪作用下防波攔沙堤對人工沙灘的掩護(hù)效果,分析了波浪要素、剖面形態(tài)、岸線變化及泥沙輸運(yùn)等與海岸演變直接相關(guān)的物理量變化情況,通過數(shù)值模擬和經(jīng)驗(yàn)方法揭示了本人工沙灘在長期主導(dǎo)波向的常浪作用下穩(wěn)定的岸線形態(tài),為海灘建成后的管理養(yǎng)護(hù)提供借鑒。

1 研究區(qū)域

?？跒橙斯ど碁┦侵铝τ诖蛟旌？谑泻诵臑I海區(qū)兼具功能性與觀賞性黃金海岸的重要工程項(xiàng)目。本項(xiàng)目規(guī)劃將在?？跒橙f綠園西側(cè)海岸形成較完整海灘形態(tài),并有一定的干灘區(qū)域供市民、游客休閑、親水,策劃沙灘音樂節(jié)和煙火表演等時(shí)尚休閑活動,豐富市民生活,彰顯城市活力。?？跒橙斯ど碁┑慕ㄔO(shè)內(nèi)容包括:東西兩側(cè)新建防波攔沙堤作為海灘邊界,同時(shí)阻擋外海傳播至近岸的涌浪,掩護(hù)灣內(nèi)形成有利于養(yǎng)灘的穩(wěn)定水域,并在現(xiàn)狀堤岸外拋沙形成人工海灘。

?？跒呈且粋€(gè)向北敞開的半圓形海灣,東起白沙角,西至后海,與廣東省雷州半島隔海相望,海岸線全長20.5 km,灣內(nèi)水深為2～6 m,整體水深較淺。?？跒硶惩ㄈ诠こ谭秶髌瘥惥?東至世紀(jì)公園龍珠橋,全長7.5 km,其中人工沙灘構(gòu)筑段長916 m(圖1d),現(xiàn)狀堤岸為東西兩端岬角與中間的凹入段組成的岬灣弧形岸線,?？跒成鷳B(tài)整治與修復(fù)項(xiàng)目已于本工程前實(shí)施,將工程范圍內(nèi)淺灘均清除并疏浚至2.8 m水深,西側(cè)岬頭前水深約2.8 m,東側(cè)岬頭前水深約4 m,近岸存在條狀溝槽,寬約100 m,水深約5～6 m。

圖1 人工沙灘工程概況Fig.1 General situation of artificial beach

人工沙灘工程區(qū)域離岸1 km處建有人工島,占海面積0.35 km2,應(yīng)中央環(huán)保督察組及?？谑姓?該島嶼將予以全面拆除至-2.0 m標(biāo)高,拆除后缺乏掩護(hù)的人工沙灘區(qū)域?qū)⒅泵嫱夂ｏL(fēng)浪作用。

在充分考慮工程規(guī)劃、現(xiàn)狀地形與近岸水動力條件的基礎(chǔ)上,對防波堤堤線布置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于工程海域近岸水深較淺,且屬于?？跒车膬?nèi)灣,波流等動力要素均較小,考慮到沙灘的景觀視野、工程地質(zhì)條件等,依靠現(xiàn)有岸線凸角布置的堤線如圖4b所示。該堤線設(shè)計(jì)主要考慮遮擋N向入射波浪,且作為人工沙灘的硬質(zhì)邊界,在現(xiàn)狀弧形岸線的基礎(chǔ)上塑造人工岬灣海灘,進(jìn)一步減少人工沙灘區(qū)域表層優(yōu)質(zhì)沙源的流失。在防波攔沙堤的斷面設(shè)計(jì)中,在本工程設(shè)計(jì)采用平潮時(shí)出露水面寬度較小、不上游人、景觀性觀感佳的混合式拋石防波堤?？紤]到親水及規(guī)范要求,本工程防波堤頂高程取為3.55 m,堤心采用大塊石拋填,拋石頂0.2 m標(biāo)高處防止預(yù)制鋼筋混凝土圓筒,內(nèi)部填充塊石,圓筒外側(cè)填充漿砌石,并在頂面采用原石砌筑,以營造自然觀感。防波堤設(shè)計(jì)斷面如圖2所示。

圖2 防波攔沙堤設(shè)計(jì)斷面Fig.2 The designed section of the anti-wave sediment barrier

在東西兩側(cè)防波攔沙堤內(nèi)拋填設(shè)計(jì)人工沙灘岸線長度916 m,干灘寬度約30 m,濕灘寬度約60 m,預(yù)期形成沙灘總面積27 588 m2。

灣東西兩側(cè)短期波浪站(白沙門和后海)資料統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明:該灣全年波浪以風(fēng)浪為主。該區(qū)域月均波高為0.2～0.7 m,在重現(xiàn)期50 a設(shè)計(jì)高水位下,護(hù)岸最大H1%波高近1.4 m,有效波高H13%最大為1.0 m左右,由于附近白門沙和后海測站的常浪向以NE,ENE,N向?yàn)橹?因此本文采用對地貌塑造作用較大的有效波高為1.4 m的不規(guī)則波進(jìn)行研究;波浪周期分別取該海域平均周期3.0 s與較大波高對應(yīng)的6.0 s;來波波向分別選取對工程區(qū)域影響最大的N向與NW向。

設(shè)計(jì)潮位采用?？谑虚L堤路的?？?三)水位站(109°29′E,20°03′N)的資料統(tǒng)計(jì)分析確定,工程區(qū)域潮位特征屬于不規(guī)則日潮混合潮,月均日潮天數(shù)為15～18 d,其他時(shí)間為正規(guī)半日潮,且潮汐不等現(xiàn)象顯著。統(tǒng)計(jì)該站年最高(低)潮位資料(2006—2016年),以P-III型曲線(圖3)進(jìn)行分析后,得到設(shè)計(jì)潮位成果見表1。根據(jù)《海港水文規(guī)范》[16]規(guī)定,當(dāng)設(shè)計(jì)上采用這類曲線時(shí),常取用高潮累積頻率為10%所對應(yīng)的潮位為設(shè)計(jì)高水位,低潮累積頻率為90%所對應(yīng)的潮位作為設(shè)計(jì)低水位。

表1 ?？?三)站設(shè)計(jì)潮位成果表Table 1 Tidal level designed for the Haikou(3)station

圖3 工程區(qū)域潮位累積頻率曲線Fig.3 Cumulative frequency curve of the tide level in the study area

表2 常浪情況工況組合表Table 2 Combination of working conditions during the normal wave

2 研究內(nèi)容與方法

本文基于近岸實(shí)測地形資料,采用數(shù)值模擬手段對工程區(qū)域水動力特征開展研究;分別討論兩側(cè)防波攔沙堤對沙灘區(qū)域的掩護(hù)效果,依據(jù)設(shè)計(jì)方案對建設(shè)后的人工沙灘進(jìn)行典型常浪情況下的泥沙運(yùn)動分析。

本研究采用XBeach數(shù)學(xué)模型[16],該模型是基于結(jié)構(gòu)化Fortran 77/90架構(gòu)的海岸動力學(xué)數(shù)值模型。模型的水動力學(xué)核心是沿水深平均的非線性淺水波方程,其采用迎風(fēng)差分和高階Lax-Wendrof差分方法離散化偏微分方程求解,對于風(fēng)波等短波,采用波能平衡方程求解波浪場,并對求得的波高應(yīng)用線性波理論換算求得波生水質(zhì)點(diǎn)速度,并疊加在淺水波方程獲取的水質(zhì)點(diǎn)速度上。泥沙輸運(yùn)方面,采用二維沿水深平均的對流擴(kuò)散方程解得泥沙濃度場,并據(jù)此計(jì)算岸線和海床演變[17]。目前,XBeach數(shù)學(xué)模型已廣泛應(yīng)用于模擬潮波、海嘯波、風(fēng)暴潮以及相應(yīng)的海岸線演變、海床演變和泥沙輸運(yùn)等海岸動力學(xué)過程[18-21]。

模型計(jì)算范圍包含人工沙灘工程區(qū)域在內(nèi)的近岸海域,網(wǎng)格外邊界離岸約1 km,采用笛卡爾坐標(biāo)系,設(shè)計(jì)離岸方向?yàn)閙向,沿岸方向?yàn)閚向,網(wǎng)格以左下角為原點(diǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)290°。模型采用高分辨率矩形網(wǎng)格,分辨率為5 m×5 m,共26 000單元。在計(jì)算域中,采用分辨率為1/1 000的實(shí)測地形數(shù)據(jù),該高程的零點(diǎn)對應(yīng)于1985國家高程基準(zhǔn)。模型地形及網(wǎng)格如圖4所示。

圖4 模型網(wǎng)格及工程初始地形Fig.4 Model grid and initial topography in the study area

模擬計(jì)算時(shí)采用Surfbeat模式[17]。輸沙公式采用Van thiel-van Rijn方程[22]計(jì)算。模型參數(shù)設(shè)置見表3,計(jì)算步長1 h,每100 s更新一次地形,海上邊界允許斜入射和反射波穿過邊界,外側(cè)邊界諾伊曼邊界條件。離岸和陸地邊界均采用的是二維弱反射邊界,橫向邊界采用諾伊曼邊界(恒定水位梯度)。模型地貌演變參數(shù)取mor=10,模擬時(shí)長1個(gè)月,代表10個(gè)月的常浪作用,足以反映常浪期海灘演變情況。

表3 主要參數(shù)設(shè)置Table 3 Settings of the main parameters

3 結(jié)果分析

3.1 現(xiàn)狀水動力特征

通過對現(xiàn)狀堤岸下工程區(qū)域的波浪場數(shù)值模擬(工況1～工況4),可見常浪作用下(圖5),堤前有效波高(下文中均簡稱為波高)和波生流流速均較小,入射波浪邊界為離岸1 km處,在N向波浪作用下,近岸堤前波高0.4 m,且在西側(cè)岬角東部形成波高小于0.1 m的波影區(qū);NW向波浪垂直于堤岸方向,近岸堤前波高0.6 m且呈沿岸均勻分布特征,無明顯波影區(qū)存在,由于西側(cè)岬角更為向海凸出,在其與堤岸凹角處形成小面積波影區(qū)。

圖5 工程區(qū)域工況1～工況4情況下現(xiàn)狀波高與流速分布Fig.5 Distributions of wave height and flow velocity in the study area before the project(condition 1～condition 4)

由近岸波生流流速分布情況,可見在西側(cè)岬角西部和工程清淤區(qū)流速較大,約為1.0 m/s,而傳至近岸處流速均小于0.5 m/s。就不同入射方向來看,NW向入射條件下,堤岸前的波高均大于N向入射。由于近岸水深較淺,一定程度上減少了堤前波高,部分波浪通過東西兩側(cè)岬角附近水深較深處繞射至堤前,在靠近兩側(cè)岬角附近波高較大,遠(yuǎn)離岬角的中部堤岸前波高較小。通過對比發(fā)現(xiàn),同向入射的波浪,波高相同時(shí),入射周期與近岸波高成反比,與波生流流速成正比;入射周期對近岸波高分布的影響,在大波高時(shí)尤為顯著。在相同入射波高情況下,相較于較更大周期(6.0 s)的浪,小周期的浪(3.0 s)對近岸波高的增加貢獻(xiàn)更大。

由于在常浪作用下,西側(cè)岬角對堤前水域有掩護(hù)作用,但效果不明顯,波高沿岸分布較為均勻,流速未有明顯衰減,因此需要通過相關(guān)措施減小近岸波高與流速。由于西側(cè)在岬角處輻聚后的波浪沿著岬角內(nèi)側(cè)自西向東沿岸涌至堤前,因此在西側(cè)設(shè)置長為205.5 m的防波堤,使得設(shè)計(jì)堤長能夠切斷波能輻聚區(qū)內(nèi)的來浪;由于東側(cè)近岸有水深大于4 m條帶狀溝槽存在,且東側(cè)岬角前水深較深,岬角平緩,波高輻聚效果不明顯,因此東側(cè)波浪沿著西側(cè)岬角自東向西涌至堤前時(shí)波高未能明顯降低,在東側(cè)設(shè)置長為175.5 m的防波堤,以減小波浪繞射過程中的波高。東、西兩側(cè)防波堤的設(shè)置如圖4b所示。

3.2 興建防波堤攔沙堤后水動力特征

由于西側(cè)防波攔沙堤(以下簡稱西堤)的設(shè)置擴(kuò)大了其東部的波影區(qū)(圖6),減小了原本堤岸靠近西側(cè)岬角情況下的近岸波高,在N向入射波條件下,西堤遮蔽段能覆蓋工程堤岸中西部區(qū)域,使近岸波高小于0.2 m;NW向入射波條件下,波影區(qū)雖不及N向范圍大,但較現(xiàn)狀仍將0.6 m波高等深線向海灘中東部推移,海灘中西部波高較現(xiàn)狀降低20%,但西堤的設(shè)置并未有效減小中部堤前波高,這是由于大部分的波浪從西側(cè)岬角附近涌向堤前,且西側(cè)岬角更為尖銳,而東側(cè)較為平緩,尖銳的岬角凸向海中導(dǎo)致波能輻聚更為明顯?，F(xiàn)狀地形下由于堤岸西側(cè)岬角較為突出,其能輻聚較大能量的波浪,使得岬角附近流速大于1.0 m/s,西堤的修建可以較好地將工程沙灘區(qū)域與外部進(jìn)行阻隔,形成利于養(yǎng)灘的穩(wěn)定水域,但西堤西側(cè)仍屬于流速較大區(qū),可能產(chǎn)生對防波攔沙堤本身的沖刷,需考慮進(jìn)一步加強(qiáng)堤腳及堤身防護(hù)措施。

圖6 西側(cè)建防波堤后工況5～工況8情況下波高與流速分布Fig.6 Distributions of wave height and flow velocity after the construction of breakwater at the western side(condition 5～condition 8)

東側(cè)防波攔沙堤(以下簡稱東堤)的設(shè)置在其附近形成小范圍波影區(qū)(圖7),波影區(qū)范圍內(nèi)波高小于0.4 m。由于東堤的折線形設(shè)計(jì),使其在NW向入射波浪條件下對堤前東部的掩護(hù)效果較N向入射更好。現(xiàn)狀地形下,堤岸東部由于水深較深,流向穩(wěn)定且流速可達(dá)1.0 m/s,而東堤修建后由于輻聚效應(yīng)將“吸引”一部分波浪在防波攔沙堤前破碎,從而減少工程區(qū)域堤前波流要素。在東堤波影區(qū)內(nèi)流速可降低至現(xiàn)狀的20%～50%,均小于0.2 m/s。

由于西堤的修建對減小近岸波高與流速效果更為明顯,因此在實(shí)施本工程過程中,應(yīng)先修建西側(cè)防波堤,再修建東側(cè)防波堤。

通過圖8可以看出,兩側(cè)防波堤均修建完工后,近岸波高在各工況作用下均明顯減小。但在NW向常浪作用下,近岸中東部波高仍較大,因此該部分岸線在海灘建成后應(yīng)是地貌演變明顯區(qū)域,需著重監(jiān)測關(guān)注。

圖8 工況13～工況16情況下波高、流速、輸沙率和地形變化差值Fig.8 Differences in wave height,flow velocity,sediment transport rate and topographic change under different conditions(condition 13～condition 16)

3.3 人工沙灘水沙運(yùn)動分析

在沙灘與防波攔沙堤完工的情況下,分別就工況13～工況16(即N向與NW向不同周期的4組工況)進(jìn)行了二維水沙數(shù)值模擬。在波向同為N向的情況下,波浪在向沙灘前傳播過程中,隨著水深變淺波高已逐漸衰減,使得沙灘前波高僅為入射波高的1/4左右。由于兩側(cè)防波堤的設(shè)置進(jìn)一步減小了沙灘前的波高,波生流流速在NW向入射時(shí)均大于N向,長周期波浪(6.0 s)的入射條件下,離岸流流速約為0.5～0.7 m/s,將推動灘面近岸的泥沙離岸輸運(yùn)。同時(shí),海灘東部岸線前波高大于海灘其余位置,約為0.4～0.6 m,這可能是由于東側(cè)岬頭前水深較深,波浪經(jīng)防波堤頭繞射后仍能傳向近岸。在海灘西側(cè)近岸流流速較大,以近岸淺灘為界,淺灘上部流速向西北,淺灘下部流速向西南,有明顯的南北分流趨勢。這種現(xiàn)象在大波高大周期更為明顯。泥沙運(yùn)動的強(qiáng)弱及方向與波生流方向基本吻合,表現(xiàn)為N向波作用時(shí),海灘中西部較為穩(wěn)定,中東部泥沙在周期較大時(shí)存在沿岸自西向東輸運(yùn)趨勢,同時(shí),西側(cè)防波堤外側(cè)根部存在較強(qiáng)的沖刷趨勢。

就泥沙輸運(yùn)而言(圖8b,8f),除了在岬頭處的離岸輸沙,泥沙繞過西側(cè)防波堤沿岸輸運(yùn),而東側(cè)防波堤則觀察到有泥沙輸出工程區(qū)域的情況,整體來看泥沙的輸運(yùn)方向是自西向東。岬角內(nèi)側(cè)的在NW向入射流速較大的海灘西側(cè),存在明顯的沿西向東輸沙趨勢。從演變前后地形差值可見,在NW向波浪入射下,海灘呈現(xiàn)明顯的沙壩剖面,且在灘面侵蝕離岸落淤后,沙壩海側(cè)繼續(xù)侵蝕的現(xiàn)象;不管在何種組次下,東西兩側(cè)防波攔沙堤周圍均存在較大侵蝕,是因?yàn)榉啦ǖ萄匕栋l(fā)生了波能輻聚,其中東側(cè)防波堤與西側(cè)防波堤西部,將有較大的侵蝕趨勢,應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)加強(qiáng)堤腳拋石,以達(dá)到穩(wěn)定堤身的目的。圖9分別選取了規(guī)劃海灘的西部、中部、東部三個(gè)剖面,在10個(gè)月的常浪作用下,可見3個(gè)剖面均有沖浪帶泥沙被削去,向海側(cè)落淤形成小沙壩。就一維剖面來看,入射波周期越大,對海灘中部剖面的侵蝕下切深度越大,大周期的波浪可將泥沙帶到更遠(yuǎn)的離岸處落淤,形成較小周期、更為平緩的灘肩帶。泥沙的沖淤存在沿岸不均的現(xiàn)象,東部剖面沙壩增加的泥沙量大于灘肩減少的泥沙量,可見東部剖面離岸小沙壩的形成是與剖面沖浪帶泥沙的離岸落淤和海灘自西向東的沿岸輸沙有關(guān)。

圖9 常浪作用前后剖面變化Fig.9 Changes of beach profiles before and after the action of normal wave

4 討 論

岬灣弧形岸線是一種較為穩(wěn)定的岸線存在形式,其兩側(cè)的岬角對中間岸線的控制起到至關(guān)重要的作用,為了驗(yàn)證本設(shè)計(jì)方案在長期常浪作用下人工沙灘的岸線能保持穩(wěn)定,本文應(yīng)用基于拋物線型靜態(tài)平衡岬灣經(jīng)驗(yàn)公式[23]開發(fā)的MEPBay軟件[24-25],對岸線平面線形的演變規(guī)律進(jìn)行預(yù)測。該軟件采用結(jié)合室內(nèi)物理模型試驗(yàn)與實(shí)測岸線演變資料的經(jīng)驗(yàn)公式對岸線變化進(jìn)行擬合(式1),考慮了岬角或波浪繞射點(diǎn)之間的控制線長度R0;波浪入射波峰線于岬角處與控制線間角度β;岬角控制點(diǎn)的波峰線到灣岸任意點(diǎn)的極坐標(biāo)角度θ;岬角控制點(diǎn)到灣岸上任意點(diǎn)的極坐標(biāo)距離R。并由波浪入射角度確定系數(shù)C(式2～式4)。

根據(jù)海灘穩(wěn)定性特征,岬灣海灘可以分為靜態(tài)平衡海灘、動態(tài)平衡海灘和不穩(wěn)定海灘。達(dá)到靜態(tài)平衡的海灘波浪到達(dá)岸線時(shí)波峰線近似平行于岸線,此時(shí)波浪破碎,波能沒有沿岸分量,沿岸輸沙幾乎為零。此類海岸沒有長時(shí)間的堆積和侵蝕,即使在風(fēng)暴潮的作用下發(fā)生侵蝕,風(fēng)暴過后涌浪又把風(fēng)浪造成的沙壩重新推回海灘而恢復(fù)原來的面貌。所以靜態(tài)平衡海灘被當(dāng)做一種穩(wěn)定的岸線形式[26]。

若預(yù)測岸線在現(xiàn)有岸線向海側(cè),表明岸線動態(tài)平衡;相反在陸側(cè),則表明岸線不穩(wěn)定;重合則表明岸線靜態(tài)平衡。

當(dāng)以N與NE向波作用時(shí),分別以東西兩側(cè)防波攔沙堤為控制點(diǎn),圖10中綠色弧線為MEPBay軟件預(yù)測的岸線?？梢钥闯?在只修建西堤的情況下,海灘中西部預(yù)測岸線與規(guī)劃岸線基本重合,說明該段岸線未來基本趨于靜態(tài)平衡;而海灘中東部預(yù)測岸線傾向于規(guī)劃岸線陸側(cè),說明未來該段岸線將處于不穩(wěn)定的后退趨勢;在只修建東堤的情況下,海灘中東部岸線不穩(wěn)定狀態(tài)將有所減弱;當(dāng)兩側(cè)防波攔沙堤都修建后,對沙灘海域?qū)⑿纬捎行д诒?岸線演變整體趨于動態(tài)平衡,這與常浪作用下數(shù)值模擬的結(jié)果相吻合。因此,整體來看,在該海域常浪(N向、NW向)作用下,海灘岸線將呈平衡穩(wěn)定的狀態(tài),部分岸線向外海移動,不會出現(xiàn)大面積侵蝕后退。

圖10 常浪作用下不同試驗(yàn)工況岸線演變預(yù)測Fig.10 Shoreline evolution predictions at different testing conditions under the action of normal Wave

5 結(jié) 論

本文基于海口灣暢通工程人工沙灘規(guī)劃,在研究了現(xiàn)狀堤前水動力條件下,提出了切實(shí)可行的人工沙灘設(shè)計(jì)方案,并且為了減少二次補(bǔ)沙的成本,設(shè)計(jì)了兩道防波攔沙堤以進(jìn)一步護(hù)沙固沙并改善工程區(qū)域水動力條件;通過對兩側(cè)防波攔沙的掩護(hù)效果進(jìn)行評估,以及對海灘建成后進(jìn)行典型工況下的二維水沙數(shù)值模擬,分析了近岸的波高、流速分布及泥沙運(yùn)動情況,在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步預(yù)測了岸線演變的趨勢。對人工沙灘常浪作用下演變規(guī)律開展了初步研究,主要結(jié)論概括如下:

1)濱海區(qū)域人工沙灘防波攔沙堤的設(shè)計(jì),需結(jié)合現(xiàn)狀地形、堤岸形態(tài)、設(shè)計(jì)水位等綜合考慮,其堤線布置既要能分隔波高、流速較大的區(qū)域,也不能影響親水感官效果。

2)本工程經(jīng)綜合考慮后的防波攔沙堤設(shè)計(jì)方案,能在現(xiàn)狀堤岸內(nèi)的工程區(qū)域形成有效波影區(qū),明顯減小堤前波高與近岸波生流流速,形成有利于海灘養(yǎng)護(hù)的穩(wěn)定水域。

3)西側(cè)防波攔沙堤的波影區(qū)能遮蔽到海灘中西部,東側(cè)防波攔沙堤能掩護(hù)堤根部西側(cè)水域,海灘中部在N向及NW向波浪作用下的侵蝕風(fēng)險(xiǎn)較大,需加強(qiáng)關(guān)注。

4)常浪作用下,規(guī)劃沙灘岸線整體呈現(xiàn)動態(tài)平衡發(fā)展趨勢,海灘剖面在平均水位附近將產(chǎn)生小沙壩特征的剖面形態(tài),且在波浪作用下,灘面泥沙離岸落淤后有自西向東沿岸輸運(yùn)的趨勢。