天津港东疆港区人工沙滩主要设计参数的确定与探讨

杨佳男，陈萍，孙晓君

（1.中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222；2.天津港环球滚装码头有限公司，天津 300456；3.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222）

1 工程概况

天津港东疆港区人工沙滩工程是东疆港区景观工程的主要组成部分，从2006年开始建设，经过试运营和改造，目前人工沙滩南北长约2 km，宽165m、总面积2.46 km2，成为国内面积最大的人工沙滩景区，同时也是京津地区唯一的亲海岸线。

天津港东疆港区人工海滩工程位于天津港东疆港区东岸环抱式防波堤内部，游艇基地以北。人工沙滩根据使用人群的不同，从北向南分为低密度住宅区沙滩、公共游乐区沙滩和宾馆区沙滩3大区域，沙滩均为亲水沙滩结构。见图1。

图1 人工沙滩平面布置图Fig.1 layout of artificial beach

工程区域的水文波浪条件为：本区潮汐类型为不规则半日潮型，其（HO1+HK1）/HM2=0.53。设计高水位4.30m；设计低水位0.50m；极端高水位5.88m；极端低水位-1.29m。设计波浪要素见表1。

表1 设计波浪要素Table 1 Design wave elements

地质特征为：本港海区滩面泥沙属于黏土质粉砂与粉砂质黏土两种类型，但泥沙颗粒很细，平均中值粒径约为0．007mm。其中沙约占8．6%；粉砂质约占51.0%；黏土约占40.4%；其黏结性较强[1]。

建造人工海滩，改善自然环境，在技术上是可行的。国际上著名的夏威夷海滩和巴塞罗那海滩，都是人工海滩。国内也有上海的碧海金沙沙滩，厦门的环岛路人工沙滩等成功的范例[2]。

人工海滩的类型从原海岸表层地质条件划分可分为礁石海岸、砂质海岸和淤泥质海岸。从海滩位置划分可分为挖入式海滩、自然岸边海滩和离岸海滩。从建设难度来说，砂质海岸最简单，淤泥质海岸最复杂；自然岸边海滩最简单，离岸海滩最复杂[3]。本工程就是建造在淤泥质海岸上的离岸海滩，因此工程建设的难度和造价比较高。

2 主要参数的确定

人工沙滩作为供游人游玩的景观工程与传统的港口工程有所不同，但从根本上看其设计也涉及到投资、使用功能和安全性几方面，与一般的工程项目一致。以下对沙滩主要参数的确定进行分析。

首先是沙滩的平面布置。沙滩的平面位置位于原来口门一侧，以尽可能地减少波浪掀沙的影响，同时考虑到直线与弧线相互结合的景观效果以及与后方别墅等设施的功能配套。其次是沙滩断面尺寸，这涉及到沙滩顶面高程、坡度以及滩面长度等问题。以上参数对于沙滩的设计非常重要，又互相联系和依存。

1）顶高程。涉及到与后方地面高程以及前面原泥面相互衔接，后方陆域的地面高程为7.0m（天津港理论最低潮面），给人步入沙滩的感觉，将沙滩陆域根部定高程定为6.0m，沙滩与后方陆域通过阶梯相联系。沙滩滩面海侧高程由滩面宽度和原泥面的高程综合确定为0.5m，并设置一个小型的充填袋挡埝。

2）坡度。坡度是人工沙滩设计中一个至关重要的参数。因为在淤泥上填筑起来，沙滩的稳定性显得至关重要。另外，人工沙滩的沙子流失不能避免，沙滩坡度对减少沙流失也至关重要，这直接影响到工程投资和后期的维护费用。缓的坡面就意味着工程投资增大，但是沙子的流失量会减少，从而减少后期维护的成本，需要在二者之间找到一个平衡点。另外从使用功能看过陡的坡面不能满足游人游玩的要求。因此坡度问题是投资、使用功能和安全性的一个综合表现指标。设计之前对我国北方地区天然沙滩的坡面进行了调查。山东烟台的沙滩实测坡度为1∶25～1∶30；山东威海地区的沙滩坡度为1∶90；秦皇岛北戴河地区沙滩陆上坡度为1∶50，而潮间带坡度为1∶9。虽然这些沙滩的水文气象及地质条件与本工程有所差异，但对本工程也有一定的参考作用。综合考虑水位等情况，以4.5 m为界限（设计高水位4.3 m），将沙滩的坡度分成两部分，陆侧考虑到使用功能将坡度放缓至1∶70左右（由于控制住了整个滩面的宽度，这个坡度根据潮间带的坡度方案略有不同），海侧即潮间带在保证安全的前提下为减低造价分别提出了坡度为1∶10和1∶15两个方案，并通过物理模型试验进行了验证。由于海滩沙流失是一个持续过程，在试验中考虑了3种工况，即常年波浪、10 a一遇的设计波浪和50 a一遇的设计波浪（常年波浪及10 a一遇波浪是以沙滩滩面稳定确定作用时间的，50 a一遇波浪作为极端状况是按照1个作用周期确定作用时间的）。试验结果见图2～图4。

图2 常年波浪作用下滩面形态Fig.2 Beach surface morphology under perennial wave action

图3 重现期10 a波浪作用下滩面形态Fig.3 Beach surface morphology under 10 a wave action in recurrence interval

图4 重现期50 a波浪作用6 h后滩面形态Fig.4 Profile morphology under 50 a wave action after 6 hours in recurrence interval

从试验过程和结果来看，在常年波浪作用下，坡度为1∶15和1∶10的沙滩，基本都能保持其形态，但是坡度1∶10时堆积沙坝的高度和淘刷侵蚀的深度以及最终稳定后的滩沙流失量都相对更大，这意味着坡度1∶10的沙滩将比1∶15的沙滩使用期间的补沙维护量更大。当坡度为1∶15，沙滩整体稳定性较好。在10 a一遇波浪和50 a一遇极端波浪的作用下1∶15的沙滩稳定性较1∶10的好，依然能维持整体坡度，最终选择了1∶15作为设计坡度。

3）滩面宽度。在确定了滩面坡度和高程后，计算得滩面宽度为165m。

3 沙滩结构型式

作为亲水结构的人工沙滩采用斜坡结构。沙滩总宽为165m，陆侧采用1∶70的坡度，沙滩潮间带坡度为1∶15，沙滩的顶高程为6.0m，坡底高程为0.5m，与设计低水位一致，保证开放期挡埝基本不露出水面。堤身采用吹填砂和海滩沙相结合的形式，海滩沙的厚度为1.0m，其下为吹填砂。在原泥面与吹填砂以及吹填砂与海滩沙的结合面上铺设土工织物将二者隔离。见图5。

图5 沙滩断面图（单位：m）Fig.5 Cross-section diagram of the beach （m）

4 结语

天津港东疆港区人工沙滩工程是在淤泥质海岸上建设人工沙滩的良好探索。

1）坡度作为人工沙滩设计的一个关键因素，受潮流和波浪等的共同作用，且影响工程投资和后期维护费用，在参考相关资料的同时，通过模型试验和经济分析比较最终确定。

2）人工沙滩是对原有岸线的改造，沙滩本身将保持动态平衡，补沙是沙滩维护必不可少的。不能期望沙滩建成后一劳永逸。

3）东疆沙滩早期设计中采用过卵石结构，由于生长海洋生物的原因，影响了景观效果，对游人下水游玩也造成一定隐患。本次采用袋装砂挡埝结构，耐久性有待检验，所以需要探索一种既不受海洋生物影响又能满足耐久性要求的挡埝结构。

4）从运营实际情况看，冬季大风也造成了海滩沙的损失，因此需要寻找一种经济合理便捷的防护方法。

[1] 孙连成，黄毅峰，赵会民.人工沙滩亲水段泥沙淤积试验研究[J].泥沙研究，2011（4）：44-50.SUN Lian-cheng，HUANG Yi-feng，ZHAO Hui-min.Experimental study of sedimentation in hydrophilic segment of artificial beach[J].Journal of Sediment Research，2011（4）：44-50.

[2] 莫李帅，郑义廉.浅谈人工沙滩的改造设计[J].城市建设理论研究，2013.http：//www.qikan.com.cn/article/csjl/csjl201303/csjl201303866.html.MO Li-shuai，ZHENG Yi-lian.Discuss on reconstruction design of artificial beach[J].Urban Construction Theory Research，2013.http：//www.qikan.com.cn/article/csjl/csjl201303/csjl201303866.html.

[3] 李松，刘征.敞海水域大型人工沙滩海滨浴场主尺度的设计、模型验证及优化[J].中国勘察设计，2009（9）：57-63.LI Song，LIU Zheng.Main scale design，model validation and optimization of large bathing beach with artificial sand in open seas[J].Investigation&Design，2009（9）：57-63.