大连金州湾人工沙滩建设条件研究

李文丹，解鸣晓，张义丰，李 鑫

（交通运输部天津水运工程科学研究所港口水工建筑技术国家工程实验室工程泥沙交通行业重点实验室,天津300456）

大连金州湾人工沙滩建设条件研究

李文丹，解鸣晓，张义丰，李 鑫

（交通运输部天津水运工程科学研究所港口水工建筑技术国家工程实验室工程泥沙交通行业重点实验室,天津300456）

文章通过现场实地踏勘、水力特性试验、波浪潮流数学模型、波生沿岸流数学模型及经验公式计算等多种手段，对大连金州湾沙滩改造工程实施后人工沙滩稳定性及泥化的可能性进行了初步分析。研究结果表明：拟建人工沙滩从选址来说是可行的，岸线可长期保持稳定状态，且无泥化风险。从方案比选来看，两方案动力条件差异不大，采用出水堤对沿岸输沙拦截效果更好。建议在现有基础上适时开展波浪泥沙整体物理模型试验，进一步确定沙滩正常及风暴潮条件下的侵蚀量、沙滩平衡岸线及平衡剖面形态，为设计方提供基础数据。

人工沙滩；稳定性；泥化；波生流；数值模拟；水力特性

随着沿海经济发展，人们对海岸景观有了新的要求。我国优质天然沙滩少之又少，因此，很多地方开始建设人工沙滩来发展当地旅游业。例如，天津东疆港人工沙滩、潍坊人工沙滩、赣榆人工沙滩、厦门同安湾人工沙滩、抚仙湖人工沙滩等［1］。

人工沙滩建成后，波浪掀沙、波生流输沙是沙滩地貌响应的主要动力机制。此时，支配泥沙运移的主要因素是波浪，而潮流所起的作用很小。所谓波生流是指波浪破碎后形成的定向流动。波生流主要在破碎带内发挥作用，形成原因是波浪以一定的角度冲击海岸破碎所产生。波生流直接影响沿岸输沙，其中波浪强度决定滩面泥沙是否起动，而波生流则决定了泥沙运动的强度和输沙方向。海岸工程建设引起沿岸流的改变会导致沿岸输沙强度或者方向的变化。对人工沙滩而言，地貌的塑造包括岸线（纵向输沙）与剖面（横向输沙）的改变。

本文所研究的大连金州湾沙滩改造工程位于大连市金州湾海区东北岬角附近的姚家套（图1）。沙滩改造工程位于典型岬湾弧形沙质海岸，目前沙滩宽度较窄，难以满足进一步发展的旅游需求，拟通过填沙形成人工沙滩。

然而，人工沙滩建成后，其稳定性如何是值得关注的问题。此外，大连新机场正在建设（图1），新机场建成后，沙滩前缘的波浪条件将发生显著变化，造成弱动力环境，在此基础上，人工沙滩是否出现泥化现象也是值得关注的问题。本文主要采用现场实地踏勘、水沙环境分析、水力特性试验、波浪数值模拟、潮流数值模拟、波生流数值模拟以及经验公式计算等多种研究手段，对拟建姚家套人工沙滩工程建设进行初步分析，并对方案进行初步比选评判。

图1 工程及测点位置图Fig.1 Location of project and measuring point

1 水沙环境

1.1 金州湾整体地形地貌

金州湾为砂砾质基岩海岸上的一个原生湾，侵蚀和堆积地形并存。湾口南北两侧岬角地区，基岩裸露，深水逼岸，海水侵蚀作用强烈，海蚀崖、岩脊滩、海蚀柱、海蚀洞穴等海蚀地形较发育。湾顶地区则表现为堆积地形占优势。

金州湾水下地形呈近岸坡度较陡峭，外海坡度较平缓。总体来说，整个金州湾水深不大，至湾口地形高程亦不超过-10.0 m，总体呈堆积型水下地貌。

1.2 沙滩局部地形地貌

通过现场踏勘及地形测量可知（图1）：沙滩两岬角外几乎无沙源补充。上岬角附近沙砾石较多，呈典型海蚀地貌。近上岬角的弧形段，其坡度较陡，属侵蚀型海滩地貌。沙滩切线段，与弧形岸段相比，沙滩展宽，坡度亦稍缓，可能由上段沿岸输沙引起，但其差异不显著，在长期的波浪与沙滩动力地貌相互作用下，沙滩基本形成侵蚀性的动态平衡。

整个沙滩段均存在显著的韵律沙坝地貌，且沙坝中脊线位置均与岸线基本垂直，体现出横向输沙为主的整体规律。在切线段现场观察到三级重叠沙脊，各层沙脊的中脊线方向不同，指引出当地沿岸输沙方向在一定程度上可受各向风浪影响，方向可有所偏转。尽管如此，从各层中脊线与水面线的偏角来看，沿岸输沙总量不大。从动力地貌格局总体判断，净输沙方向总体以向南为主。

姚家套沙滩从剖面形态上来看属典型沙质海岸地貌，地形呈近岸陡峭、外海平缓。沙滩坡脚外水深较浅，表明波浪即使在正常天气下，亦多在触及岸线前波能即可损耗，属“消能性”海滩，亦可初判沙滩岸线应较为稳定。

总体来说，沙滩现状条件下较为稳定，泥沙运动以横向输沙为主，沿岸输沙应很弱（动态平衡），方向以向南侧为主。

1.3 潮汐潮流

工程海域潮汐属不正规半日潮型。潮流属非正规半日潮流，并以逆时针旋转流为主，受海湾地形制约，涨、落潮流主流向的走向大致呈NE—SW向和NNE—SSW向，与等深线或岸线走向相一致。总体来说，金州湾内平均潮差较小，且潮流流速不大，垂线平均流速均在0.20 m/s以内。

1.4 波浪

金州湾属于渤海东部水域伸入陆地的一个较大型海湾，该湾三面为陆地环抱，风区均较短，唯其湾口朝西北敞向渤海，尤以W—N向风区较长。

根据湾外双岛湾测站2003年全年实测波浪资料来看，本工程海域主要以风浪为主，海域常浪向为NW，频率11.78%，次常浪向为S，频率11.56%；强浪向为NW，次强浪向出现在N向。

根据湾内棋盘磨测站2005年4月1日～12月31日9个月实测波浪资料来看，N向平均波高为0.9 m，NNW向为0.7 m，NW向为0.6 m。其余各向均在0.5 m之内。最大波高介于0.4～2.7 m，其中N向最大波高2.7 m，其次NW、NNE向最大波高分别为1.9 m和1.7 m，NNW、W向最大波高分别为1.6 m和1.0 m。

1.5 底质及含沙量

金州湾底质以粉砂为主，其次为砂，黏土含量较低。人工沙滩靠近北岬角区域，沙滩底质较粗，局部可超过2 mm，而中段区域底质相对较细，多在0.2～0.3 mm。总体而言，整个姚家套沙滩及水下区域底质均为中沙及粗砂，呈现典型沙质海岸特征。

图2 波浪玫瑰图Fig.2 Wave rose

金州湾海域悬沙中值粒径较细，但从组分来看，均以粉砂为主，黏土含量很低，一般均在10%以内。本文采用现场实测及卫星遥感手段分析可知，正常天气下工程海域悬沙含量不高，平均一般在0.05 kg/m3以内。

2 沙滩改造方案

根据建设单位要求，对原有沙滩进行整治改造需结合该区域的自然条件和岸线功能使用要求，共布置2个方案（图3）。

（1）方案一：人工沙滩弧形岸线长度约378 m。东侧通过回填形成一个观景平台，标高+2.5 m（85黄海基面，下同）。平台顶部设有一道挡砂堤（+1.5 m），长约46 m。沙滩坡脚处新建一道拦沙堤约425 m（高程-1.5 m），以阻挡泥沙流失。

（2）方案二：人工沙滩弧形岸线长度约450 m。东侧设置一道由卵石回填的丁坝，宽30 m，丁坝坡度为1：30，整体高度比沙滩高0.5 m。沙滩和丁坝坡脚处新建一道拦沙堤约428 m（高程为-1.5 m），以阻挡泥沙流失。

（3）人工沙滩断面坡度均为1：30，设计粒径均为1.0 mm。另外，根据设计院要求，对两平面方案拦沙坝外侧水域进行清淤（清淤深度-1.5 m），清淤范围参见图3。

图3 沙滩改造方案示意图Fig.3 Sketch of modification project

3 滩上潮流流速计算

除波生流外，潮流亦可能在一定程度上参与输沙过程。本文采用二维潮流运动数学模型，对沙滩上方的流速量级进行评价。此外，亦对大连新机场建成后，沙滩上方潮流动力的变化程度加以讨论。二维潮流运动数学模型计算理论及模型建立与验证情况受篇幅限制，不在此赘述。经模拟研究：沙滩滩面流速很低，即使在大潮条件下，平均流速亦仅在0.02～0.03 m/s，与波生流强度相比为小量，对泥沙的输送作用很弱，可近似忽略。

4 滩上波要素计算

本文中关于波浪传播模拟计算采用swan计算模型并采用三角形网格对计算域进行剖分（局部加密，最小网格尺度为5 m）。考虑到人工沙滩位于典型沙质海岸，床面摩阻较小，因此，底摩擦系数取值范围介于0.004～0.008。此外，本次人工沙滩铺设坡度为1：30，根据规范［2］，选取破碎系数0.78。模型采用双岛湾及棋盘磨测站处实测资料进行波浪要素验证。

4.1 沙滩前缘波浪推算

拟建人工沙滩局部湾口朝向偏W—S向，在对沙滩波浪要素研究中，更应关注沙滩外缘。然而，外海水域波浪要素，特别是波向要素无法直接应用于沙滩前缘。因此，拟通过大范围波浪模型将外海深水波浪玫瑰关系推求至沙滩前缘。经推算：尽管外海来浪方向多变，但对人工沙滩前缘海域而言，主要受W向和WSW向波浪影响。在统计沙滩前缘波浪玫瑰关系时，其中NW向、WNW向出现频率计入W向，而SW向和SSW向计入WSW向，并进行相应波高折算。此外，亦考虑了S向考风成浪。

4.2 滩上波要素计算

在对沙滩方案波浪要素计算中，本文拟采用年平均波浪和各计算水位组合以及10 a一遇波浪和极端高水位组合进行计算。可知：

（1）现状条件下，人工沙滩主要承受W向和WSW向波浪作用，其中WSW向波高略小于W向，但两者差异不大；S向风成浪波高则很小，对沙滩地貌塑造应不起控制性作用。当波浪由外海传播至工程区域时，受姚家套北岬角遮蔽影响，波浪绕射进入湾内，使得人工沙滩上方波高分布呈自西向东逐渐增大的趋势。

（2）年均波浪作用下，沙滩大部分区域露滩，其中东侧约100 m左右沙滩前沿波高最大可达0.60 m以上。10 a一遇波浪作用下，沙滩前沿波高最大可达0.90 m。

（3）大连新机场建成后，受机场人工岛有效掩护，WSW向波浪得到阻挡，人工沙滩主要承受W向波浪作用；此外，由于外海来浪得到消减，从而人工沙滩上方波高亦有所减小。

（4）两个设计方案除东侧拦砂措施不同外，人工沙滩布置形式均基本相同，使得两方案人工沙滩区域波高分布差异微弱。

4.3 滩上泥沙活跃性分析

本文采用水槽试验对人工沙滩所铺1.0 mm滩沙进行了临界起动试验，总体来说，由于人工滩沙粒径选取为1.0 mm，属较粗的滩沙类型，且显著大于姚家套天然沙滩的底质粒径。因此，其在年均及10 a一遇波浪条件下的活跃性不强，沙滩西段滩沙难以起动，而沙滩东段滩沙虽可起动，但难以大量起动，沙滩应较为稳定。

5 滩上波生流速计算

本文采用平面二维波生流数学模型，对不同工况、不同波浪作用下的波生沿岸流流速、流向进行研究，可辅助判断泥沙运动的宏观量级及净输沙方向［3-6］。

波生流数学模型计算范围参见图1并采用三角形网格进行剖分。为精确分辨沙滩地形，最小网格间距在1.5 m左右。经计算：

（1）波生流分布均呈滩上水域流速高，外海流速低的趋势。在W向和WSW2个主导波向作用下，沿岸流方向自西向东，平面分布呈现一定的不均匀性，其中沙滩西段相对较低，而东段较高。正常条件下，滩上波生流速在0.15～0.40 m/s；10 a一遇波浪作用下，滩上波生流速达0.15～0.60 m/s，其中挡沙堤局部甚至可超过1.0 m/s。新机场建成后波生流速可有所降低。

（2）方案一东侧采用出水堤，沿岸流运动至堤前时受阻，从而波生流沿堤向外海流动，可能造成堤前堆积，部分可能绕过堤头继续向海输送；方案二东侧采用潜堤，在水位较高时，波生流可直接漫过堤身向东继续运移，可能造成滩沙的一定损失，这一差异在强浪作用下尤为明显。因此，从波生沿岸流运动规律及强度来看，方案一可更好的拦截沿岸输沙，效果应较方案二更佳。

（3）人工沙滩西段由于沿岸流速很低，以横向输沙为主，预计其岸线形态应不致明显变化；而在沙滩东段，沿岸流速相对较强，可能将对岸线进行重新塑造，建议在铺砂时加以适当考虑。

图4 波生流场分布图（设计高水位、年均WSW向浪）Fig.4 Wave⁃induced nearshore curren（thigh reservoir level，annual average wave）

6 沿岸输沙率估算

人工沙滩建设后的沿岸输沙率采用文献［2］推荐公式，所采用的理论为波能流法。其表达式为

式中：δ0为深水波陡；D为泥沙中值粒径。

公式中考虑了泥沙底质粒径和入射波陡对沿岸输沙的影响。沿岸输沙计算中，沙滩前缘波高、波向均自波浪数学模型中提取。估算结果显示，人工沙滩建成后，沿岸年输沙量不超过0.7万m3/a，量级属较低，其中沙滩西段输沙率较低，而沙滩东段则相对较高。

7 沙滩剖面合理性初判

相对于沿岸输沙而言，横向输沙的内在机理更为复杂。对横向输沙及其地貌响应的动力学模拟至今仍处在发展阶段，无通用的模式。因此，对沙滩剖面的研究多数采用经验公式进行定性分析，或通过波浪水槽实验手段进行物理模拟。本次研究中考虑到是对剖面的初判，从而选用经验公式的手段。

目前对平衡剖面的经验研究主要为Dean和Dalrymple提出的波能平衡理论，Dean⁃Dalrymple剖面表达式形式简单，易于计算，并通过对美国502个沙滩的实测剖面形态验证，具有良好的实用价值。其理论认为剖面前方波浪处于破碎状态，并将其与泥沙运动建立经验关系，其形式如式（4）

式中：h为水深；y为向海距离；F=ECg为波群能量；为波能；Cg= gh为浅水波群速度；κ为破波系数；D∗(d)为泥沙作用下的能量耗散率，可表示为

经推导，得到平衡剖面表达式为

图5 沙滩平衡剖面预测Fig.5 Balanced section prediction

式中：A(d)为与泥沙特性相关的经验系数，根据Dean的研究结论，其与泥沙沉速ω（单位采用cm/s）相关，见式（7）

本文通过对人工沙滩所铺滩沙进行的沉速实验来看，人工沙滩的滩沙样品平均沉速为9.85 cm/s，可求得A=0.183 3，与Dean的推荐值量级相符（0.1～0.2）。

通过计算可知（图5）：在天然沙滩平衡剖面条件下，人工沙滩高滩处岸坡较为陡峭，可达1：12，并随向外海逐渐放缓。总体来说，平衡坡度在1：32左右，与设计坡度（1：30）十分接近。因此，经初步分析，所设计的岸滩剖面是较为合理的。

8 人工沙滩建设条件综合分析

8.1 沙滩选址合理性

对人工沙滩建设而言，应重点关注两个问题：其一为预防侵蚀，即滩沙应具有一定的抗侵蚀性，沿岸输沙及横向输沙不应太强；其二为预防泥化，即滩沙上方不致由于动力环境过弱导致黏土沉积。综合考虑本次研究各专题成果，对沙滩选址合理性进行初步分析：

（1）从地貌学角度，金州湾水深较浅，坡度平缓，属消能性海滩。潮差小、潮流流速不强，且海域波高总体不大。拟建沙滩方案又进一步位于天然岬湾弧形海岸的上岬角内侧，来自外海的波浪可在一定程度上掩护，沿岸输沙不强，岸线可长期保持稳定，岸滩剖面设计是较为合理的。

（2）从选沙角度，设计滩沙粒径相对原沙滩更粗，抵抗侵蚀的能力更强，经分析，滩沙在正常波浪条件下的活跃性不高，对减小侵蚀量是有益的。

（3）大连新机场建设后，虽波浪动力有所减弱，但由于大范围海域缺乏有效的黏土补给，从而泥化风险亦不高，即使泥化也需时较长，易于维护。

（4）建议在现有方案基础上适时开展波浪泥沙整体物理模型工作，进一步确定沙滩正常及风暴潮侵蚀量、平衡岸线及平衡剖面形态，为设计方提供基础数据。

8.2 方案间差异分析

对于方案一和方案二而言，主要差异在于对沿岸输沙的拦截效果。经对比：

（1）从总体来看，两个方案建设后，滩上波高、波生流速及平面分布均相近，动力条件差异不大。

（2）对方案一而言，由于东侧采用出水堤拦沙，对自西向东的沿岸输沙拦截效果较高，但会导致在拦沙堤附近出现岸线的明显调整；对方案二而言，由于东侧采用潜堤拦沙，岸线调整幅度较方案一略小，但可能引起泥沙越过潜堤向东输送，特别是在来自偏西侧的风暴潮作用下尤为明显。尽管如此，其量级差异应该进一步通过物理模型试验确定，在造价、环境效益和年损失量间寻找平衡。

［1］徐啸，佘小建，毛宁.人工沙滩研究［M］.北京：海洋出版社，2012.

［2］JTS145-2015，海港与航道水文规范［S］.

［3］解鸣晓，张玮.近岸波生流运动三维数值模拟及验证［J］.水科学进展，2002，22（3）：391-399. XIE M X，ZHANG W.3D numerical modeling of nearshore wave⁃induced currents［J］.Advances in Water Science，2002，22（3）：391-399.

［4］房克照，刘忠波，邹志利.波生沿岸流数值模拟［J］.水科学进展，2013，24（2）：258-265. FANG K Z，LIU Z B，ZHOU Z L.Numerical simulation of longshore currents［J］.Advances in Water Science，2013，24（2）：258-265.

［5］王平，张宁川.非结构化网格下大范围波生流模拟和应用［J］.海洋工程，2013，31（5）：45-61. WANG P，ZHANG N C.Numerical simulation of large⁃scale wave⁃induced current on unstructured meshes and its application［J］. The Ocean Engineering，2013，31（5）：45-61.

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Study on construction condition about the artificial beach in Dalian kinchow bay

LI Wen⁃dan，XIE Ming⁃xiao，ZHANG Yi⁃feng，LI Xin
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，National Engineering Laboratory for Port Hydraulic Construction Technology,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China）

Based on various means of field reconnaissance,hydraulic characteristic experiment,approved wave and tidal current numerical simulation,wave⁃induced nearshore current numerical simulation and empirical formula computation,the stability and sludging of the man⁃made beach in Dalian kinchow bay was analyzed prelimi⁃narily after the construction.The results show that the location selection is feasible to construct the man⁃made beach,and the coastline of which can remain stable for a long time.Meanwhile,there has no risk of sludging in the area of project.From the scheme comparison,the two schemes have little difference in dynamic condition,but the ef⁃fluent dike in the first scheme has the better interception effect on longshore sediment transport.It is suggested to establish the wave and sediment integral physical model based on the data available to further determine the erosion amount,equilibrium shoreline and equilibrium section of the artificial beach to provide the basic data for designer.

artificial beach；stability;sludging;wave⁃induced nearshore current；numerical simulation；hy⁃draulic characteristic

U 656.3；O 242.1

A

1005-8443（2017）02-0126-06

2016-12-21；

2017-02-14

天津市自然科学基金青年项目（16JCQNJC06900）；国家自然科学基金青年科学基金项目（41306033）；交通运输部应用基础研究项目（2014329224330）；水文水资源与水利工程科学国家重点实验室开放项目（2014492211）

李文丹（1982-），女，天津市人，副研究员，主要从事港口航道与海岸工程研究。

Biography：LI Wen⁃dan（1982-），female，associate professor.