日照港退岸还海项目人工沙滩拦沙堤布置研究

邵铁政，郭富林

(1.中交水运规划设计院有限公司，北京100007；2.中交疏浚(集团)股份有限公司，上海 200092)

砂质海岸经常被自然岬角所分割，在风浪作用下，一般会将其塑造成稳定的不对称的弧形海岸-岬湾海岸。岬湾弧形海岸是指沙源不充足的岬湾在常年优势浪向的波浪作用下，岬角后的岸线成弧形，远离岬角的下方岸线呈现与盛行主波向垂直的切线形，在这类岸线的演化中，最终呈现出螺线型或抛物线型岸线。

根据岸滩的稳定性特征，岬湾沙质海滩一般可分为静态平衡、动态平衡和不稳定三种状态。当上游来沙或陆域来沙与海湾输出泥沙平衡时为平衡状态，称之为“动态平衡”；当岸线侵蚀到极限位置，波浪沿海岸边界同时破碎，沿岸输沙为零时称之为“静态平衡”[1]。

岬湾海滩地貌以往的研究主要集中在特定区域的经验模拟，形态模型主要有对数螺线型、双曲线型、抛物线型、椭圆模型等。然而大多数的形态模型只考虑了海岸的几何要素，忽略了波浪和岬角位置，抛物线模型作为判定岸线稳定性应用最广泛的平面模型，充分考虑了以上因素，是评价岸滩稳定和预测人工构筑物引起岸线变化方面较好的理论机制[2]。

根据Hsu 和Evans[1]对27个实际海岸的现场形态拟合，提出天然条件下的岬湾平衡岸线地貌多具有抛物线型结构，也可称为抛物线型平衡岸线理论(Parabolic Model)[3]。

由于抛物线型岬湾平衡岸线理论能较好地拟合岸线平衡后的形态，目前该理论已应用于实际养滩、造滩工程中。特别是对人工沙滩设计而言，解鸣晓等[3-4]指出由于其缺乏外界沙源补充，宜采用岬湾弧形海岸理论进行设计，并成功修复了潍坊滨海人工沙滩，该沙滩已成功运行多年，稳定性良好，证实了其理论是正确的。

鉴于以上原因，本文结合日照退岸还海项目中人工沙滩的使用需求，采用抛物线型岬湾弧形平衡理论，通过数学模型分析的手段对南拦沙堤的布置方案及铺沙范围加以研究，并通过物理模型试验对拦沙堤的布置进行了验证，优化了北拦沙堤的长度，阐述了本项目拦沙堤设计的思路，为同类型项目提供参考。

1 项目概况

图1 本工程地理位置示意图

本工程所处位置为石臼港区煤炭堆场，整治岸线长度1 882.7 m，其东北侧紧邻日照市著名的万平口旅游风景区，西侧为城市居民区。煤堆场货物在作业过程中产生的粉尘对周边风景区及居民生活区均造成了一定不利的影响，呈现城市风景区与港口散货作业区“一墙之隔”的尴尬局面。其堆场外侧为人工直立式或抛石斜坡护岸，与北侧游海岸线的整体形象不协调，不利于旅游海岸线整体形象的塑造，影响了城市旅游业的发展。为了把海岸线更科学地回归自然，本项目拟将现有煤堆场护岸修复成一段人工沙滩(图1)。

工程所在海域处于弧形海湾基岩岬角区，两侧海湾弧度小，在远离岬角的岸段近于平直，岬角两侧在原自然状态下发育沙滩。波浪是沙滩沙活动运移的主要动力因素，根据波浪作用下的沿岸输沙计算，由于工程岸线为NNW-SSE向，SSE-E向浪对海岸作用较强，工程岸段海岸泥沙总体净运移趋势为由南向北运移。若形成人工沙滩，在没有掩护条件下，人工补沙打造而成的人工沙滩将持续由南向北输运，难以存留。且工程区人工直立护岸会加强波浪反射作用，尤其在台风季节，波浪对海底作用较强，使泥沙向海横向流失严重。工程区余流方向为由北向南，且余流流速较大，当较强的波浪作用海底掀起泥沙时，潮流会将部分悬移质沉积物由向南输运。且工程岸段处于基岩岬角附近，海底坡度较大，不利于泥沙的存留。因此，在波、流共同作用下，海底沙也难以存留。

由上述分析表明，在现状情况下，工程岸段依靠自然力量形成沙滩较难，如不采取工程措施，泥沙将难以存留。根据工程区的水动力泥沙条件及开发现状，打造人工沙滩并使其得以维持需解决以下几个问题：

(1)阻挡南、东南向向浪，截断泥沙由南向北的沿岸运移趋势，防止泥沙沿岸流失；

(2)阻止泥沙在强流作用下由北向南的输运，防止海底泥沙流失；

(3)结合沙滩的功能及景观需求确定沙滩平衡形态，进而确定沙滩的铺沙范围；

(4)对侵蚀严重岸段进行保护，满足沙滩的使用需求，降低北侧沙滩流失对景区水环境的影响。

图2 抛物线平面形态模型示意

目前，抛物线型岬湾平衡岸线理论已应用到很多养滩、造滩的工程中。实际工程中，可根据该理论拟合的平衡岸线形态来确定人工沙滩的铺沙范围，也可根据该理论确定对沙滩起保护作用的人工构筑物的范围和长度。本项目拟建沙滩主要用于景观娱乐，拟在工程区护岸前建设人工沙滩。在现状情况下，工程岸段依靠自然力量形成沙滩较难，如不采取工程措施，泥沙将难以保持稳定，会有大量的泥沙流失，因此需要根据工程区的水动力泥沙条件及开发现状，合理地布置拦沙堤稳定沙滩形态，防止泥沙的流失。本项目参考天然岬湾海滩形态特点，利用抛物线型岬湾平衡岸线理论，通过建设拦沙堤等人工构筑物保证沙滩的稳定性，同时确定合理的补沙范围，对侵蚀严重的区域进行掩护，达到沙滩的使用需要(图2)。

1.1 水文气象概况

工程区域常风向、次常风向分别为N向、NNE向，强风向、次强风向分别为N向、NNE向。潮流为正规半日潮，潮流往复运动主流向为NE-SW。常浪向E向，次常浪向为ENE向、ESE向，强浪向为ENE向，该向H1/10≥3.0 m的波高出现频率为0.09%，次强浪向为E向，该向H4%≥3.0 m的波高出现频率为0.03%[5]。

1.2 地形地貌

日照陆域地貌为侵蚀剥蚀低山丘陵，属于基岩砂砾质海岸，基岩岬角与砂砾质海湾相间分布，凸出水中的基岩岬角自北向南有出风岛、胡家栏和石臼咀，岬角之间发育沙质海岸。在石臼港煤码头引桥至煤堆场段基本全部为基岩海岸，低潮时未出露。日照港煤堆场夹角处有一段凹入的长约100 m、宽约20 m的沙滩，主要成分为细砂，其成因可能是煤堆场建成后形成夹角海岸侵蚀的来沙堆积。

1.3 泥沙来源

(1)河流来沙。

本区泥沙净运移方向为自北向南，工作区南部的河流输沙非常少。在工作区北部有王戈庄河、两城河、白马河等入海。矿物分析表明，本区水下岸坡属两城、白马河矿物组合区，因此本区河流来沙主要是两城、白马河所致。两城、白马河年均输沙量分别为38万t、32.7万t。加上近年来，流域来水减少及挖沙，输沙量应该有所减少，因此，每年河流输沙到达工程区泥沙远小于70万t。

(2)海岸侵蚀来沙。

本区水下岸坡的松散沉积物厚度比较小。据钻孔分析，冰后期海侵以来海相沉积层的平均厚度为8～11 m，最大不过20 m，其下为陆相冲洪积物和基岩风化壳。这说明长期地质历史时期所形成的松散沉积物储备并不充沛。冰后期以来水下岸坡的沉积速率非常低，平均每年在1 mm以下。

1.4 海底沉积物

工程区海底沉积物砂含量为20%～30%，粉砂含量为60%～80%，粘土含量小于10%，说明工程区海底沉积物主要以粉砂质及砂质颗粒物质为主。其中砂主要分布在石臼港南侧港池外侧及帆船航道北侧沙滩，砂含量为30%～50%。粉砂分布范围较广，几乎在整个研究区域均有分布。粘土含量主要分布在南侧港区港池内及海底5 m以深的海域，含量为10%～40%。

1.5 人工沙滩的基本设计参数

(1)人工沙滩的粒径选取。

根据《日照万平口与石臼港疏浚砂样分析报告》，万平口高潮滩沉积物中值粒径为0.624 mm，中潮滩沉积物中值粒径在0.340～0.378 mm之间，低潮滩沉积物中值粒径为0.201 mm。选取中潮滩沉积物，中值粒径在0.340～0.378 mm之间的泥沙作为补沙最为理想，采用石臼港航道疏浚沉积物，中值粒径在0.408～0.629 mm之间，由于波浪的分选作用，中潮滩沉积物也会调整为0.35 mm左右的泥沙。因此选择中值粒径为0.35 mm[6]。

(2)人工沙滩坡度。

根据搜集到的部分天然沙滩的物质组成及沙滩坡度，海滩坡度和沙滩沙颗粒存在正相关关系，基本呈沙滩沙粒度越粗，海滩坡度越陡的趋势。本项目区沙滩粒径中值粒径选为0.35 mm泥沙，因此根据天然海滩坡度的经验，坡度为海滩前滨坡度33.3‰～67.2‰。

根据Dean平衡剖面理论[7]

h(y)=Ay2/3

(1)

式中：h为距离海岸线y处的水深，A为剖面尺度参数。根据Moor给出的A与沉积物粒径D的关系确定。

由图3和图4可知，中值粒径为0.35 mm左右时，人工沙滩的平均坡度为1/32～1/55，综合坡度按1/40考虑。

2 南拦沙堤的布置

为阻挡工程区南向浪向北侧沿岸输沙，以及潮流向南侧的悬沙输运，需要在工程区南侧建设一定规模的拦沙堤，以截断泥沙沿岸流失。

图3 剖面尺度参数的变量A和沉积物粒径D关系

Fig.3 Relationship between variableAof profile scale parameter and sediment particle sizeD

图4 理论平衡剖面图

Fig.4 Theoretical equilibrium profile

2.1 南拦沙堤比选方案的提出

图5 南拦沙堤方案一

Fig.5 Scheme I of south debris dam

图6 南拦沙堤方案二

Fig.6 Scheme II of south debris dam

图7 南拦沙堤方案三

Fig.7 Scheme III of south debris dam

根据波浪统计资料，作用在工程海区的波浪有明显的季节变化，综合来说，常浪向和强浪向均为E向浪，出现频率为23.85%，因此，南拦沙堤的布置对沙滩的掩护起到了主要作用，同时可以阻断沙滩的南向输沙。因此在南拦沙堤的设计过程中，结合工程海域的地形，考虑了三种拦沙堤的长度，通过数学模型试验对沙滩的平衡形态进行预测，三个方案的拦沙堤长度不同，对工程区起作用的浪向进行矢量合成，作为主浪向，方案一及方案二合成后主浪向均为E偏N 9°，方案三合成后主浪向为E偏N 14°。通过对三个方案岸线形态及建设后泥沙运动情况的分析，确定最优的拦沙堤布置方案(图5～图7)。

为了有效地保护人工沙滩的稳定性，拟在工程区域南侧考虑了三种不同长度的挡沙堤方案进行比选。

(1)方案一。

方案一南侧的拦沙堤长度较短，堤头位于约11 m水深处，设置弧形挡沙堤1 220 m，该方案对南向浪和东南偏南方向波浪掩护较为明显，掩护后对内侧岸线的主浪向为东向。作用在整个近岸工程区域的波浪波高大致在0.7～0.8 m的范围内；因拦沙堤较短，掩护区域较小，不足三分之一的沙滩岸线在拦沙堤的掩护区域内，掩护区内波高在0.08～0.6 m范围内。

(2)方案二。

为了更好地对东南向浪形成掩护条件，方案二的拦沙堤长度较方案一稍长，堤头位于约10 m水深处，设置弧形挡沙堤1 440 m，作用在整个近岸工程区域的波浪波高大致在0.7～0.8 m的范围内；三分之二的沙滩岸线在拦沙堤掩护区内，波高在0.08～0.7 m范围内。

(3)方案三。

方案三拦沙堤与方案一、方案二西侧起点相同，堤头位于约8 m水深处，轴线走向略向外海推移，同时东端点向东北偏移，堤头位于-8 m水深处，总长2 000 m。整个沙滩岸线均在拦沙堤的掩护区内，波高在0.0～0.72 m范围内。

2.2 沙滩平衡形态预测

根据沙滩设计的要求，护岸应保持一定宽度的干沙滩。采用MEPBay数学模型试验[6]对人工沙滩长期稳定后的平衡岸线形态进行模拟预测(图8～图10)。

图8 方案一平衡岸线形态

Fig.8 Scheme I balance shoreline shape

图9 方案二平衡岸线形态

Fig.9 Scheme II balance shoreline shape

图10 方案三平衡岸线形态

Fig.10 Scheme III balance shoreline shape

方案一为短拦沙堤方案，本方案输沙方向总体上呈自南向北的趋势，南侧输沙强度较弱。稳定后虽然南、北侧均能保留部分沙滩，但是中间岸段侵蚀较为严重，最窄处干沙滩宽度不足20 m，不能满足沙滩的功能需求。

方案二较方案一堤头向北延长约220 m。由于拦沙堤延长后对岸线的掩护区域较方案一范围更大，有利于沙滩的稳定，稳定岸线干沙滩边缘较方案一向海侧推进。方案二输沙方向北部为自南向北，南部为自北向南，南侧沙滩在挡沙堤根部有淤积趋势，北侧岸线及中部岸线虽然仍有部分侵蚀，但是平均干沙滩宽度在40～60 m范围，侵蚀的强度较方案一明显减弱。

方案三为长拦沙堤方案，相对于方案二，堤头位置向北侧延伸约560 m，对整段岸线形成了掩护，虽然对于沙滩的稳定更为有利，但是由于拦沙堤过长，基本形成了半封闭的水域，南向波浪作用较弱，输沙方向总体呈由北向南趋势，在南侧形成了较大范围的淤积，干滩宽度大部分超过了120 m，不利于岸线景观功能的实现。

2.3 工程后泥沙运动情况分析

根据《港口与航道水文规范》(JTS 145-2015)规定：当岸线比较平直时，可采用波能法确定沙质海岸沿岸输沙率，按以下公式计算

(2)

(3)

(4)

式中：q为沿岸输沙率，m3/s；δ0为深水波陡；Cb为破碎波速；αb为波浪破碎时波锋线与等深线之间的夹角，(°)，恒小于90°；D取中值粒径。

计算参数所选用的波浪数据为石臼港1997～2011年波浪数据基础上推算得出的，破碎波高小于2.2 m，破波带在3.5 m以浅[6]。

工程区域范围内由北向南选取5个剖面分别计算工程区各段沿岸输沙方向及输沙量，计算结果如表1。

表1 工程后各方案沿岸输沙率计算结果输沙量

注：“-”为南向北输沙，“+”为北向南输沙。

图11 方案一输沙方向示意图

Fig.11 Scheme I sand transport direction

图12 方案二输沙方向示意图

Fig.12 Scheme II sand transport direction

图13 方案三输沙方向示意图

Fig.13 Scheme III sand transport direction

由计算结果可知，平面方案一净输沙方向均为南向北，年净输沙量约21.3万m3；而平面方案三输沙方向均为北向南，年净输沙量130.7万m3。两种方案均会造成泥沙偏向一个方向的流失，不利于沙滩沙的存留(图11～图13)。

平面方案二防波堤建设完成后沿岸净输沙方向南侧已形成北向南的输沙，尤其在中间段位置基本已达到输沙平衡的结果，南北向均有一定程度的输沙，但各点的输沙量并不是很大。

2.4 南拦沙堤推荐方案

综合分析以上方案，南侧建设挡沙堤能对沙滩起到一定的保护作用。方案一和方案二沙滩中段均表现为部分侵蚀，其中方案一侵蚀较严重，方案二较方案一的平衡岸线向海推进；方案三平衡岸线继续向海推进，能使得护岸前保持较宽的干沙滩，但南拦沙堤过长，导致拟建沙滩南部会产生较强淤积，铺沙量较大，也不适宜休闲娱乐。综合以上分析，方案二沙滩平衡后的效果较好，南拦沙堤采用方案二的布置形式，沙滩铺沙线也参考该方案的平衡岸线形态来设计考虑。

3 北拦沙堤的布置

通过以上的研究初步确定了南拦沙堤的布置形式及沙滩的铺沙范围，数模试验成果显示南拦沙堤的布置基本可以起到阻挡南、东南向向浪，截断泥沙由南向北的沿岸运移趋势的作用，但是工程区域北侧是已有风景区，对水质的要求较高，沙滩的建设应该尽量降低对北侧景区的影响。同时，根据2.2节对平衡岸线的分析，在北侧岸线及中部岸线侵蚀较为严重，需要增加人工建筑物降低北侧沙滩的流失。

3.1 北部沙滩掩护形式的选择

根据以往人工沙滩设计经验考虑了以下几种方式：

(1)在沙滩中部设置挡沙堤，设计过程中分别考虑了在沙滩中部设挡沙堤的方案，并进行了数学模型试验对比分析，通过数模试验结论得知，该方案虽会使得挡沙堤附近沙滩较宽，但也阻拦了泥沙随季节的南北运移，破坏了沙滩的整体动态平衡状态，使得北段沙滩处于侵蚀状态，而南段沙滩处于淤积状态[8]。而且沙滩中段加挡沙坝也会影响整个沙滩的景观，因而不推荐中间布置挡沙堤方案。

(2)设置离岸堤，该形式可以达到中段沙滩宽度增加的效果，且对泥沙南北运移影响较小，因此作为比选方案之一考虑。

(3)在北侧布置拦沙堤，与南拦沙堤形成凹形弧形沙滩，该形式经济性和景观性均较好，而且可以在一定程度上防止客沙向北侧流失，避免流沙对北侧景区水域的影响。

为了对比岛堤方案和北拦沙堤案方案，与南拦沙堤共同作用下，哪一种更适合本项目，进行了物理模型试验[8]，通过对比稳定岸滩的宽度、泥沙的流失情况选择合理的布置方式。

物理模型对以下几个方案进行了分析：

方案一：北侧无拦沙堤、岛堤(图14)。

方案二：北侧增加离岸岛堤，岛堤设置在距离连接平台区堤头约160 m位置，长度约360 m(图15)。

方案三：北侧布置410 m的直立拦沙堤，堤头位于-7 m水深处(图16)。

图14 无拦沙堤、岛堤

Fig.14 Original scheme

图15 离岸堤方案

Fig.15 Island breakwater scheme

图16 北拦沙堤方案

Fig.16 North breakwater scheme

表2 各方案常海况1 a作用后沙滩流失量及滩肩宽度

注：整个沙滩流失统计主要分为3部分，第1部分为沙滩沙受波、流影响，形成横向输移至沙滩坡脚以外无法恢复区域的沙量；第2部分为沙滩沙越过南侧潜堤进入南侧湾内的沙量；第3部分为沙滩沙绕过侧堤头进入景区的沙量。

根据模型试验结论：在常海况下作用1 a后，沙滩流失方面：方案一及方案二总体流失量相当，方案二略小，说明岛堤方案对控制沙滩流失的控制并不明显，而且方案一与方案二对北侧沙滩绕过堤头进入景区的流失量较大，对北侧景区影响较为明显，方案三沙滩流失量明显较少，且很好地控制了北侧沙滩向景区的流失。滩肩宽度方面：方案一及方案二沙滩宽度沿南北变化较大，最窄的沙滩均出现在北侧端部及南侧端部，方案三沙滩宽度分布较均匀，最窄处出现在沙滩北侧端部，经过分析，该处的冲刷主要是由于直立堤段的波浪反射引起的，可通过对北拦沙堤长度及结构形式的优化进行调整。因此，推荐北侧布置拦沙堤的方式，与南拦沙堤共同作用维持良好的沙滩平面形态，并能够起到较好的控制泥沙流失的作用(表2)。

3.2 北拦沙堤的优化

考虑到北拦沙堤的直立段引起的波浪反射对沙滩根部造成了冲刷影响，因此对北拦沙堤的结构形式和长度进行了调整、优化。北拦沙堤取消直立沉箱段和部分斜坡段，对北拦沙堤长度300 m、280 m、250 m分别进行了试验。其中对300 m长度的北拦沙堤的总体滩肩宽度及流失量进行了分析，由于280 m、250 m北拦沙堤长度的调整较小，对总体的流失量及滩肩宽度影响不大，重点在于对北侧景区沙滩流失的影响，对后两个方案第3部分的流失量进行了分析[9-10]，为拦沙堤长度的优化提供支持(表3)。

表3 优化方案常海况1 a作用后沙滩流失量及滩肩宽度

通过模型试验结果可知，当北拦沙堤长度缩短至300 m，取消直立段后沙滩总流失量变化不大，但是明显改善了对北侧沙滩的冲刷情况，沙滩宽度分布区域平均，最窄处滩肩宽度约40 m，可满足沙滩的使用需求，且工程经济性更佳。随着北拦沙堤长度的缩短，绕过堤头向北侧景区流失的沙量增加，因此通过对比分析，结合工程的经济性，推荐北拦沙堤长度为300 m。

4 沙滩的维护方案

通过岸线变化的分析以及以往人工沙滩工程的经验得知，拦沙堤的布置减少泥沙的流失，保证沙滩的稳定，人工沙滩的补沙通常不是一劳永逸的，而是一种人工沙滩的维护，因此，通过物理模型试验[8]对推荐平面方案进行了对沙滩的泥沙输移变化、冲淤、海滩平衡等方面的验证并给出了维护方案。

结果表明在常海况连续作用3 a，前2 a变化较大，第3年基本达到稳定，每年流失率在0.7万m3左右，表明拦沙堤的布置能有效保护整个沙滩，沙滩内的泥沙基本是在拦沙堤之间输移。

常海况浪、流作用，在第4年时则沙滩需要开始维护；重现期波浪作用，重现期10 a后，则沙滩需要维护，尤其是在ESE和ENE向浪过后；重现期50 a波流作用，则沙滩需要立即进行维护。维护位置主要在沙滩中间位置，维护量为每年平均约为0.7万m3，但考虑到受人类活动和自然条件(风、降雨等)联合作用的影响，沙滩的流失量将会增加，因此需定期对沙滩进行监测，根据监测的结果及时补充沙量，保证沙滩宽度。

5 结语

本工程的建设条件为在近于平直的岸线建设人工沙滩，人工沙滩的设计要关注两个方面：(1)人工沙滩必须遵循海岸演变的自然规律，根据海域的水动力条件和泥沙运动情况合理地考虑掩护措施和铺沙范围；(2)对掩护方式的选择，需要结合工程的实际情况对比分析出适宜、可行的布置形式。

本项目在设计过程中，通过进行数学模型试验分析工程前后的波浪潮流情况，作为分析泥沙活动、沙滩平衡形态基础资料，在没有掩护的条件下，人工补沙打造的人工沙滩将持续由南向北输运，沙滩难以留存，因此本文基于抛物线型岬湾平衡岸线理论，通过数学模型试验确定了沙滩的铺沙范围和南拦沙堤适宜长度的布置。南拦沙堤长度在1 440 m左右情况下，长期稳定的沙滩岸线作为沙滩的铺沙范围的参考，该方案下泥沙的掩护效果良好，且沙滩的滩肩宽度景观适应性较强。针对侵蚀比较严重的北侧和中部位置，通过对比分析中部挡沙堤、离岸岛堤、北部拦沙堤等不同的掩护形式的景观性和对泥沙运动的影响，比选出设置北拦沙堤进行掩护。对北拦沙堤的长度也通过模型试验的方式进行了优化，对比沙滩流失情况及稳定后的滩肩宽度确定了300 m的北拦沙堤的长度作为推荐方案。同时，人工沙滩工程是要保持沙滩的动态平衡，不能期望通过人工构筑物的布置实现一劳永逸的效果，在设计过程中对维护方案进行充分考虑是十分必要的。拦沙堤的布置直接影响人工沙滩的稳定后的沙滩滩肩宽度及沙滩流失，关系到沙滩建成后的使用效果及对周边环境的影响，希望本项目关于拦沙堤的布置设计思路可以为而其他类似人工沙滩工程的设计和建设提供可借鉴的经验。