砾石堤坝和多孔方型鱼礁消浪护滩的试验研究-以北戴河西海滩为例

2022-09-28杨立鹏杨少鹏张芝永朱金龙

海岸工程 2022年3期

杨立鹏，杨少鹏，张芝永，朱金龙，拾兵

（1.青岛市运输事业发展中心,山东青岛 266061；2.山东科技大学海洋科学与工程学院,山东青岛 266590；3.浙江省水利河口研究院,浙江杭州 310020；4.山东省海洋资源与环境研究院山东省海洋生态修复重点实验室,山东烟台 264006；5.中国海洋大学工程学院,山东青岛 266100）

海滩是海洋与陆地的衔接区域，是海陆相互作用的缓冲区，是沿海区域重要的旅游资源，在滨海生产生活中发挥着重要作用。近年来，受台风频发、港口开发、河口整治、近海工程建设等因素的影响，海滩侵蚀越来越严重，已经成为各个沿海国家面临的普遍问题[1-3]。环渤海区域砂质岸线平均侵蚀速度约为1～2 m/a，局部甚至高达5～8 m[4]。众多滨海旅游胜地，如山东青岛、福建厦门、广西北部湾、海南三亚等海滩侵蚀都比较严重[5-7]。

由此，众多学者对海滩保护进行了大量研究。冯金良[8]、刘会欣等[9]、杨燕雄等[10]利用物理模型试验与数值模拟相结合的方式，对北戴河海滩侵蚀原因及人工沙坝防护效果进行了研究。吴建[11]、赵多仓等[12]、马悦[13]运用数值模拟、物理模型试验的方法研究了近海人工鱼礁、人工沙坝等生态构筑物对波浪消减和海滩养护的效果。徐杨杨等[14]以山东长岛为例探讨了砾石养滩的防护方法，对砾石填充厚度、粒径及滩肩扩宽等参数进行了具体研究。王立杨等[15]、黄祖明等[6]通过对海滩断面高程观测，从风浪叠加作用、海滩粒径变化、不同岸段变化等角度研究了台风对威海楮岛、北海银滩等海滩的影响。何岩雨等[16]采用GENESIS岸线演变模型，研究了海口人工岛作用下的海滩变化，提出了人工补沙和循环养护的生态修复措施。戚洪帅等[3]归纳总结了护滩技术的发展历程、世界各国采用的实践方法及未来养护的发展趋势。匡翠萍等[17]、赵友鹏[18]、黎树式等[1]提出通过滩肩补沙、实体工程、离岸潜堤、退塘还滩等途径以促淤保滩的方式对侵蚀海滩进行养护。虽然海滩保护方法研究已开展较多，但对砾石堤坝与多孔方型鱼礁共同作用下的消浪效果及岸滩防护的研究相对较少。因此，本文在前人研究的基础上，以北戴河西海滩为例，通过物理模型试验，探讨了砾石堤坝、多孔方型鱼礁等不同防护措施对近岸海滩的保护作用。

1 研究区域

北戴河西海滩位于北戴河老虎石公园至戴河口区域（图1），是北戴河开发历史最长的海滩，为基岩岬湾海岸向沙丘海岸的过渡区，海岸为人工护堤，后方为丘陵，海滩长约3.57 km，宽约20 m，向海侧400 m 水深2 m左右，潮差较小，是优良的天然浴场。海滩沉积物主要为细沙和中粗沙，平均粒径在1.26～2.76 mm。

图1 研究区位置及方案示意图Fig.1 Location and schematic diagram of the study area

西海滩自建国初期至80 年代岸滩侵蚀速率为2.31 m/a，80 年代至2000 年侵蚀速率为3.07 m/a，2002年至2007 年侵蚀速率为3.28 m/a。60 年代北戴河西海滩宽度均匀，平均宽度约110 m；80 年代海滩最宽约76 m；2000 年最宽处约为58 m；到2007 年，只能靠填沙维持，西海滩平均宽度变为17 m。

2 物理模型试验

2.1 物理模型试验布置

本试验在波流循环水槽中进行，水槽尺寸为30 m×0.6 m×0.8 m，最大试验水深为0.5 m，水槽一端为推板式造波机，另一端为消能设施，如图2 所示。为便于测量且充分研究不同防护措施对波浪的消减作用，本试验主要开展规则波作用下的岸滩演变研究，试验前先对波高仪进行标定，以消除系统误差。

图2 波流水槽试验立面图Fig.2 Wave-flow flume experiment (side view)

综合考虑试验条件、仪器测量精度等因素，确定试验采用正态模型，根据重力相似准则设计，其长度比尺为：λL=λh=20，泥沙粒径比尺为：λD=λL=20，泥沙沉速比尺为：λw=

2.2 试验参数和工况

防护措施主要是在近海区域水面以下修建砾石堤坝或人工鱼礁，对入射波浪产生消减作用，减弱近岸泥沙运动，减少波浪对岸滩的侵蚀，本试验中的防护措施分3 种工况，分别是堤坝防护、鱼礁防护、堤坝+鱼礁共同防护。砾石堤坝采用粗砾堆积形成，其中70%粒径为5～7 mm，30%粒径小于5 mm，原型宽度约100 m，高1 m，距离基点(岸边起始点0 m 处)约170～270 m；试验采用中值粒径为0.3 mm 的天然沙作为模型沙。鱼礁采用多孔方型透空结构，原型顶高程-1.8 m，宽10 m，位置距离基点约450 m。鱼礁工况试验采用一体式，其结果布置如图3 所示，堤坝+鱼礁工况断面布置如图4 所示。工程海域横断面地形如图4b 所示。

图3 多孔方型鱼礁结构布置Fig.3 Arrangement of the porous square reef

图4 堤坝+鱼礁工况断面布置Fig.4 Section layout for the case of gravel dam+reef

通过对秦皇岛海洋站潮位资料进行统计分析，研究区海域主要潮位特征值为：极端高水位2.66 m、设计高水位1.35 m。故本试验选用2.66、1.35 和0 m 三种试验水位，并通过试验获得各水位对应的极限波高（即运用波流水槽模拟海洋环境，试验时保持水位恒定，逐渐增加波高，直至得到该水位波浪破碎前的最大波高），以此作为外海入射波高。试验水位及入射波高参数如表1 所示。各防护措施如表2 所示。

表1 试验水位及入射波高Table 1 Parameters for the experiment

表2 试验工况Table 2 Cases for the experiment

3 试验结果分析

3.1 波浪消减

为便于分析，设1 号波高测点位于堤坝与鱼礁之间，距基点328 m 处（堤坝向海方向约60 m）；2 号波高测点位于堤坝后，距基点122 m 处（堤坝向岸方向约50 m）。本试验选用透射系数作为衡量各防护措施消浪效果的参数；2 号测点位于所有防护措施的后方，波高受堤坝、鱼礁作用后明显减少，因此将2 号测点波高与入射波高的比值作为波浪透射系数。不同水位及防护措施下的波高如表3 所列。同一水位下，各防护措施的透射系数变化规律为：鱼礁＞堤坝＞堤坝+鱼礁；同一防护措施下，堤坝、堤坝+鱼礁工况下透射系数随水位及波高的增加略有增加，其中堤坝+鱼礁工况的消浪效果最明显，对应透射系数分别为0.21、0.27、0.36；其次为堤坝工况，分别为0.24、0.29、0.37；鱼礁的透射系数最高，说明单排鱼礁对近岸波浪的消减作用不明显且有可能引起近岸波浪的汇聚[11]，但其对深水区的波浪具有一定的消减作用。

表3 不同水位及防护措施下的波高Table 3 Wave heights under different cases and water levels

3.2 输沙率

因堤坝迎浪面顶端位置波能耗散较大，泥沙运动剧烈，故本试验选取距基点258 m 处（堤坝向海方向的顶端位置）作为3 号测点测量输沙率。不同水位及防护措施下的单宽输沙率如表4 所示。同一水位不同防护措施下的单宽输沙率变化由大到小为：堤坝、堤坝+鱼礁、无防护、鱼礁；同一防护措施不同水位的单宽输沙率由大到小为：2.66 m、0 m、1.35 m；单宽输沙率最大值出现在2.66 m 水位下的堤坝工况，其值为54.4 kg/(m·s)。这说明堤坝工况下，泥沙向岸输移量较大，有利于岸滩防护，但堤坝迎浪面的泥沙运动比较剧烈。堤坝+鱼礁工况的单宽输沙率为33.6 kg/(m·s)，是堤坝工况的0.62 倍，说明该防护措施既能增加向岸输沙率又能减弱堤坝迎浪面的泥沙运动。

表4 不同水位及防护措施下的单宽输沙率Table 4 Sediment discharge rates under different cases and water levels

3.3 水下坡度角

根据试验测量资料，对堤坝、堤坝+鱼礁两种防护措施下堤坝迎浪面的水下坡度角进行了分析，结果如图5 所示。水下坡度角随极限波高的增大呈现先增大、后减小的趋势。堤坝工况下，坡度角在0 m 水位时最小（约3.5°），1.35 m 水位时最大（约5.0°）；堤坝+鱼礁工况下，坡度角在2.66 m 水位时最小（约1.2°），1.35 m水位时最大（约1.7°）；堤坝工况的坡度角约是堤坝+鱼礁工况的2～4 倍。这说明，堤坝单独防护时，其迎浪面区域泥沙运动剧烈，引起前坡变陡；而堤坝+鱼礁共同防护时，鱼礁的存在消减了深水波浪，减弱了泥沙运动，堤坝整体变形程度较小[13]。

图5 水下坡度角随极限波高的变化Fig.5 Variation of the slope angle with the extreme wave height

3.4 地形变化

3.4.1 地形冲淤

为便于测量，本试验将原型中0 m 处1.8～3.0 m 高程段的水平距离扩展为-28～0 m，高程扩展为2.0～3.0 m，其中2.0 m 高程段长8 m，2.0～3.0 m 高程段长20 m。

0 m 水位时以极限波高（2.07 m）冲刷7.5 h 后，各防护措施下的海床面地形变化如图6 所示。对于堤坝及堤坝前的外海区域：无防护时，泥沙在260～320 m范围内淤积；堤坝工况下，泥沙在280～310 m 范围内淤积，且在290 m 处形成一个高度约0.9 m 的沙垄；鱼礁工况下，地形无较大变化；堤坝+鱼礁工况下，泥沙主要在堤坝顶端170～250 m 范围内淤积，且在堤坝迎浪面顶端形成一个高度约0.5 m 的沙垄，对堤顶保护效果明显。

图6 0 m 水位不同防护措施下地形变化Fig.6 Variation of topography for different conditions under the same water level

对于堤坝后的近岸区域：各防护措施的主要作用范围为40～135 m。无防护和鱼礁工况下，泥沙在40～110 m 范围内淤积，淤积高度略高于原始地形，在110～135 m 范围内发生冲刷；堤坝及堤坝+鱼礁工况下，地形无明显变化，对近岸区域防护较好。1.35 m 水位时各防护措施加波7.5 h 后近岸地形变化如图7a 所示。各防护措施主要作用区域由0 m 水位的40～135 m 变为-2～40 m 范围，其中-2～16 m 区域淤积，16～40 m 区域冲刷。无防护时泥沙在-2～14 m范围内淤积，最大淤积高度约为1 m；在14～40 m 区域发生冲刷，最大深度约为1.3 m；说明岸滩侵蚀较严重，且易在近岸区域形成海沟。堤坝工况下，淤积范围由无防护时的-2～14 m 变为2～14 m；鱼礁工况下，淤积范围与堤坝工况近似，淤积高度仅为堤坝的0.5 倍，且在24 m 处冲刷较严重，最大深度约为1 m；堤坝+鱼礁工况下，淤积范围由无防护时的-2～14 m 延伸至6～18 m，且18～40 m 区域冲刷较浅。

图7 不同水位下各防护措施近岸地形变化Fig.7 Variations of nearshore topography under different cases and water levels

2.66m 水位时各防护措施的地形变化规律（图7b）与1.35 m 水位时类似，近岸淤积范围由1.35 m水位的-2～16 m 变为-24～0 m，范围拓宽了33%；在20～40 m 区域内冲刷更为严重。其中，无防护时在30～40 m 处冲刷形成深度约为2 m 的海沟；堤坝工况下该范围变为75～85 m，向海方向推移了2.5 倍距离，也形成深度约2 m 的海沟；其他工况下未出现类似海沟。

3.4.2 地形恢复

为研究同一防护措施在不同水位经历大浪作用后的地形变化，本试验先将各防护措施水位调至极端高水位（2.66 m），在该水位以对应的极限波高（4.51 m）冲刷1.5 h 后测量地形变化；然后将水位降至设计高水位（1.35 m），以该水位对应的极限波高（3.76 m）冲刷4.5 h 后测量地形变化；最后将水位降至0 m，以该水位对应的极限波高（2.07 m）冲刷9 h 后测量地形变化。各工况下海床面地形变化情况如图8 所示。

图8 不同防护措施下的地形变化Fig.8 Variations of topography under different cases

无防护时（图8a），极端高水位（2.66 m）波浪作用后，近岸泥沙在-10～5 m 区域内淤积，最大淤积高度约0.5 m；低水位（0 m）波浪作用后，泥沙在-10～10 m 区域内淤积，最大淤积高度约1.1 m，岸滩地形防护边界向海方向拓展至约10 m 处。

堤坝工况下（图8b），低水位波浪作用后，近岸泥沙在-4～14 m 区域内淤积，最大淤积高度约1.3 m，岸滩地形防护边界向海方向拓展至约14 m 处，与无防护工况相比，海域范围拓展了40%，大浪形成的海沟可完全恢复至初始地形，堤顶泥沙淤积明显且在230 m 处形成高度约为0.5 m 的沙垄。

鱼礁工况下（图8c），低水位波浪作用后，近岸泥沙在-10～12 m 区域内淤积，最大淤积高度约1.1 m，岸滩地形防护边界向海方向拓展至约12 m 处，与无防护工况相比，海域范围拓展了20%，其他区域地形变化不明显。

鱼礁+堤坝工况下（图8d），低水位波浪作用后，近岸泥沙在-4～16 m 区域内淤积，最大淤积高度约0.8 m，岸滩地形防护边界向海方向拓展至约16 m 处，与无防护工况相比，海域范围拓展了60%，大浪形成的海沟可完全恢复至初始地形，40～140 m 区域及堤顶范围内泥沙淤积明显，且在220 m 处形成高度约为1 m 的沙垄，地形恢复效果优于堤坝工况。