解鳴曉，李　姍，侯志強

（1.南京水利科學研究院，水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇南京210029；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所，工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，港口水工建筑技術(shù)國家工程實驗室，天津300456；3.中交天津港灣工程研究院有限公司，中國交建海岸工程水動力重點實驗室，天津300222）

綜合

岬灣平衡海岸理論在人工沙灘岸線設(shè)計中的應(yīng)用

解鳴曉1，2，李姍3，侯志強2

（1.南京水利科學研究院，水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇南京210029；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所，工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，港口水工建筑技術(shù)國家工程實驗室，天津300456；3.中交天津港灣工程研究院有限公司，中國交建海岸工程水動力重點實驗室，天津300222）

基于岬灣平衡海岸理論，以濰坊濱海旅游度假區(qū)人工沙灘實際工程為例，對沙灘的防護方案選取進行了探討，對比了不同丁壩平面布置形式對平衡岸線形態(tài)的影響，最終推薦了合適的防護方案及其對應(yīng)的沙灘平衡岸線線形。經(jīng)現(xiàn)場實際整治效果檢驗，證實了岬灣平衡海岸理論在人工沙灘防護工程及平衡岸線設(shè)計中的有效性。

岬灣平衡海岸理論；人工沙灘；丁壩防護；平衡岸線

0　引言

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展及海岸資源的開發(fā)，人造沙灘工程成為建設(shè)熱點。天然條件下沙灘地貌與動力條件是相互適應(yīng)的共生體，近岸波浪、波生流等動力驅(qū)動泥沙輸運并重塑岸線，而新的岸線形成后又將改變沙灘前沿的波流條件，經(jīng)反復(fù)調(diào)整后，最終實現(xiàn)動力與岸線形態(tài)的動態(tài)平衡。在人工沙灘的規(guī)劃設(shè)計中，合理的岸線走向是重要的參數(shù)。在條件允許的情況下，岸線走向布置應(yīng)盡可能接近平衡岸線形態(tài)，這樣可有效避免沙灘鋪設(shè)后岸線的再調(diào)整，控制岸線的穩(wěn)定性。因此，合理預(yù)測人工沙灘的平衡線形是設(shè)計中的關(guān)鍵問題，對其研究十分必要。

對沙灘岸線的數(shù)值模擬預(yù)測目前有兩種主要手段，分別為基于一線或多線模型理論和基于水沙動力過程的模擬理論。Pelnard-Considere[1]最先提出了一線模型（one-linemodel），考慮沿岸輸沙對岸線的塑造作用，Bakker[2]將一線模型發(fā)展成為二線模型（two-linemodel），同時考慮岸線的變化和近岸等深線的變化，Perlin和Dean[3-4]進一步拓展了二線模型，并提出了可考慮任意條等深線的多線模型（multi-line model），基于一線模型理論，目前亦發(fā)展了多種計算軟件（LITPACK、GENSIS，等）?？傮w來說，一線和多線模型理論的核心在于建立波能與沿岸輸沙率的經(jīng)驗關(guān)系，并根據(jù)沙量守恒理論計算岸線演變情況，其理論適用于沙源供給充足的天然平直形海岸。但對人工沙灘而言，由于為非自然形成的沙灘，從而上游和外海均缺乏泥沙供給，不符合一線及多線模型的理論推導(dǎo)前提假設(shè)?；谶^程的水沙運動數(shù)學模型理論原則為采用波浪、波生近岸流、泥沙運動數(shù)值模式獲得所研區(qū)域的水沙地貌響應(yīng)過程。當前已有學者對基于過程的模擬思路進行了有益探討（如Roelvink[5]，Lesser等人[6]，Dastgheib等人[7]，Roelvink等人[8]）。然而，沙灘岸線處于頻繁露灘的潮間帶內(nèi)，破碎波浪的上爬和紊動影響較大，而在當前數(shù)學模型理論中，由于對露灘區(qū)域采用最小水深法，且無法模擬波浪上爬作用，與實際海岸動力作用不符，導(dǎo)致其多數(shù)適用于水下岸灘的演變模擬，而在岸線演變模擬中則未得到廣泛的拓展應(yīng)用。

岬灣弧形平衡海岸是天然海岸中常見的形態(tài)，其沿岸輸沙由于受到上下游岬角阻斷，灣內(nèi)缺乏沙源補充，從而在波浪作用下形成靜態(tài)平衡的螺線弧形岸線，在岸線達到平衡后，波浪傳播至沙灘前緣經(jīng)過折射、繞射作用，波向處處與岸線垂直，從而沿岸輸沙理論上為零或極小，保持了岸線形態(tài)的長期穩(wěn)定。事實上，在一般人工沙灘的設(shè)計中，多數(shù)采用兩側(cè)防波堤或丁壩掩護構(gòu)成上下游岬角的形式，其水沙動力機制接近于岬灣弧形海灣。因此，采用岬灣海灣理論對人工沙灘的平衡線性進行預(yù)測是更加合理的。

基于以上分析，本文以濰坊濱海旅游度假區(qū)人工沙灘工程（圖1）為例，探討岬灣平衡海灣理論在人工沙灘防護工程及沙灘平衡岸線設(shè)計中的應(yīng)用。

圖1　工程區(qū)位示意圖Fig.1 Location of project site

1　研究區(qū)域概況

1.1人工沙灘防護背景

濰坊濱海旅游度假區(qū)位于萊州灣灣頂?shù)臏\灘區(qū)、西側(cè)緊鄰濰坊森達美港，人工沙灘建設(shè)于度假區(qū)西北角處，沙灘東西長約1.6 km，兩側(cè)分別采用長250 m的短堤掩護，坡腳前緣水深在理論基面-2 m以內(nèi)，圖1中示意了工程區(qū)位和水深分布。整個沙灘鋪墊33萬m3海沙，灘沙平均中值粒徑0.67 mm。沙灘工程于2011年10月竣工，竣工以來的半年中沙灘遭遇了嚴重的侵蝕，特別是東段灘沙流失達70%以上，最大侵蝕厚度甚至超過2 m，難以滿足原設(shè)定的需求。根據(jù)解鳴曉等人[9]的動力地貌分析研究成果，目前人工沙灘的侵蝕成因為東西兩側(cè)的掩護防波堤過短，沙灘幾乎完全暴露于外海波浪的直接作用下，且沙灘走向與NE向常波浪的夾角較大，難以避免向西的強沿岸流及春季頻發(fā)風暴潮的直接作用。因此，為阻止沙灘泥沙進一步流失，提高沙灘穩(wěn)定性，亟需對沙灘采取必要的人工防護工程措施。

1.2工程海域水沙環(huán)境

近岸沙灘地貌的主要塑造動力因素為波浪，交通運輸部天津水運工程科學研究所于2008年12月—2010年1月在萊州灣中部-9 m水深處設(shè)立了1處波浪觀測站，站位如圖1中所示。

經(jīng)統(tǒng)計，本海區(qū)常浪向為NE向，出現(xiàn)頻率為25.3%，次常浪向為NNE向，出現(xiàn)頻率為17.4%，強浪向為NE向，人工沙灘西側(cè)受森達美港防波堤阻擋，N向和NW向波浪很小，對沙灘無直接影響。此外，據(jù)2011年3月在工程海域大、小潮的水文測驗資料分析[9]，大潮平均流速在0.07～0.18 m/s間，小潮平均流速在0.10～0.16 m/s間，天然潮流流速很低，難以直接起動0.67 mm粒徑的較粗灘沙；大潮平均含沙量為0.003～0.096 kg/m3，小潮平均含沙量為0.014～0.023 kg/m3。沉積物中值粒徑在0.019 2～0.220 5 mm間，平均中值粒徑0.108 8 mm，為粉砂至細砂區(qū)間，與人工灘沙差異較大。

2　岬灣平衡海岸計算理論

岬灣平衡海岸理論即通過對大量現(xiàn)場沙灘岸線與岬角位置的擬合，推導(dǎo)出在沙源無上游補給、上下游受岬角控制條件下的靜態(tài)穩(wěn)定岸線形態(tài)。根據(jù)Hsu和Evans[10]對27個實際海岸的現(xiàn)場形態(tài)擬合，天然條件下的岬灣平衡岸線地貌多具有螺旋弧形結(jié)構(gòu)，其表達式見式（1）。

式中：R為極軸半徑；β和θ為與極坐標相關(guān)的參數(shù)；C0、C1和C2為經(jīng)驗系數(shù)。

2.2.3 結(jié)扎盆腔血管止血采用對子宮動脈或結(jié)扎髂內(nèi)動脈進行結(jié)扎,必要時要做好子宮次全切除術(shù)治療的術(shù)前準備工作[4]。

基于岬灣平衡海灣理論，Hsu等人[11]開發(fā)了沙灘平衡岸線模擬軟件MEPBAY，并采用大量實際天然沙灘和人工沙灘的工程案例對所建軟件模式進行了測試，證實了其有效性。本文中即應(yīng)用MEPBAY軟件對人工沙灘的平衡岸線進行推算。在應(yīng)用中，首先給定沙灘上岬角位置，通過設(shè)置主浪向、下岬角位置后，即可通過軟件模擬推算得到沙灘的平衡岸線形態(tài)。

圖2　單丁壩基礎(chǔ)方案平面布置形式Fig.2 Planar layoutof singlegroin shelter scenario

3　不同丁壩方案對沙灘平衡岸線影響分析

為對人工沙灘進行掩護，防止灘沙流失，擬采用東、西防波堤延長結(jié)合丁壩攔沙的平面形式。圖2中給出了單丁壩基礎(chǔ)方案的平面布置形式。

圖2中東、西防波堤在原有基礎(chǔ)上向外延伸，西側(cè)向海延伸370m，東側(cè)向海延伸200m，并為掩護來自NE向的波浪，東防波堤延長段亦向西北側(cè)延伸，形成長350 m的勾頭丁壩。沙灘中段擬建設(shè)一條丁壩，通過設(shè)置丁壩，將原長1.6 km的沙灘分割成西、東兩個小型海灣。

防護工程實施后，東、西兩段人工沙灘均位于岬灣的海灣內(nèi)，無來自上游和外海的泥沙供給。因此，在NE常浪向的波浪作用下，沙灘岸線將調(diào)整至平衡海岸的岸線地貌格局。同時，丁壩的位置和壩頭位置的變化將導(dǎo)致西灣的上岬角位置改變，進而影響沙灘的平衡岸線形態(tài)。因此，在本文中將針對不同丁壩布置方案對沙灘的掩護效果和平衡岸線形態(tài)進行分析研究，并最終推薦合理的丁壩布置和設(shè)計岸線走向。

3.1丁壩有無勾頭效果對比

在初始設(shè)計中，首先應(yīng)考慮丁壩的整體形態(tài)，即采用直線形丁壩（“1”字形）還是勾頭形丁壩（“T”字形）。為比較丁壩勾頭段設(shè)置的必要性，圖3中比較了勾頭丁壩和直線丁壩的整治效果，圖中工況B為直線形丁壩，工況A為西側(cè)勾頭200 m，工況C為東側(cè)勾頭100m。

圖3　丁壩有無勾頭條件下平衡岸線形態(tài)示意Fig.3 Equilib rium shorelinew ith and w ithout T head of the shelter groin

經(jīng)對比得到以下主要結(jié)論：

1）就沙灘西區(qū)而言，采用直線形丁壩對NE向常浪向的掩護效果較差，從而平衡岸線整體位于原設(shè)計鋪砂岸線岸側(cè)，沙灘穩(wěn)定性無法得到保證。因此，欲使西區(qū)沙灘存有一定寬度，丁壩必須進行西側(cè)勾頭。初步量測，有勾頭掩護下的沙灘平衡面積較直線形丁壩方案可增加約40%。

2）就沙灘東區(qū)而言，由于對NE向波浪的阻擋主要來自東側(cè)防波堤堤頭（即上岬角），從而采用勾頭丁壩和直線形丁壩對平衡岸線的影響差異不大，僅在西側(cè)壩根處略有差異。

3.2丁壩西勾頭長度效果對比

根據(jù)上節(jié)中結(jié)論，丁壩勾頭段，特別是西側(cè)勾頭的建設(shè)是必須的。以下將采用敏感性分析手段，對丁壩西側(cè)勾頭段的長度進行優(yōu)化。圖4中給出了不同勾頭長度（工況A：200 m、工況B：180m、工況C：150m）條件下的平衡岸線位置。

圖4　丁壩西勾頭不同長度下平衡岸線相對位置示意Fig.4 Equilibrium shoreline under different lengthsof thewestern groin T head

經(jīng)過分析：

1）丁壩西側(cè)勾頭段長度對沙灘西區(qū)平衡岸線位置影響明顯，特別是西灣的東段岸線處?？傮w來說，勾頭加長使得平衡岸線位置向海推進，對維持沙灘穩(wěn)定是有利的。

2）經(jīng)測算，如以工況B為基準，工況C的平衡岸線與陸域間的面積較其減小6.7%，而工況A則增加5.4%。隨勾頭長度增加，掩護區(qū)面積逐步增大。

因此，根據(jù)對勾頭長度的對比情況，丁壩西勾頭的最優(yōu)長度取決于對西區(qū)沙灘最小穩(wěn)定寬度的要求。如對其要求不高，則勾頭可適當縮短。

3.3丁壩西勾頭走向效果對比

圖5中給出了不同勾頭角度（工況A：平行岸線、工況B：偏轉(zhuǎn)20。、工況C：偏轉(zhuǎn)30。）條件下的平衡岸線形態(tài)。經(jīng)分析，丁壩西側(cè)勾頭向外海偏轉(zhuǎn)后，平衡岸線略有外推，其本質(zhì)反映了對NE向浪的掩護作用增強。因此，在丁壩設(shè)計中如勾頭長度不變，則勾頭走向取NW—SE向最佳。

圖5　丁壩西勾頭不同角度下平衡岸線相對位置示意Fig.5 Equilibrium shorelineunder differentanglesof thewestern groin T head

3.4丁壩壩身長度效果對比

圖6中給出了不同丁壩壩身長度（工況A：370 m、工況B：420m、工況C：470m）條件下的平衡岸線位置。

經(jīng)分析，壩身向海延長對沙灘掩護有利，但其作用略小于勾頭延長的效果。此外，壩身向外延伸亦將增加工程造價。因此，建議丁壩壩身長度在滿足功能要求的前提下，盡量采用調(diào)整勾頭布局的方式以達到穩(wěn)定沙灘的目的。

圖6　丁壩壩身不同長度下平衡岸線相對位置示意Fig.6 Equilibrium shorelineunder differentgroin lengths

3.5推薦防護方案形式

根據(jù)以上分析，提出推薦的防護整治工程平面布置如圖7。其中丁壩和東、西兩側(cè)防波堤尺度與圖3中的基礎(chǔ)方案相同，丁壩西側(cè)勾頭在基礎(chǔ)方案條件下順時針旋轉(zhuǎn)30。，走向為NW—SE向，長度180 m；東側(cè)勾頭長度可取為100 m左右，方向平行岸線。

圖7　單丁壩建議方案平面布置示意Fig.7 Planar layout of the suggested shelter groin scenario

濰坊濱海旅游度假區(qū)人工沙灘的防護工程和沙灘岸線鋪設(shè)于2013年完成，施工圖形態(tài)與圖7中的推薦形式基本一致。經(jīng)過2年多的現(xiàn)場考驗，所建設(shè)的沙灘線形幾乎未有變化，表明了丁壩對沙灘的掩護效果很好，岸線線形布置合理，也證實了采用岬灣平衡海灣理論對沙灘的平衡線形進行選取是合理有效的。

4　結(jié)語

本文中基于岬灣平衡海灣理論，以濰坊濱海度假區(qū)人工沙灘工程案例為實例，闡述了該理論在人工沙灘平衡岸線設(shè)計中的應(yīng)用效果，并對防護工程中丁壩尺寸各設(shè)計參數(shù)及對應(yīng)的平衡岸線形態(tài)進行了分析。得到以下主要結(jié)論：

1）人工沙灘工程缺少來自上游和外海的泥沙供給，岸線形態(tài)將在波浪作用下重新塑造進而達到靜態(tài)平衡。因此，對其平衡岸線的模擬采用基于岬灣弧形平衡海灣的理論較為適宜。

2）根據(jù)對不同丁壩平面布置形式的平衡岸線分析，采用勾頭形丁壩的掩護效果優(yōu)于直線形；丁壩西側(cè)勾頭段加長對沙灘的掩護效果優(yōu)于加長壩身；在西側(cè)勾頭長度保持不變的條件下，勾頭方向選取為NW—SE向掩護效果優(yōu)于平行岸線。文中推薦的防護工程方案平面布局和平衡岸線布設(shè)經(jīng)過現(xiàn)場檢驗后，達到較優(yōu)的整治效果，證實了岬灣平衡海灣理論在人工沙灘防護工程及平衡岸線設(shè)計中的有效性。

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App lication of cape-bay equilibrium theory to shoreline designing of artificial beach

XIEMing-xiao1,2,LIShan3,HOU Zhi-qiang2
（1.Nanjing Hydraulic Research Institute,State Key Laboratory of Hydrology-Water Resourcesand Hydraulic Engineering, Nanjing,Jiangsu 210029,China;2.Tianjin Research Institute forWater TransportEngineering,Key Laboratory of Engineering Sediment,M.O.T.,National Engineering Laboratory for PortHydraulic Construction Technology,Tianjin 300456, China;3.CCCCTianjin PortEngineering Institute,Key Laboratory ofCoastal Engineering HydrodynamicsofCCCC, Tianjin 300222,China）

Using theWeifang artificialbeach engineering project as an examp le,the cape-bay equilibrium shoreline theory is applied to discuss the planar layoutof the shelter structure in the designing process of a typical artificial beach,and finally the corresponding appropriate equilibrium shoreline is suggested.After comparing with the actual effectatsite,it is proved that the application of cape-bay equilibrium shoreline theory iseffective in the designing process.

cape-bay equilibrium coast theory;artificial beach;sheltering groin;equilibrium shoreline

U652.3；P737.14

A

2095-7874（2016）06-0001-06

10.7640/zggw js201606001

2016-02-01

2016-03-22

國家自然科學基金青年科學基金（41306033）；交通運輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項目(2014329224330）；天津市自然科學基金（青年項目）（16JCQNJC06900）；水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室開放項目（2014492211）

解鳴曉（1982—），男，山東青島市人，博士，副研究員，主要從事海岸動力學研究。E-mail：crabsaver@163.com