楊會利，劉海成，譚忠華

（交通運輸部天津水運工程科學研究院，天津 300456）

沙灘往往是濱海旅游資源開發(fā)的基礎設施和首要條件，不具備沙質(zhì)海岸的地區(qū)，也經(jīng)常通過建設人工沙灘等手段營造相應的休閑旅游氛圍，受到了沿海各地區(qū)的高度重視。但由于世紀性的海平面上升以及陸續(xù)大規(guī)模的填海造地和圍墾養(yǎng)殖等人類活動對海岸環(huán)境影響的加劇，我國海岸沙灘的受侵蝕范圍日益擴大，海濱沙灘資源正在逐年萎縮，海灘變窄變陡、沙粒粗化、岸線快速蝕退等問題日益嚴重，形成了嚴重的海岸侵蝕災害?？茖W合理地保護海濱沙灘，對濱海旅游產(chǎn)業(yè)有著舉足輕重的現(xiàn)實意義。

1 現(xiàn)有海岸防護工程建筑物類型與效果分析

現(xiàn)有的海岸防護建筑物可分為“硬結構”和“軟結構”兩種[1]，“硬結構”相對較為傳統(tǒng)且應用廣泛[2]，如海堤可使陸地免遭風暴潮、大風浪等的破壞，但海堤對堤外海灘的侵蝕沒有任何防護措施；丁壩防止沿岸輸沙引起的泥沙流失和岸灘沖刷，但僅能對岸灘局部沖刷起作用；離岸堤能有效阻攔外海來浪，但對于單向沿岸輸沙較強的海岸不太適用。人工岬灣主要適用于沿岸輸沙率較小的砂質(zhì)海岸，是一種介于“硬工程”和“軟工程”之間的防護措施，岬頭可以起到消浪和改變波浪入射方向的作用，但岬頭附近將成為新的防護重點區(qū)?！败浗Y構”中人工補沙具有不破壞海灘景觀且可有效改善海岸景觀和休閑娛樂價值的優(yōu)點[3]，但人工補沙不易找到合適的沙源，且后期需長期進行維護；人工鹽沼植被適用于弱侵蝕性和穩(wěn)定性及淤長型的淤泥質(zhì)海岸，可減小波浪和潮流對岸灘和海堤的作用，但在強烈侵蝕的岸段難以實現(xiàn)，且引進外來物種可能沖擊海岸原有的生態(tài)系統(tǒng)并帶來一系列的危害，如：互花米草在2003年初就被列為外來入侵種名單[4]。綜上所述，目前存在的現(xiàn)有海岸防護工程措施各有自身特點[5]，但無論是“硬結構”還是“軟結構”均存在成本較高，后期維護工程量較大等缺陷。

2 養(yǎng)灘護沙新技術工作原理及結構介紹

PEM透水管沙灘養(yǎng)護新技術的原則是遵循自然界客觀規(guī)律[6]，充分利用海岸動力環(huán)境和已有沙灘資源，通過改變沙粒間水壓力，增加顆粒間摩擦力，有效減緩波浪對沙灘的沖刷，加快泥沙沉降，從而起到促淤養(yǎng)灘的作用，是一種綠色、低碳的養(yǎng)灘護沙方法。PEM透水管系統(tǒng)是以矩形形式沿海岸線放置的豎直過濾器。漲潮時海水攜帶泥沙涌向沙灘，此時的沙灘濕潤而不飽和，大量的海水通過PEM透水管快速流入沙灘內(nèi)部，海水攜帶的泥沙沉積在PEM透水管周圍，由于PEM透水管的存在，漲潮時沉積在沙灘上的沙料要多于落潮時海水帶走的沙料，從而使沙灘慢慢淤積，達到沙灘修復的目的。

PEM透水管包括管體和管帽兩部分，管體四周設有透水不透沙的水平縫，管體上端設有管帽，管帽中間留有透氣孔，透氣孔用防沙多孔材料封堵。透水管管體和管帽材質(zhì)均為PVC。透水管沙灘養(yǎng)灘方法是將透水管（平行或交錯）間隔布置在波浪破碎帶至波浪最高爬高線之間，PEM透水管布置圖見圖1。

圖1 PEM透水管布置圖Fig.1 Layout of PEM permeable pipe

3 模型試驗研究

3.1 模型設計

模型試驗研究在交通運輸部天津水運工程科學研究院臨港試驗基地進行，水槽長45 m，寬0.5 m，高1.1 m，水槽配有吸收式造波機，末端布置消波裝置，防止二次反射[7]。

試驗中主要研究波浪作用為泥沙主導動力條件下的試驗研究，本物理模型試驗研究需要滿足波浪運動相似和波浪作用下泥沙運動相似等要求，模型試驗設計遵照相關規(guī)程規(guī)定[8-9]，采用正態(tài)模型，模型比尺為1∶40。在模型中采用的海砂中值粒徑為D50=239.1μm，篩分結果見圖2。

圖2 海砂篩分結果Fig.2 Sea sand screening results

模型試驗中PEM透水管采用φ50的PVC管制作，底部用PVC板封住，PEM透水管長400 mm（模型值，下同），水平縫單寬1 mm，間距4 mm，總長200 mm。模型試驗中PEM透水管結構設計細部圖見圖3。根據(jù)試驗場地及規(guī)范要求，本模型中取坡度為1∶18.6，坡面坡度為3.08°，沙灘灘面距離造波機20 m，具體尺寸見圖4。

圖3 模型試驗中PEM透水管設計圖（mm）Fig.3 Design drawing of PEM permeable pipein model test(mm)

圖4 試驗模型布置圖（m）Fig.4 Layout of test model(m)

3.2 模型試驗條件

根據(jù)我國海域波高分布[10]，本次研究波高值考慮常態(tài)波高和風暴潮波高，波高值選取范圍為1.5～4.0 m（原型值），試驗采用規(guī)則波，具體試驗波浪要素見表1所示。

表1 試驗波浪要素Table 1 Test wave elements

3.3 試驗結果與分析

本次試驗研究采用對比方法得出透水管的養(yǎng)灘效果，首先在初始剖面條件下模擬不同波浪條件下的坡面穩(wěn)定，待初始剖面達到基本平衡后，安裝透水管繼續(xù)觀察在相同波浪條件下的灘面變化，并進行對比分析。

本次試驗研究過程中，在波浪累積作用下觀察沙灘剖面變化，直至剖面達到基本平衡為止。模型試驗結果統(tǒng)計中，橫軸坐標水平距離零點位于坡腳處，垂直高度零點位于水槽底部。如圖4所示。

3.3.1 PEM透水管養(yǎng)灘效果分析

通過海灘穩(wěn)定性試驗得出波浪的整個傳播過程為：達到海灘后的波浪在海床底摩阻的作用下，波高逐漸減??；隨著水深的進一步減小，波浪的淺水效應逐漸加強，波高增大；波高增大一定程度后達到對應水深的極限波高，出現(xiàn)破碎；破碎后波高衰減，波浪順著沙灘向上爬升。在整個波浪的傳播過程中，泥沙運動主要集中在波浪破碎帶內(nèi)，在波高較大時，泥沙會迅速發(fā)生離岸運動，岸灘發(fā)生嚴重沖刷侵蝕[11]，水下會形成不同高度的沙壩。

從圖5可以看出，隨著波高的增大，向岸運動的泥沙淤積量逐漸減小，而離岸運動的泥沙淤積量逐漸增加，離岸沙壩高度、范圍在增大，其位置向海移動；向岸沙壩高度、范圍在減小，其位置向岸移動；侵蝕沙槽深度、范圍也逐漸增大，其位置向岸移動。在整個波浪的傳播過程中，泥沙運動主要集中在波浪破碎帶內(nèi)。

圖5 方案前各波浪條件下平衡剖面圖Fig.5 Balanced profile under variouswaveconditions before thescheme

待初始剖面平衡后，將4根透水管用沙均勻固定在潮間帶，模型試驗中安裝透水管過程中保持初始平衡剖面不被破壞。試驗中透水管間距d與波長L比值分別取0.08，0.11，0.15和0.21[11]。在相同的試驗條件下對灘面繼續(xù)進行波浪試驗，待灘面基本不再變化判斷為平衡。

從圖 6（a）～（d）中可以看出隨著波高的增大，岸灘灘肩最大淤積高度、岸灘灘肩最大淤積位置并非單一的增加或減小，方案后波高對灘肩最大淤積高度及灘肩最大淤積位置的影響更為明顯；岸灘最大沖刷深度均隨著波高呈非等比例的增加，方案后波高對沖刷深度的影響更為明顯；岸灘最大沖刷深度離岸距離沿波高沒有太明顯的規(guī)律，由于在波高變大后，水面以下沙壩個數(shù)增多，數(shù)據(jù)中僅統(tǒng)計了最大沖刷深度的離岸距離，因此最大沖刷位置可能出現(xiàn)向岸或向海移動，隨波高的變化規(guī)律不太明顯。

圖6 波高對最大淤積及最大沖刷的影響Fig.6 Wave height influence on maximum sedimentation and erosion

在不同波高條件下初始和方案后平衡剖面變化見圖 7（a）～（d）所示，圖 7（e）為波高 2.0 m 波浪作用時試驗照片。方案后平衡剖面與初始平衡剖面相比，在不同波高條件作用下灘肩淤積均有向岸移動，整體灘面均有所加寬；在原型波高1.5 m、2.0 m和3.0 m時，灘肩最大高度有所增高，原型波高4.0 m時略有減?。蛔畲鬀_刷深度均有不同程度的增大，由于下游供沙不足，灘面的加寬導致水面以下沖刷有所加劇；最大沖刷位置在原型波高1.5 m、2.0 m和4.0 m時向岸移動，在波高3.0 m時最大沖刷位置向海移動。

綜合考慮在原型波高1.5 m、2.0 m和3.0 m時PEM透水管養(yǎng)灘效果較為明顯，在原型波高4.0 m時養(yǎng)灘護沙效果較差。

圖7 PEM透水管安裝后剖面試驗結果Fig.7 Profiletest resultsof PEM permeable pipe after installation

由試驗結果分析可以看出，通過布置PEM透水管，在一定的波高條件下可以通過改變沙灘的滲透性，減緩海水后退速度，加快泥沙沉積速度，達到沙灘修復的目的。

3.3.2 PEM透水管間距的影響

試驗中透水管間距d與波長L的比值分別取0.08、0.11、0.15和0.21，d/L對灘肩最大淤積高度及位置的影響如圖8所示，可以看出灘肩最大淤積高度并非隨著d/L的增加呈現(xiàn)單一的增加或減小，灘肩最大淤積位置也不是隨著d/L的增加呈現(xiàn)單一的增加或減小，因此合理的透水管間距可以提高透水管養(yǎng)灘護沙效果。

圖8 d/L對灘肩最大淤積的影響Fig.8 Influence of d/L on maximum deposition of beach shoulder

4 結語

1）現(xiàn)有的海岸防護工程均各有特點，在設計海岸防護工程方案時，應揚長避短，選擇合適的措施。

2）通過海灘穩(wěn)定性試驗得出：在各試驗波浪條件下無方案時，離岸沙壩高度、范圍均隨波高增大而增大，其位置向岸移動；向岸沙壩高度、范圍隨波高增大而減小，其位置向海移動；侵蝕沙槽深度、范圍隨波高增大逐漸增大，其位置向岸移動。

3）在原型波高1.5 m，2.0 m，3.0 m試驗條件下，PEM透水管養(yǎng)灘護沙效果較好，在原型波高4.0 m時，PEM透水管養(yǎng)灘護沙效果較差。

4）方案前和方案后岸灘灘肩最大淤積高度、灘肩最大淤積位置和岸灘最大沖刷深度離岸距離均沿波高呈現(xiàn)非單一的增加或減小，但最大沖刷深度隨著波高的增大呈現(xiàn)非等比例的增加。透水管安裝后波高對灘肩最大淤積高度影響更為明顯。

5）灘肩最大淤積高度并非隨著透水管間距d與波長L比值的增大呈現(xiàn)單一的增加或減小，灘肩最大淤積位置也不是隨著d/L的增加呈現(xiàn)單一的增加或減小，合理的透水管間距可以有效提高透水管養(yǎng)灘護沙效果。