張慈珩，信書，趙鵬，郭泉，耿寶磊*

（1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院，港口水工建筑技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室&工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456；2.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072；3.中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032；4.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098）

0 引言

海灘是一種寶貴的天然資源，因具有海岸防護(hù)、旅游休閑和生態(tài)服務(wù)等多種重要功能，在沿海社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)中發(fā)揮著不可替代的作用[1]。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及海岸資源的開(kāi)發(fā)，人造沙灘工程成為建設(shè)熱點(diǎn)，岸灘演變問(wèn)題也隨之成為工程界的重點(diǎn)研究方向[2]。相關(guān)工程中，濰坊濱海旅游度假區(qū)人工沙灘工程經(jīng)過(guò)1 a 的運(yùn)行，沙灘破壞嚴(yán)重，被海水完全侵蝕[3]；天津港人工沙灘環(huán)抱水域也曾出現(xiàn)泥沙回淤的問(wèn)題[4]，因此為保證人造沙灘穩(wěn)定性，進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值模擬預(yù)測(cè)很有必要。目前對(duì)于沙灘岸線的數(shù)值模擬預(yù)測(cè)主要有兩種手段：1）Pelnard-Considere[5]提出的一線以及后來(lái)發(fā)展出的多線模型理論；2）Lesser[6]、Roelvink[7]等人探討的基于水沙動(dòng)力過(guò)程的模擬理論。

三角島隸屬珠海市，位于萬(wàn)山群島西北部，在香洲區(qū)東南部20 km 珠江口外，西為臨青洲水道，東為赤灘門水道，南為三角門水道。三角島全島岸線長(zhǎng)約5 km，面積約0.87 km2。由于原生沙灘是三角島上的稀缺資源，具有較高的旅游觀光和生態(tài)價(jià)值，為配合三角島相關(guān)規(guī)劃及開(kāi)發(fā)需求，要求對(duì)其進(jìn)行相關(guān)修復(fù)保護(hù)工作。

本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)水文和歷史地形資料，分析該工程海域的水文特征、泥沙環(huán)境等，在此基礎(chǔ)上利用MIKE21 軟件對(duì)沙灘演化進(jìn)行計(jì)算分析，模擬出不同設(shè)計(jì)方案實(shí)施后岸灘的沖淤變化情況，最終確定最佳工程設(shè)計(jì)方案。

1 工程區(qū)域水動(dòng)力泥沙特性

1.1 水動(dòng)力特性

珠江口潮型形態(tài)系數(shù)（HK1+HO1）/HM2 為0.94～1.77，潮汐屬于不正規(guī)半日潮，每日兩漲兩落，相鄰兩高潮或低潮的潮高不等，落潮歷時(shí)大于漲潮歷時(shí)，落潮流速大于漲潮流速；北部?jī)?nèi)伶仃島站最大潮差為2.51 m，平均潮差為1.52 m；南部桂山島站最大潮差為2.17 m，平均潮差為1.21 m；大萬(wàn)山島站最大潮差為2.02 m，平均潮差為1.12 m；屬于弱潮型河口。

本文依據(jù)相應(yīng)水文測(cè)站，采用海流計(jì)進(jìn)行表、中、底3 層定點(diǎn)觀測(cè)取得相關(guān)實(shí)測(cè)資料。各站層的流速值過(guò)程線多起伏，實(shí)測(cè)海流以潮流為主。總體而言，大潮期大部分站位的實(shí)測(cè)海流在漲潮時(shí)段流向以北向?yàn)橹?，在落潮時(shí)段則以南向?yàn)橹鳎涣魉匐S漲落潮變化而變化，各測(cè)站表、中、底層的流向也比較接近。實(shí)測(cè)漲潮流表、中、底層的最大流速依次為0.98 m/s、0.98 m/s、0.90 m/s；實(shí)測(cè)落潮流表、中、底層的最大流速依次為1.27 m/s、1.12 m/s、0.99 m/s；在表層，落潮流速的平均值和最大值均大于漲潮流速的平均值和最大值。

三角島附近海域無(wú)波浪實(shí)測(cè)資料，本文采用《海灣志》[8]中赤灣站、大萬(wàn)山站波浪歷史統(tǒng)計(jì)資料及澳門海洋站1986—2001 年波浪實(shí)測(cè)資料作為參考。根據(jù)澳門海洋站1986—2001 年波浪資料統(tǒng)計(jì)，該工程區(qū)域常浪向是SE 向，頻率為41.2%，次常浪向是S 向，頻率為19.69%。波高較大的浪向多出現(xiàn)在E 向、SSE 向和ESE 向。

1.2 泥沙特征

根據(jù)2009 年進(jìn)行的大小潮水文測(cè)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，施測(cè)區(qū)附近平均含沙量約為0.044 kg/m3，其中漲潮時(shí)，各站平均含沙量介于0.026～0.057 kg/m3，平均值約為0.042 kg/m3，落潮時(shí)平均含沙量介于0.024～0.131 kg/m3，平均值約為 0.049 kg/m3。另外根據(jù)2015 年8 月水文測(cè)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，最大含沙量的垂向分布中，基本表現(xiàn)為底層最大，最大濃度出現(xiàn)在三角島西側(cè)海域。該海域表層沉積物的平均粒徑分布范圍為 φ=1.48～7.73（0.005～0.358 mm），平均值φ=6.54（0.011 mm），總體泥沙顆粒較細(xì)，沉積動(dòng)力弱；在泥沙來(lái)源上，該區(qū)域海域來(lái)沙的占比較少，主要為徑流輸沙和近岸淺灘再搬運(yùn)的泥沙。

2 工程概況

三角島沙灘修復(fù)工程沙灘位置見(jiàn)圖1，其中沙灘一位于三角島西側(cè)，沙灘二和沙灘三分布于三角島東南側(cè)。沙灘一平均水面線（0.5 m）以上沙灘坡度為1 ∶20，平均水面線以下坡度為1 ∶8；沙灘二平均水面線以上沙灘坡度為1 ∶12.5，平均水面線以下坡度為1 ∶8；沙灘三平均水面線上下坡度與沙灘一相同。

圖1 沙灘位置圖Fig.1 Beach location map

3 處沙灘平均水面線以上回填砂中值粒徑約為0.5 mm，平均水面線以下回填砂中值粒徑為1.5 mm。沙灘坡腳均采用格賓石籠潛堤護(hù)腳。3處沙灘坡腳高程均為-2.0 m，格賓石籠護(hù)腳頂高程分別為-1.7 m、-1.0 m 及-1.7 m。該沙灘修復(fù)工程初定平面布置方案見(jiàn)表1。

表1 平面布置方案Table 1 Floor plan form

3 數(shù)學(xué)模型

岸灘演變數(shù)學(xué)模型組成包括HD 水動(dòng)力模塊、SW 波浪模塊和ST 泥沙模塊，其中水動(dòng)力模塊為波浪模塊提供水位等要素，同時(shí)水動(dòng)力模塊和波浪模塊又可為泥沙模塊提供水動(dòng)力場(chǎng)。模型計(jì)算范圍包括整個(gè)珠江口，東西方向長(zhǎng)約210 km，南北方向長(zhǎng)約211 km。計(jì)算域大范圍水深提取自MIKE C-map 電子海圖數(shù)據(jù)庫(kù)，擬建工程附近海域水深參考2015 年5 月珠海市測(cè)繪院實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)修正，工程海域岸線根據(jù)Google Earth 2016 年9 月份衛(wèi)片提取。計(jì)算中在外海給定潮位開(kāi)邊界，水位過(guò)程由MIKE Global Tide Model 推算得到。

計(jì)算中波流共同作用下底床高程變化由式（1）求得：

式中：z 為底床高程；n 為底質(zhì)孔隙率；qx為x 方向輸沙率；qy為y 方向輸沙率。

采用2015 年8 月大潮期V1—V6測(cè)站的垂向平均流速流向資料及短期潮位觀測(cè)站的潮位資料、實(shí)測(cè)含沙量對(duì)模型進(jìn)行率定和驗(yàn)證。2015 年8 月大潮期潮位、流速和含沙量的驗(yàn)證（以V1點(diǎn)為例）見(jiàn)圖2，符合TJS/T 231-2—2010《海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》[9]中的規(guī)定和要求。

4 岸灘沖淤分析

4.1 常浪作用

常浪作用下，沙灘一方案一～方案四年沖淤變化主要是淺水部分發(fā)生沖刷，近岸高灘部分發(fā)生堆積，基本以-1.5 m 等深線為界，沖刷帶和淤積帶均平行于岸線，各寬約20 m。由于潛堤和防波堤對(duì)人工沙灘北段掩護(hù)作用較弱，沖淤幅度大致相同，最大沖刷深度為0.70 m，最大淤積高度為0.74 m。方案一南段岸線最大沖刷深度為0.50 m，最大淤積高度為0.20 m；方案二潛堤對(duì)岸線掩護(hù)作用并不明顯，南段岸線最大沖刷深度為0.60 m，最大淤積高度為0.50 m；方案三設(shè)置連島防波堤后，使得南段岸線沖淤幅度明顯減小，尤其是最大沖刷深度僅為0.32 m。方案四設(shè)置離岸防波堤后，對(duì)沙灘一的掩護(hù)效果與方案三大致相同。故從對(duì)保持沙灘一穩(wěn)定性的角度來(lái)說(shuō)，設(shè)置連島防波堤的方案三為最佳推薦方案，該方案下沙灘一沖淤分布及工程1 a 后等深線分布見(jiàn)圖3 和圖4。

圖3 常浪作用下沙灘一沖淤分布（方案三）Fig.3 Distribution of erosion and deposition of the first beach under regular waves action(scheme 3)

圖4 常浪作用下沙灘一1 a 后等深線分布（方案三）Fig.4 Isobath distribution of the first beach after 1 year under regular waves action(scheme 3)

常浪作用下，沙灘二的兩方案年沖淤分布及幅度基本相同，說(shuō)明方案二潛堤對(duì)人工沙灘的掩護(hù)效果與方案一大致相同。兩方案在灘面上淤積高度在0.22～0.27 m 之間，沖刷深度小于0.1 m。防波堤外側(cè)發(fā)生較為明顯的淤積，淤積高度最大為0.65 m。沙灘三的年沖淤分布也大致以-1.5 m等深線為界，淺水區(qū)域出現(xiàn)沖刷，近岸高灘區(qū)域出現(xiàn)堆積。其中最大沖刷深度為0.72 m，最大淤積高度為0.68 m。

4.2 極端波浪作用

選擇10 a 一遇SW 向波浪作為極端天氣的代表情況進(jìn)行計(jì)算分析，分析不同方案的沖淤分布和該工程海域等深線分布。針對(duì)沙灘一，極端波浪作用下方案一～方案四的岸灘變化是淺水部分發(fā)生淤積，近岸高灘部分發(fā)生沖刷，沖刷帶基本平行于岸線，回填砂被侵蝕后在近岸形成堆積體，最大沖刷深度為3.64 m，最大淤積高度為3.90 m。其中方案一南段岸線最大沖刷深度為2.60 m，最大淤積高度為3.10 m；方案二潛堤對(duì)岸線有一定掩護(hù)作用但并不明顯，南段岸線最大沖刷深度為2.20 m，最大淤積高度為2.20 m；方案三設(shè)置連島防波堤后，使得南段岸線的沖淤范圍和幅值明顯減小，尤其是最大沖刷深度僅為0.44 m；方案四設(shè)置的離岸防波堤對(duì)原堤根位置沙灘失去掩護(hù)作用，最大沖刷深度為1.72 m。方案三工況下沙灘一沖淤分布及工程1 a 后等深線分布見(jiàn)圖5 和圖6。

圖5 極端波浪作用下沙灘一沖淤分布（方案三）Fig.5 Distribution of erosion and deposition of the first beach under extreme waves action(scheme 3)

圖6 極端波浪作用下沙灘一1 a 后等深線分布（方案三）Fig.6 Isobath distribution of the first beach after 1 year under extreme waves action(scheme 3)

選擇10 a 一遇的SE 向波浪作為極端天氣的代表情況，對(duì)沙灘二（方案一）和沙灘三在極端波浪作用下的岸灘沖淤進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明，沙灘二灘面發(fā)生較大范圍的沖刷，沖刷主要發(fā)生在距岸20～30 m 處，最大可達(dá)3.0 m；沙灘三的年沖淤分布大致以-2.0 m 等深線為界，近岸高灘發(fā)生沖刷，淺水部分發(fā)生堆積，最大沖刷深度為3.70 m，最大淤積高度為3.90 m，岸灘沖淤變化強(qiáng)烈，應(yīng)在實(shí)際工程中考慮增設(shè)掩護(hù)措施。

4.3 泥化可能性分析

在淤積質(zhì)海岸建造人工沙灘，由于水動(dòng)力條件相對(duì)較弱，沙灘缺乏波浪淘洗作用，水體中的懸沙大量沉積于沙灘上時(shí)，人工沙灘可能會(huì)發(fā)生泥化現(xiàn)象。本文使用MIKE21 MT 黏性沙模塊對(duì)工程海域的懸沙落淤?gòu)?qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算。模型選取年均動(dòng)力代表?xiàng)l件，計(jì)算得沙灘一和沙灘三灘面上懸沙落淤?gòu)?qiáng)度小于0.05 m/a，沙灘二灘面上懸沙落淤?gòu)?qiáng)度小于0.06 m/a，由于落淤?gòu)?qiáng)度較小，其可被漲落潮流或破波水流帶走。結(jié)合珠江口海域含沙量和現(xiàn)場(chǎng)踏勘，綜合判斷擬建人工沙灘泥化的風(fēng)險(xiǎn)有限。

5 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)工程所在水域現(xiàn)場(chǎng)水文、泥沙資料，通過(guò)數(shù)值模擬分析了不同工況下岸灘的演變情況，得到主要結(jié)論如下：

1）對(duì)于沙灘一，方案一由于無(wú)掩護(hù)措施，岸線變化劇烈，且在極端波浪作用下南段岸線最大沖刷深度達(dá)到2.60 m，最大淤積高度達(dá)到3.10 m，遠(yuǎn)高于常浪作用下的沖刷淤積幅值；方案二增設(shè)潛堤但對(duì)岸線的掩護(hù)作用較小，岸灘沖淤變化在極端波浪或常浪作用下依舊明顯；方案三設(shè)置了防波堤后，南段岸線沖淤幅值在常浪作用與極端波浪作用下都明顯減小；方案四設(shè)置離岸防波堤后在常浪作用下和方案三的沖淤幅值大致相同，但在極端波浪作用下，離岸防波堤對(duì)原堤根位置沙灘失去掩護(hù)作用。對(duì)于沙灘二，方案一和方案二的年沖淤分布及幅值在兩種波浪作用下基本相同。對(duì)于沙灘三，由于缺乏掩護(hù)措施，岸灘沖淤幅值較大。

2）對(duì)于沙灘一，從保持沙灘穩(wěn)定性的角度而言，設(shè)置有連島防波堤的方案三為最佳選擇方案；對(duì)于沙灘二，方案二增設(shè)潛堤對(duì)人工沙灘掩護(hù)效果與方案一基本相同，從經(jīng)濟(jì)性的角度而言，方案一為最佳選擇方案。

3）根據(jù)珠江口含沙量和現(xiàn)場(chǎng)踏勘，并結(jié)合數(shù)模分析綜合判斷擬建人工沙灘泥化的風(fēng)險(xiǎn)有限。