李來(lái)武，黃世昌，姚文偉，劉 勇

（浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020）

1 問(wèn)題的提出

海岸是人類生存的重要資源，從可持續(xù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的角度出發(fā)，生態(tài)環(huán)保的海岸，對(duì)人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。沿岸沙灘由于具有獨(dú)特的觀賞、休閑和浴場(chǎng)功能，獲得社會(huì)的普遍認(rèn)可。目前，我國(guó)沙灘修復(fù)工程并不多見(jiàn)，較早開(kāi)展研究的有上海、連云港和福建等地沙灘修復(fù)工程，沙灘修復(fù)研究工作仍處在探索層面，研究思路和設(shè)計(jì)方法也需要不斷完善和總結(jié)。

2 工程背景

2.1 工程位置

象山縣下沙和大岙沙灘修復(fù)工程位于寧波市象山縣爵溪街道東側(cè)海岸線上[1]，工程?hào)|側(cè)海域?yàn)榇竽垦?，西?cè)緊鄰爵溪街道，外海側(cè)有羊背山為天然屏障，地理位置見(jiàn)圖1。工程由2 個(gè)小海灣構(gòu)成，分別為下沙海灣和大岙海灣。下沙海灣西側(cè)為牛倉(cāng)咀，東側(cè)為磨石礁，沿岸平均長(zhǎng)度580 m，自然灣深400 m。大岙海灣西側(cè)為磨石礁，東側(cè)為岙嶺，沿岸平均長(zhǎng)度510 m，自然灣深260 m。下沙海灣與大岙海灣隔磨石礁磯頭相鄰，工程區(qū)地形見(jiàn)圖2。

圖1 工程地理位置圖

圖2 工程區(qū)地形圖

2.2 水動(dòng)力條件

工程區(qū)潮汐性質(zhì)屬非正規(guī)半日淺海潮類型[2]，根據(jù)實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，多年平均最高潮位3.29 m，多年平均大潮高潮位2.19 m，多年平均高潮位1.86 m，多年平均潮位0.33 m，多年平均低潮位-1.18 m。工程區(qū)近岸水域潮流總體上呈往復(fù)流運(yùn)動(dòng)特征，外側(cè)水域潮流受近岸地形和外海潮流的共同影響，往復(fù)流和旋轉(zhuǎn)流兼而有之。實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)全潮垂線平均含沙量0.430 ～ 0.651 kg/m3，懸沙的中值粒徑0.002 ～ 0.006 mm。工程區(qū)波浪為風(fēng)浪和涌浪的混合型，出現(xiàn)頻率基本相等，風(fēng)浪常浪向?yàn)镹E，涌浪常浪向?yàn)镋。強(qiáng)浪向?yàn)镋 和ESE，大浪集中在秋季的臺(tái)風(fēng)期和冬季的寒潮期間，實(shí)測(cè)最大波高2.30 m，各月平均波高0.20 ～ 0.50 m，平均周期 6.8 ～ 7.5 s。

2.3 工程地質(zhì)條件

2.3.1 土層地質(zhì)

地層地質(zhì)分：①淤填土層，流泥，灰色，流塑，新近海相淤積土；②素填土層，灰黃色，稍濕，松散，以粉砂為主；③淤泥層，灰色，流塑，偶見(jiàn)貝殼碎屑及少量腐殖質(zhì)；④粉細(xì)砂層，灰黃色，局部灰色，成分以長(zhǎng)石、石英為主，含少量云母；⑤淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，灰色，流塑，局部軟塑，局部夾有較多的粉細(xì)砂，偶見(jiàn)貝殼碎屑及少量腐殖質(zhì)；⑥細(xì)砂層，灰黃色，局部灰色，局部含少量黏性土；⑦粗砂層，灰白色，灰黃色，局部為粉細(xì)砂、中砂、礫砂，夾有少量角礫、碎石。

2.3.2 流泥特征

工程區(qū)表層（淤填土層）為流泥，人行下陷（見(jiàn)圖3 ～ 4）。下沙灣流泥分布在等深線0.00 m 以外，工程范圍內(nèi)的厚度0.20 ～ 0.60 m。大岙灣流泥分布在等深線-0.50 m 以外，工程范圍內(nèi)的厚度0.10 ～ 0.40 m，屬海相淤積。

圖3 下沙灣工程區(qū)流泥現(xiàn)場(chǎng)圖

圖4 大岙灣工程區(qū)流泥現(xiàn)場(chǎng)圖

2.4 工程地形條件

2 個(gè)海灣地形均呈內(nèi)高外低趨勢(shì)，下沙海灣內(nèi)側(cè)30 m范圍內(nèi)的自然高程4.20 ～-0.20 m，外側(cè)地形平坦，自然高程-0.20 ～-1.20 m。大岙海灣內(nèi)側(cè)35 m 范圍內(nèi)的自然高程5.40 ～-0.10 m，外側(cè)地形平坦，自然高程-0.10 ～-1.00 m。

2.5 沙灘歷史

對(duì)工程區(qū)調(diào)查表明下沙和大岙歷史上為沙灘，20 世紀(jì)80 年代沿岸仍能看見(jiàn)沙灘的存在，寬度可達(dá)100 m，但由于早年海岸環(huán)境保護(hù)意識(shí)淡薄，建筑用沙開(kāi)采和周邊涉水工程實(shí)施等人類活動(dòng)影響，破壞了工程區(qū)海岸帶的輸沙動(dòng)態(tài)平衡，改變工程區(qū)水動(dòng)力條件，致使原有沙灘泥化消失，2 個(gè)海灣沿岸僅存不到10 ～ 20 m 寬的條帶狀沙灘，高程在4.50 m 左右，以外均為流泥。

3 修復(fù)研究與設(shè)計(jì)

3.1 沙灘特征調(diào)查

對(duì)下沙和大岙灣內(nèi)現(xiàn)存沙調(diào)查顯示，沙粒的分布規(guī)律從內(nèi)到外由粗變細(xì)，取樣分析表明下沙現(xiàn)存沙的中值粒徑0.17 ～ 0.27 mm，大岙沙的中值粒徑 0.17 ～ 0.24 mm，2 個(gè)海灣的灘面坡比均介于3% ～ 6%。從沙灘形成與波浪互動(dòng)機(jī)理上講，波浪進(jìn)入下沙和大岙淺水區(qū)域時(shí)底部泥沙搬運(yùn)量增大，沙灘物質(zhì)向岸運(yùn)動(dòng)并被推到波浪破碎區(qū)，隨水流上沖至灘面堆積。水體的波動(dòng)作用使下沙和大岙灘面沉積物產(chǎn)生分選，粗顆粒留在灘面上部，細(xì)顆粒則隨水流退向外海形成沙灘坡面，坡面受到沉積物粒級(jí)影響形成了不同坡比[3]。

3.2 鋪沙試驗(yàn)

由于工程所在海域水動(dòng)力條件和泥沙運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，數(shù)值計(jì)算和分析方法難以完全有效地解決沙灘修復(fù)的有關(guān)問(wèn)題，因此采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法進(jìn)行研究[4]。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)具有與工程區(qū)域潮汐、潮流、波浪等水動(dòng)力條件一致的條件，其結(jié)果能夠比較真實(shí)的反映出泥沙的輸移、岸灘的塑造過(guò)程。

鋪沙試驗(yàn)在下沙灣內(nèi)實(shí)施，試驗(yàn)段鋪沙寬度50 m，長(zhǎng)度170 m，其中干灘鋪設(shè)長(zhǎng)度100 m，高程1.00 m，斜坡段鋪設(shè)長(zhǎng)度70 m，坡比1:40，沙料采用舟山海沙，中值粒徑在0.35 mm 左右，在鋪沙試驗(yàn)段選取4 個(gè)斷面，每月觀測(cè)1次，2010 年 9 月 — 2011 年 6 月，連續(xù)觀測(cè) 10 個(gè)月，獲得主要結(jié)論：

（1）從鋪沙試驗(yàn)區(qū)的大范圍來(lái)看，由于受到海流和波浪的共同作用，鋪設(shè)的沙體形態(tài)在不斷的調(diào)整和改變，以適應(yīng)灣內(nèi)的水動(dòng)力條件。

（2）在橫向變化上，鋪沙主要向?yàn)硟?nèi)側(cè)推移，最為明顯的是在坡肩處，鋪設(shè)的海沙被推移至灘面上堆積，形成內(nèi)側(cè)灘面抬高至3.00 m 勢(shì)態(tài)，外側(cè)灘坡變陡，形成自然坡比在1:14 左右，而坡腳線下有少量散落沙體存在，其范圍和厚度有限，估算年輸沙量在總試驗(yàn)方量的0.3%以內(nèi)。

（3）在縱向變化上，鋪設(shè)的海沙兩側(cè)形成坡比較緩的平灘，西北方向輸移距離不大，但東南方向輸移距離較遠(yuǎn)，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)有明顯的條帶型輸沙痕跡存在，說(shuō)明縱向輸沙方向?yàn)闁|南方向，經(jīng)測(cè)量估算量值在6.0%左右。

（4）灘面鋪沙后由于受其自重影響，灘面原有的流泥被擠壓穿過(guò)所鋪設(shè)的沙層上浮到鋪沙的表面，形狀呈團(tuán)狀而無(wú)規(guī)律分布鋪沙頂面上。

（5）從現(xiàn)場(chǎng)觀察情況看，盡管下沙灣內(nèi)水域含沙量較高，但鋪沙試驗(yàn)區(qū)的表層基本無(wú)淤泥落淤，水體中的懸沙被落潮流帶出鋪沙區(qū)域流向外海，鋪沙試驗(yàn)范圍近岸沙體顆粒粗，離岸沙粒細(xì)的波浪分選特征明顯。

3.3 設(shè)計(jì)方案

針對(duì)下沙和大岙海灣水動(dòng)力和沙灘適應(yīng)性特點(diǎn)并結(jié)合工程區(qū)實(shí)際鋪沙試驗(yàn)獲得的結(jié)論，工程設(shè)計(jì)方案確定：下沙海灣鋪設(shè)干灘長(zhǎng)度120 m，外肩高程取為3.00 m，坡比1:15，底腳自然高程-1.20 m。大岙海灣鋪設(shè)干灘長(zhǎng)度80 m，外肩高程取為3.00 m，坡比1:15，底腳自然高程-0.80 m，設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖5。

圖5 下沙和大岙沙灘修復(fù)設(shè)計(jì)方案圖

考慮到岸灘的穩(wěn)定性需要，沙灘修復(fù)后的持續(xù)性和與周邊環(huán)境的協(xié)調(diào)性等因素[5-6]，下沙和大岙干灘內(nèi)側(cè)高程均取5.20 m，形成干灘坡比在1:30 左右。

3.4 沿岸輸沙計(jì)算

工程上用于計(jì)算沿岸輸沙率的主要方法有波能流法和沿岸流法。其中波能流由于形式簡(jiǎn)單，驗(yàn)證資料較為充分，其應(yīng)用更為廣泛。我國(guó)《海港水文規(guī)范》給出了用波能流法確定沙質(zhì)海岸沿岸輸沙率的計(jì)算公式。

式中：q為沿岸輸沙率（m3/s）；δ0為深水波陡；Hb為破碎波高（m）；Cb為破碎波速（m/s）；αb為波浪破碎時(shí)波峰線與等深線的夾角（°）；D為泥沙中值粒徑（mm）；db為破碎水深（m）；Lb為破碎波長(zhǎng)（m）；K′為計(jì)算系數(shù)；nb為計(jì)算系數(shù)。

利用上述公式計(jì)算得到，下沙沙灘的設(shè)計(jì)方案沿岸輸沙率約為5.64%，大岙沙灘的設(shè)計(jì)方案沿岸輸沙率約為5.55%，與鋪沙試驗(yàn)所獲得的數(shù)值基本接近。

4 工程實(shí)施及效果

4.1 工程施工

4.1.1 表層流泥清除

2 個(gè)海灣工程區(qū)的表層均為流泥，具極高壓縮性，新近海相淤積土，力學(xué)性質(zhì)極差，下沙海灣人行下陷深度在0.60 m 左右，大岙海灣人行下陷深度在0.40 m 左右，根據(jù)前期鋪沙試驗(yàn)結(jié)論，直接鋪沙表層的流泥會(huì)被擠出上浮出現(xiàn)泥沙混合問(wèn)題。因此，在鋪沙前對(duì)流泥作了清除處理。

4.1.2 鋪沙施工

鋪沙工程施工分為2 個(gè)階段實(shí)施，第一階段于2012 年2 月開(kāi)始實(shí)施，8 月完成，鋪海沙27.18 萬(wàn)m3。下沙和大岙干灘分別完成設(shè)計(jì)寬度的80%左右，即下沙干灘寬度完成90 m，大岙完成60 m；第二階段于2016 年4 月開(kāi)始實(shí)施，6 月完成，鋪海沙19.33 萬(wàn)m3，至此工程按設(shè)計(jì)完成施工。

4.2 實(shí)施效果

4.2.1 沙灘穩(wěn)定

為觀測(cè)修復(fù)后的沙灘穩(wěn)定性，對(duì)工程區(qū)共計(jì)布設(shè)7 個(gè)測(cè)量斷面進(jìn)行觀測(cè)，其中下沙布設(shè)3 個(gè)斷面，大岙布設(shè)4個(gè)斷面，觀測(cè)時(shí)間為2015 — 2018 年，連續(xù)觀測(cè)4 a，每年測(cè)量1 次。

觀測(cè)情況顯示，在施工中和施工完成后，2 個(gè)沙灘的平面形態(tài)變化均不大，平面形態(tài)穩(wěn)定。2 個(gè)沙灘的斷面坡比沿岸有所改變，東側(cè)變化不大，西側(cè)斷面坡比趨于變緩，由原設(shè)計(jì)的1:15 自然調(diào)整為1:17 ～ 1:18，這與當(dāng)初設(shè)計(jì)的斷面坡比差異不大。觀測(cè)結(jié)果顯示，修復(fù)后的沙灘存在輸沙現(xiàn)象，但橫向輸沙有限，以縱向輸沙為主，沙灘年總流失率在4.5%以內(nèi)，主要發(fā)生在臺(tái)風(fēng)大浪過(guò)后，沒(méi)有超過(guò)試驗(yàn)預(yù)期縱橫向年損失率6.3%的要求，修復(fù)后的效果見(jiàn)圖5 ～ 6。

圖5 大岙沙灘修復(fù)后的效果圖（拍攝于2018.06）

圖6 下沙沙灘修復(fù)后的效果圖（拍攝于2018.06）

4.2.2 泥化情況

由于設(shè)計(jì)選取的沙灘岸型和坡比與沙灘前沿的水動(dòng)力條件和波浪適應(yīng)性較好，灘面上無(wú)泥化現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)觀察被海流漲潮帶上灘面的泥沙，退潮時(shí)在波浪的作用下，隨海流退回到原有的灘面上，很好的保持了沙灘灘面的整潔和美觀。

5 結(jié) 語(yǔ)

沙灘修復(fù)工程作為改善海岸環(huán)境的一種方式，工程的設(shè)計(jì)與實(shí)施應(yīng)重點(diǎn)研究水動(dòng)力條件，因?yàn)檫@是造就沙灘的必要條件，工程的平面布置和斷面結(jié)構(gòu)選擇不僅要注意形態(tài)，更應(yīng)注意適合修復(fù)區(qū)的客觀條件，盡可能利用自然屬性避免沙灘流失和泥化，使修復(fù)后的沙灘減少維護(hù)成本并保持修復(fù)視覺(jué)效果。