某海水浴场海岸侵蚀及整治方案研究

乔贯宇，李 斌

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

引言

海岸侵蚀是指海洋水动力作用造成的海岸线后退和海滩的下蚀，通过采取一定的工程措施可有效避免侵蚀，维护岸滩稳定。

1 工程背景

某海水浴场平面如图1所示，海水浴场沙滩呈东西向布置，面向北向。海湾北向原为完全开敞，后由于其西北侧中心渔港防波堤的建设，改变了沙滩沿岸水动力条件，打破了原有输沙平衡，海水浴场沙滩侵蚀严重，浴场滩面缩窄，破坏了海水浴场沙滩的原始风貌，严重削弱海岸防护功能。另外，浴场泥沙总体呈现向渔港搬运的趋势，渔港泥沙淤积严重。海湾内不同位置2010—2017年的水下地形冲淤变化如图2所示，沙滩东侧区域的岸滩和海床侵蚀比较明显，侵蚀幅度在0.5 m以上，最大侵蚀点为主波浪的顶冲点，最大达4 m以上。冲刷区主要分布在-5 m等深线以内，外侧基本冲淤平衡；西北侧的渔港水域总体为淤积形势，一般淤积在1 m左右，最大淤积达到3 m左右。

图1 某海水浴场形势

图2 水下地形冲淤变化（2010—2017年）

2 沙滩冲刷侵蚀分析

在相对稳定的动力环境下，海滩各个部分相互协调组成了一个动态的沙量平衡体系。影响岸滩侵蚀的因素可以分为自然因素和人为因素。

2.1 自然因素

本地区夏季容易受到北上台风影响，秋冬季容易受到北方强冷空气影响，盛行NNW和N向风，风速较大。年均约有1.1次台风，3.2次寒潮过境。大浪作用是泥沙离岸流失的主要因素，也是海滩冲刷的主要动力原因。沙滩海域泥沙来源非常有限，仅有部分岸滩侵蚀供沙，在波流动力作用下产生的侵蚀很难得到有效的泥沙补给。

2.2 人为因素

中心渔港防波堤建设后，使得海湾水域的波浪动力条件发生了改变，处于掩护水域的渔港波浪动力明显减弱，而沙滩水域波浪动力则有所增强，从而使得沙滩处的泥沙起动并往波能减弱水域运移，造成沙滩冲蚀而渔港淤积。

3 防护方案比选论证

通过对侵蚀原因的分析，提出了多个防护方案。首先对现状进行波浪数学模型计算，然后提出多个防护方案进行数模计算，提炼出三个推荐方案，最后针对推荐方案进行不同顶高程的泥沙物理模型试验，最终得到多个方案的防护效果。

3.1 现状波浪场数模计算

应用MIKE 21 BW模型，进行港内NNW向、N向和NNE向波浪计算。根据结果，对港内水域影响较大的波浪主要来自N向，其次为NNE向、NNW向。年平均波浪作用时，港内有效波高大多在1.2 m以下，近岸局部在1.4 m以下，水深在-1.0 m左右的泥沙将发生起动。风暴潮大浪作用时，港内有效波高大多在 4.0 m以下，水深在-5.0 m以内的泥沙将发生起动。

图3 港区平均潮位N向有效波高分布

3.2 比选方案波浪数模计算

针对造成泥沙起动的原因，提出5个防波堤建设方案，对湾内进行掩护（图4）。方 案1为垂直N向离岸堤方案，分别做了堤长900 m时，堤间距150 m/200 m/300 m/500 m；堤间距200m时，堤长1 180 m/800 m/700 m/600 m/500 m/400 m的试验；方案2为垂直NNW向离岸堤方案，分别做了堤长 900 m，堤间距 150 m/200 m/300 m/500 m的试验；方案3为接岸堤顺延方案，分别做了堤长500 m/400 m/300 m的试验；方案4为接岸堤斜接方案，分别做了堤长 728 m/781 m/855 m/946 m的试验；方案5为环抱式方案。各方案比选见表1。

图4 防波堤建设方案示意

根据数模计算结果，方案1，随着离岸堤离与现有防波堤距离增大，从他们之间穿越进入港内的波能也逐渐增大，各方案港内比波高大多在0.3以下；堤长减小对外海来浪的遮挡作用越弱，港内波能逐渐增大。

方案2，随着离岸堤与现有防波堤的距离增大，从他们之间穿越进入港内的波能也逐渐增大。与垂直N向的方案相比，因其右侧堤头与陆地之间的水域增大，对N向和NNE向外海来浪的掩护作用明显减弱，港内波浪比前一方案有所增大。

接岸堤顺延方案和接岸堤斜接方案中，随着延伸的堤长缩短，港内波能也逐渐增大。该两组方案对NNW向和N向浪掩护效果较好，但NNE向浪仍有较大波能传播至港内水域，对研究的岸滩中西侧水域影响较大。

环抱式方案对NNE向和N向浪掩护效果较好，NNW向浪有部分波能可传播至港内水域，对研究的岸滩中东侧水域影响略大，总的来看该组方案下港内波浪的掩护条件较好。

表1 数模试验方案组次及方案说明

为了解各方案实施后港内水域的波高变化，在沿岸滩-1 m和-3 m等深线处分别布置了6个测点（图5），通过计算得到在风暴潮加平均高潮位大浪作用下，不同方案-1 m和-3 m等深线处最大波要素。

根据以上波浪数模试验计算研究，考虑方案实施后的掩护效果，以及渔港运营的通航需求等因素，推荐方案1-2、方案4-2和方案5，作为进一步研究的推荐方案。

图5 港内波浪计算测点布置

3.3 数模推荐方案潮流和水体交换数模计算

对波浪数模推荐的三个方案，为防止工程建设后湾内水质变差，还进行了潮流和水体交换的数值模拟计算。

方案建设后，从整体流态角度看，并未改变当地海域的整体潮流运动特征，外海主流向仍为W～E。然而由于防波堤的建设，改变了局部岸线的形态，致使方案实施后工程局部流场有所变化。在新建防波堤附近，在涨、落潮时刻均存在明显的沿堤流动，方案4-2中，在新建防波堤与原有防波堤附近，涨急时刻形成了逆时针旋转的回流，流速大小在0.1～0.3 m/s之间。

方案1-2中，新老防波堤未相连，在湾口附近，进入湾内的水体反而增加，导致湾内流速相比之前有一定程度增大，回流区域仍位于湾内。方案4-2中，新老防波堤相连，进入湾内的水体会有一定程度减小，湾内流速相比之前有一定程度减小，回流区域有向湾外移动的趋势。方案5中，新建防波堤与湾口东侧岸线相接，进入湾内的水量会有一定程度减小，湾内流速相比之前有一定程度减小，在堤头处受建筑物挑流影响，流速会增大。根据PIANC规程，各方案水体交换不同时间后的交换率见表2。

从水体交换情况看，三个方案均能保证中心渔港内充足的水体交换，并无明显优劣之分。

表2 各方案不同交换时间的水体交换率

3.4 推荐方案的泥沙物理模型试验

为满足沙滩修复的要求，我们又进行了泥沙动床物理模型试验。沙滩铺设形式见图6，参数如下：

1）沙滩平面线形根据现有岸线自然弯曲；

2）沙滩宽度铺设为150 m，长度约为1 000 m；

3）顶高程设为4.0 m，并按照1:20的坡度直线顺延至自然海底。

按照这种方式，总的铺沙量约为20.4万m3。

根据波浪数模推荐的三个方案，进行了泥沙动床波浪物理模型试验，根据不同堤顶高程又分别提出了不同方案，方案组次见表3，平面布置见图7～图9。

根据物理模型试验结果，各方案在波浪作用3年后的侵蚀和冲刷情况如下：

现状方案，沙滩的形态和趋势与2017年现状下很相似，沙滩150 m宽度全部受侵蚀，中部发生明显淘刷，冲刷严重局部段达3.1 m。东西两端侵蚀强度有减弱，东侧受人工突堤的掩护，岸滩基本不发生明显侵蚀。

方案1-1中，沙滩的形态和趋势与现状下较相似，侵蚀程度有所减弱，但由于沙滩淘刷主要发生在风暴潮水位下，而该水位下波高没有明显减弱，因此沙滩总的情况没有发生明显改善，冲刷严重局部段达2.6 m。方案1-2中，侵蚀程度较方案1-1又有所减弱，冲刷严重局部段为1.1 m。

方案2-1中，侵蚀程度较方案1-2又有微弱的减弱，冲刷严重局部段为0.9 m。方案2-2中，侵蚀程度较方案2-1大幅减弱，沙滩150 m宽度中仅有不到20 m受到侵蚀，冲刷严重局部段不到0.3 m。方案2-3中，侵蚀程度较方案2-2有所增加，但总量不大，沙滩有不到60 m受到侵蚀，冲刷严重局部段不到0.8 m。

方案3中，侵蚀程度与方案2-3也基本相似，但总量略偏大。沙滩150 m宽度中仅有不到60 m受到侵蚀，冲刷严重局部段不到0.7 m。各方案的沙滩损失量见表4。

表3 物模试验方案组次

图7 垂直N向离岸堤方案示意

图8 接岸堤斜接方案示意

图9 环抱式方案示意

表4 不同方案沙滩损失量统计

4 结语

本文针对某海水浴场海岸侵蚀和沙滩流失的问题，首先进行侵蚀原因分析，认为中心渔港防波堤的建设使海滩水域的波浪动力条件发生改变是侵蚀的主要原因，为保证岸滩泥沙避免因大浪作用而发生明显起动，提出多个整治方案进行波浪数学模型试验研究，提出三个推荐的防波堤布置方案，又针对这三个方案进行了不同防波堤顶高程的泥沙动床物理模型试验。

从泥沙流失总量看，物理模型试验中的方案2-2接岸堤斜接方案（顶高8.5 m）是最优方案。建设单位和设计单位可根据各方案的试验结果和水域使用要求，以及工程造价和施工的可行性等，确定最终的整治方案。