岸滩修复工程中的参数选取方法及稳定性分析

刘明旭 邵铁政 中交水运规划设计院有限公司

1.项目概况

修复工程位于海南省陵水黎族自治县的赤岭村。岸线修复的范围是，自英州河出海口突堤位置向南延伸至防浪堤南端起始位置，修复岸线总长度630m，主要包括：沙滩养护约9.1×104m3、150m拦沙堤及一些其它景观构筑物。

2.自然条件

修复区属于波浪作用为主的河口沙坝海岸，英州河口宽度约150m，海岸为平缓的砂质浅滩和基岩海岸，本次整治岸线长度约630m左右。英州河流程较短，长度仅2km左右，地势低缓，入海输沙量有限。泥沙在波浪及沿岸流的双重作用下再搬运，形成了以波浪为主的河口地貌。修复区岸段外侧存在多处浅礁，具有类似离岸堤的消浪效果，因此修复岸段浪小流缓，现有沙滩滩面平缓。南侧岸段因开山堆填影响，形成了高度约2m的开山抛填土石陡崖。

修复区多年平均气温为24.8℃，平均风速4.0m/s，风向季节变化明显，具有季风性的规律，冬季刮东北风，夏季吹西南风。修复区受热带气旋影响频繁，属中度风害地区，根据台风历史资料统计，1945～2016年期间，影响修复区（半径200海里以内）的热带气旋，共计257场，平均每年有3～4场热带气旋，5～10月是该地区降雨频繁的季节，亦是台风盛期。修复区附近海域全年常浪向为SE，次常浪向为SSE，该海区全年最大浪向为ESE，H1/100波高为5.2m，由台风引起。海岸带调查结果表明修复区的潮汐属不正规全日混合潮型。

3.参数选取方法及稳定性分析

岸滩修复的剖面设计首先应基于考虑经济合理性的要求，一般用“半衰期”即养滩抛沙量被侵蚀掉一半所需要的时间来判定，如果再养护的时间间隔为2～3年或更少，则在经济上是不合适的，而如果再养护的时间间隔为5～10年则可被认为是成功的。在设计填沙断面时应通过调整填沙坡度、滩肩高程、填沙粒径和滩肩宽度的组合使填沙断面能够满足“半衰期”内填沙量侵蚀率小于50%的基本要求。

除了要满足“半衰期”内填沙量侵蚀率小于50%的基本要求，在进行人工养滩设计时对滩肩设计的高程、宽度等指标也应当给出评价的依据，在水动力、潮位、填沙粒径确定的条件下，岸滩滩肩的宽度保持能力与岸滩滩肩前沿高度相关，滩肩前沿高度设计过低，会使滩肩宽度的保持能力变差，同等动力条件下岸滩侵蚀后退越显著；而滩肩前沿高度设计过高，容易在滩肩前沿形成侵蚀陡坎，对于有旅游需求的岸滩设计而言也是不可接受的。因此，在海滩剖面设计中，滩肩前沿线的高度及海滩剖面的坡度（填沙粒径）是最为关键的两个设计参数。

3.1 天然沙滩坡度及粒径

修复区域海底地形坡度较缓，沙滩坡度较大，在10%～15%之间，补沙岸段的天然泥沙粒径基本处于0.2～0.3mm之间。修复区附近部分海滩的坡度在4°～10°之间，沉积物粒径在0.15～0.4mm之间。

3.2 滩肩高程

确定滩肩的高程主要有两种方法：

（1）通过现场调查得出天然情况下待修复区或附近区域健康海滩的滩肩顶高程；

（2）当缺少调查数据时，滩肩高程=平均高潮位+波浪爬高值（一定重现期）。利用深水波要素计算人工海滩波浪爬高，经过12个海滩进行计算得知修复区波浪爬高0.38～0.85m。

本工程采用上述两种方法论证了滩肩高程：通过计算确定滩肩高程不宜低于2.20m；若考虑极值水位，高程宜分布在2.7～2.8m。结合邻近海棠湾、清水湾沙滩高程，最终确定滩肩高程为+2.8m。

3.3 滩肩宽度

海滩的使用功能不同，对滩肩宽度的要求也不近相同，采用国际通用优良海滩等级标准，并结合实际海滩情况按照该标准设计滩肩宽度。

修复区按照国际通用优良海滩等级标准第1～2级进行设计：

（1）一级标准。平均低、高潮位时滩面宽度分别为50～100m、20～50m；海滩长度：200～500m；高潮线以上的平均坡度：8°～12°；中潮线到水深1m处的距离：20～40m；平均高潮线以上、以下物质皆为砂砾；海滩的弯曲度：平直；向海的开阔度：小。

（2）二级标准。平均低、高潮位时滩面宽度分别为100～150m、50～100m；海滩长度：500～1000m；高潮线以上的平均坡度：6°～8°；中潮线到水深1m处的距离：40～80m；平均高潮线以上、以下物质皆为粗砂；海滩的弯曲度：微弯；向海的开阔度：较小。

结合当地的实际情况，滩肩宽度取为30m。

3.4 沙滩剖面与铺砂粒径分析

根据本项目岸滩沉积物粒度调查可知：当地的泥沙粒径分布在0.065～0.2mm之间。为了减少填筑沙料的流失，设计剖面的填沙粒径不宜小于原始剖面粒径，而填沙粒径过粗又会影响沙滩的美观和游人的亲水体验，可选取原海滩沉积物中值粒径1.0～1.5倍的沙料进行填筑。同时考虑到沙源为附近海域的疏浚沙（粒径约0.075～0.25mm），本次抛填泥沙中值粒径不宜低于0.1mm，推荐补沙粒径为0.2～0.3mm。

根据平衡剖面理论得到，中值粒径为0.3mm左右时，沙滩平衡剖面的的坡度在1/32～1/55之间。为了使施工后海滩剖面能尽快达到平衡状态，施工时应充分考虑海滩在潮流和波浪动力作用下的演变问题，施工剖面的坡度比设计坡面略陡，保证修复后的沙滩能在最短的时间内达到动态平衡。设计填沙坡度参考美国《海岸工程手册》中推荐的施工坡度，根据剖面的抛填泥沙中值粒径进行选择。

本工程剖面设计的泥沙粒径为0.2～0.3mm（筛分后，粗粒径放在前滨，细粒径放在后滨），选取前滨剖面上坡比1：15，下坡比1：20。

3.5 拦沙堤长度

根据数模报告中拦沙堤长度论证可知：沙滩养护后，经过动力作用最终形成平衡剖面和平面形态，拦沙堤最优长度在120～130m之间。为了避免沙滩对赤岭渔港进港航道的影响，拦沙堤长度取值150m。

3.6 填沙剖面稳定性分析

在设计填砂剖面时，估计平衡剖面后的干滩宽度时非常重要的，一般情况下，在填砂时都要求填出比平衡海滩剖面更陡，使得其在波浪的作用下逐步达到平衡剖面。

填砂后，剖面可能出现3 种形态，即与原海滩剖面交叉或称交叉型、非交叉型和淹没型，后两者的出现将标志着所填砂将被冲刷到滩底（脚）以外，达不到填砂保滩的要求，这3种形态与填沙量和填料沙的粒径密切相关。因此，必须验证设计断面的稳定性，以免出现非交叉型和淹没型剖面。

根据美国《海岸工程手册》给出调查剖面出现类型和填沙量关系，设以下无量纲单位，见式（1）：

式（1）中，V—单位宽度剖面填沙量，m3；B—滩肩高度（从平均海平面起），m；h＊—封闭水深（从平均海平面起），m；AN—当地海滩沙粒径参数，mm。

出现交叉型剖面判别公式如式（2）：

式（2）中，AF—当填料沙粒径参数，mm。

如果V′＜(V′)cl为交叉型海滩剖面。

根据上述分析，可知本修复区养护沙滩剖面为交叉型剖面，有很好的保滩性。同时，通过数学模型亦论证了沙滩剖面的稳定性。

3.7 海滩监测与维护

人工海滩的剖面在建成初期的1～2年内，海滩平面和剖面会发生明显的冲淤变形，因此初期必须定期监测地形的变化。根据数模结果，修复区域的年最大补沙量约为0.46万m3，占工程总沙量的5%，维护周期5～6年。因此在海滩稳定期需要根据海滩滩肩宽度和坡面的变化定期补沙，以满足景观沙滩的使用要求。

4.结束语

随着我国环保、生态理念的不断深化，岸滩修复类项目在我国沿海地区正不断增多，希望基于本文的分析，为类似工程在参数选取及稳定性分析时提供参考。