大連金州灣人工沙灘建設條件研究

李文丹，解鳴曉，張義豐，李 鑫

（交通運輸部天津水運工程科學研究所港口水工建筑技術國家工程實驗室工程泥沙交通行業重點實驗室,天津300456）

大連金州灣人工沙灘建設條件研究

李文丹，解鳴曉，張義豐，李 鑫

（交通運輸部天津水運工程科學研究所港口水工建筑技術國家工程實驗室工程泥沙交通行業重點實驗室,天津300456）

文章通過現場實地踏勘、水力特性試驗、波浪潮流數學模型、波生沿岸流數學模型及經驗公式計算等多種手段，對大連金州灣沙灘改造工程實施后人工沙灘穩定性及泥化的可能性進行了初步分析。研究結果表明：擬建人工沙灘從選址來說是可行的，岸線可長期保持穩定狀態，且無泥化風險。從方案比選來看，兩方案動力條件差異不大，采用出水堤對沿岸輸沙攔截效果更好。建議在現有基礎上適時開展波浪泥沙整體物理模型試驗，進一步確定沙灘正常及風暴潮條件下的侵蝕量、沙灘平衡岸線及平衡剖面形態，為設計方提供基礎數據。

人工沙灘；穩定性；泥化；波生流；數值模擬；水力特性

隨著沿海經濟發展，人們對海岸景觀有了新的要求。我國優質天然沙灘少之又少，因此，很多地方開始建設人工沙灘來發展當地旅游業。例如，天津東疆港人工沙灘、濰坊人工沙灘、贛榆人工沙灘、廈門同安灣人工沙灘、撫仙湖人工沙灘等［1］。

人工沙灘建成后，波浪掀沙、波生流輸沙是沙灘地貌響應的主要動力機制。此時，支配泥沙運移的主要因素是波浪，而潮流所起的作用很小。所謂波生流是指波浪破碎后形成的定向流動。波生流主要在破碎帶內發揮作用，形成原因是波浪以一定的角度沖擊海岸破碎所產生。波生流直接影響沿岸輸沙，其中波浪強度決定灘面泥沙是否起動，而波生流則決定了泥沙運動的強度和輸沙方向。海岸工程建設引起沿岸流的改變會導致沿岸輸沙強度或者方向的變化。對人工沙灘而言，地貌的塑造包括岸線（縱向輸沙）與剖面（橫向輸沙）的改變。

本文所研究的大連金州灣沙灘改造工程位于大連市金州灣海區東北岬角附近的姚家套（圖1）。沙灘改造工程位于典型岬灣弧形沙質海岸，目前沙灘寬度較窄，難以滿足進一步發展的旅游需求，擬通過填沙形成人工沙灘。

然而，人工沙灘建成后，其穩定性如何是值得關注的問題。此外，大連新機場正在建設（圖1），新機場建成后，沙灘前緣的波浪條件將發生顯著變化，造成弱動力環境，在此基礎上，人工沙灘是否出現泥化現象也是值得關注的問題。本文主要采用現場實地踏勘、水沙環境分析、水力特性試驗、波浪數值模擬、潮流數值模擬、波生流數值模擬以及經驗公式計算等多種研究手段，對擬建姚家套人工沙灘工程建設進行初步分析，并對方案進行初步比選評判。

圖1 工程及測點位置圖Fig.1 Location of project and measuring point

1 水沙環境

1.1 金州灣整體地形地貌

金州灣為砂礫質基巖海岸上的一個原生灣，侵蝕和堆積地形并存。灣口南北兩側岬角地區，基巖裸露，深水逼岸，海水侵蝕作用強烈，海蝕崖、巖脊灘、海蝕柱、海蝕洞穴等海蝕地形較發育。灣頂地區則表現為堆積地形占優勢。

金州灣水下地形呈近岸坡度較陡峭，外海坡度較平緩。總體來說，整個金州灣水深不大，至灣口地形高程亦不超過-10.0 m，總體呈堆積型水下地貌。

1.2 沙灘局部地形地貌

通過現場踏勘及地形測量可知（圖1）：沙灘兩岬角外幾乎無沙源補充。上岬角附近沙礫石較多，呈典型海蝕地貌。近上岬角的弧形段，其坡度較陡，屬侵蝕型海灘地貌。沙灘切線段，與弧形岸段相比，沙灘展寬，坡度亦稍緩，可能由上段沿岸輸沙引起，但其差異不顯著，在長期的波浪與沙灘動力地貌相互作用下，沙灘基本形成侵蝕性的動態平衡。

整個沙灘段均存在顯著的韻律沙壩地貌，且沙壩中脊線位置均與岸線基本垂直，體現出橫向輸沙為主的整體規律。在切線段現場觀察到三級重疊沙脊，各層沙脊的中脊線方向不同，指引出當地沿岸輸沙方向在一定程度上可受各向風浪影響，方向可有所偏轉。盡管如此，從各層中脊線與水面線的偏角來看，沿岸輸沙總量不大。從動力地貌格局總體判斷，凈輸沙方向總體以向南為主。

姚家套沙灘從剖面形態上來看屬典型沙質海岸地貌，地形呈近岸陡峭、外海平緩。沙灘坡腳外水深較淺，表明波浪即使在正常天氣下，亦多在觸及岸線前波能即可損耗，屬“消能性”海灘，亦可初判沙灘岸線應較為穩定。

總體來說，沙灘現狀條件下較為穩定，泥沙運動以橫向輸沙為主，沿岸輸沙應很弱（動態平衡），方向以向南側為主。

1.3 潮汐潮流

工程海域潮汐屬不正規半日潮型。潮流屬非正規半日潮流，并以逆時針旋轉流為主，受海灣地形制約，漲、落潮流主流向的走向大致呈NE—SW向和NNE—SSW向，與等深線或岸線走向相一致。總體來說，金州灣內平均潮差較小，且潮流流速不大，垂線平均流速均在0.20 m/s以內。

1.4 波浪

金州灣屬于渤海東部水域伸入陸地的一個較大型海灣，該灣三面為陸地環抱，風區均較短，唯其灣口朝西北敞向渤海，尤以W—N向風區較長。

根據灣外雙島灣測站2003年全年實測波浪資料來看，本工程海域主要以風浪為主，海域常浪向為NW，頻率11.78%，次常浪向為S，頻率11.56%；強浪向為NW，次強浪向出現在N向。

根據灣內棋盤磨測站2005年4月1日～12月31日9個月實測波浪資料來看，N向平均波高為0.9 m，NNW向為0.7 m，NW向為0.6 m。其余各向均在0.5 m之內。最大波高介于0.4～2.7 m，其中N向最大波高2.7 m，其次NW、NNE向最大波高分別為1.9 m和1.7 m，NNW、W向最大波高分別為1.6 m和1.0 m。

1.5 底質及含沙量

金州灣底質以粉砂為主，其次為砂，黏土含量較低。人工沙灘靠近北岬角區域，沙灘底質較粗，局部可超過2 mm，而中段區域底質相對較細，多在0.2～0.3 mm。總體而言，整個姚家套沙灘及水下區域底質均為中沙及粗砂，呈現典型沙質海岸特征。

圖2 波浪玫瑰圖Fig.2 Wave rose

金州灣海域懸沙中值粒徑較細，但從組分來看，均以粉砂為主，黏土含量很低，一般均在10%以內。本文采用現場實測及衛星遙感手段分析可知，正常天氣下工程海域懸沙含量不高，平均一般在0.05 kg/m3以內。

2 沙灘改造方案

根據建設單位要求，對原有沙灘進行整治改造需結合該區域的自然條件和岸線功能使用要求，共布置2個方案（圖3）。

（1）方案一：人工沙灘弧形岸線長度約378 m。東側通過回填形成一個觀景平臺，標高+2.5 m（85黃海基面，下同）。平臺頂部設有一道擋砂堤（+1.5 m），長約46 m。沙灘坡腳處新建一道攔沙堤約425 m（高程-1.5 m），以阻擋泥沙流失。

（2）方案二：人工沙灘弧形岸線長度約450 m。東側設置一道由卵石回填的丁壩，寬30 m，丁壩坡度為1：30，整體高度比沙灘高0.5 m。沙灘和丁壩坡腳處新建一道攔沙堤約428 m（高程為-1.5 m），以阻擋泥沙流失。

（3）人工沙灘斷面坡度均為1：30，設計粒徑均為1.0 mm。另外，根據設計院要求，對兩平面方案攔沙壩外側水域進行清淤（清淤深度-1.5 m），清淤范圍參見圖3。

圖3 沙灘改造方案示意圖Fig.3 Sketch of modification project

3 灘上潮流流速計算

除波生流外，潮流亦可能在一定程度上參與輸沙過程。本文采用二維潮流運動數學模型，對沙灘上方的流速量級進行評價。此外，亦對大連新機場建成后，沙灘上方潮流動力的變化程度加以討論。二維潮流運動數學模型計算理論及模型建立與驗證情況受篇幅限制，不在此贅述。經模擬研究：沙灘灘面流速很低，即使在大潮條件下，平均流速亦僅在0.02～0.03 m/s，與波生流強度相比為小量，對泥沙的輸送作用很弱，可近似忽略。

4 灘上波要素計算

本文中關于波浪傳播模擬計算采用swan計算模型并采用三角形網格對計算域進行剖分（局部加密，最小網格尺度為5 m）。考慮到人工沙灘位于典型沙質海岸，床面摩阻較小，因此，底摩擦系數取值范圍介于0.004～0.008。此外，本次人工沙灘鋪設坡度為1：30，根據規范［2］，選取破碎系數0.78。模型采用雙島灣及棋盤磨測站處實測資料進行波浪要素驗證。

4.1 沙灘前緣波浪推算

擬建人工沙灘局部灣口朝向偏W—S向，在對沙灘波浪要素研究中，更應關注沙灘外緣。然而，外海水域波浪要素，特別是波向要素無法直接應用于沙灘前緣。因此，擬通過大范圍波浪模型將外海深水波浪玫瑰關系推求至沙灘前緣。經推算：盡管外海來浪方向多變，但對人工沙灘前緣海域而言，主要受W向和WSW向波浪影響。在統計沙灘前緣波浪玫瑰關系時，其中NW向、WNW向出現頻率計入W向，而SW向和SSW向計入WSW向，并進行相應波高折算。此外，亦考慮了S向考風成浪。

4.2 灘上波要素計算

在對沙灘方案波浪要素計算中，本文擬采用年平均波浪和各計算水位組合以及10 a一遇波浪和極端高水位組合進行計算。可知：

（1）現狀條件下，人工沙灘主要承受W向和WSW向波浪作用，其中WSW向波高略小于W向，但兩者差異不大；S向風成浪波高則很小，對沙灘地貌塑造應不起控制性作用。當波浪由外海傳播至工程區域時，受姚家套北岬角遮蔽影響，波浪繞射進入灣內，使得人工沙灘上方波高分布呈自西向東逐漸增大的趨勢。

（2）年均波浪作用下，沙灘大部分區域露灘，其中東側約100 m左右沙灘前沿波高最大可達0.60 m以上。10 a一遇波浪作用下，沙灘前沿波高最大可達0.90 m。

（3）大連新機場建成后，受機場人工島有效掩護，WSW向波浪得到阻擋，人工沙灘主要承受W向波浪作用；此外，由于外海來浪得到消減，從而人工沙灘上方波高亦有所減小。

（4）兩個設計方案除東側攔砂措施不同外，人工沙灘布置形式均基本相同，使得兩方案人工沙灘區域波高分布差異微弱。

4.3 灘上泥沙活躍性分析

本文采用水槽試驗對人工沙灘所鋪1.0 mm灘沙進行了臨界起動試驗，總體來說，由于人工灘沙粒徑選取為1.0 mm，屬較粗的灘沙類型，且顯著大于姚家套天然沙灘的底質粒徑。因此，其在年均及10 a一遇波浪條件下的活躍性不強，沙灘西段灘沙難以起動，而沙灘東段灘沙雖可起動，但難以大量起動，沙灘應較為穩定。

5 灘上波生流速計算

本文采用平面二維波生流數學模型，對不同工況、不同波浪作用下的波生沿岸流流速、流向進行研究，可輔助判斷泥沙運動的宏觀量級及凈輸沙方向［3-6］。

波生流數學模型計算范圍參見圖1并采用三角形網格進行剖分。為精確分辨沙灘地形，最小網格間距在1.5 m左右。經計算：

（1）波生流分布均呈灘上水域流速高，外海流速低的趨勢。在W向和WSW2個主導波向作用下，沿岸流方向自西向東，平面分布呈現一定的不均勻性，其中沙灘西段相對較低，而東段較高。正常條件下，灘上波生流速在0.15～0.40 m/s；10 a一遇波浪作用下，灘上波生流速達0.15～0.60 m/s，其中擋沙堤局部甚至可超過1.0 m/s。新機場建成后波生流速可有所降低。

（2）方案一東側采用出水堤，沿岸流運動至堤前時受阻，從而波生流沿堤向外海流動，可能造成堤前堆積，部分可能繞過堤頭繼續向海輸送；方案二東側采用潛堤，在水位較高時，波生流可直接漫過堤身向東繼續運移，可能造成灘沙的一定損失，這一差異在強浪作用下尤為明顯。因此，從波生沿岸流運動規律及強度來看，方案一可更好的攔截沿岸輸沙，效果應較方案二更佳。

（3）人工沙灘西段由于沿岸流速很低，以橫向輸沙為主，預計其岸線形態應不致明顯變化；而在沙灘東段，沿岸流速相對較強，可能將對岸線進行重新塑造，建議在鋪砂時加以適當考慮。

圖4 波生流場分布圖（設計高水位、年均WSW向浪）Fig.4 Wave?induced nearshore curren（thigh reservoir level，annual average wave）

6 沿岸輸沙率估算

人工沙灘建設后的沿岸輸沙率采用文獻［2］推薦公式，所采用的理論為波能流法。其表達式為

式中：δ0為深水波陡；D為泥沙中值粒徑。

公式中考慮了泥沙底質粒徑和入射波陡對沿岸輸沙的影響。沿岸輸沙計算中，沙灘前緣波高、波向均自波浪數學模型中提取。估算結果顯示，人工沙灘建成后，沿岸年輸沙量不超過0.7萬m3/a，量級屬較低，其中沙灘西段輸沙率較低，而沙灘東段則相對較高。

7 沙灘剖面合理性初判

相對于沿岸輸沙而言，橫向輸沙的內在機理更為復雜。對橫向輸沙及其地貌響應的動力學模擬至今仍處在發展階段，無通用的模式。因此，對沙灘剖面的研究多數采用經驗公式進行定性分析，或通過波浪水槽實驗手段進行物理模擬。本次研究中考慮到是對剖面的初判，從而選用經驗公式的手段。

目前對平衡剖面的經驗研究主要為Dean和Dalrymple提出的波能平衡理論，Dean?Dalrymple剖面表達式形式簡單，易于計算，并通過對美國502個沙灘的實測剖面形態驗證，具有良好的實用價值。其理論認為剖面前方波浪處于破碎狀態，并將其與泥沙運動建立經驗關系，其形式如式（4）

式中：h為水深；y為向海距離；F=ECg為波群能量；為波能；Cg= gh為淺水波群速度；κ為破波系數；D?(d)為泥沙作用下的能量耗散率，可表示為

經推導，得到平衡剖面表達式為

圖5 沙灘平衡剖面預測Fig.5 Balanced section prediction

式中：A(d)為與泥沙特性相關的經驗系數，根據Dean的研究結論，其與泥沙沉速ω（單位采用cm/s）相關，見式（7）

本文通過對人工沙灘所鋪灘沙進行的沉速實驗來看，人工沙灘的灘沙樣品平均沉速為9.85 cm/s，可求得A=0.183 3，與Dean的推薦值量級相符（0.1～0.2）。

通過計算可知（圖5）：在天然沙灘平衡剖面條件下，人工沙灘高灘處岸坡較為陡峭，可達1：12，并隨向外海逐漸放緩。總體來說，平衡坡度在1：32左右，與設計坡度（1：30）十分接近。因此，經初步分析，所設計的岸灘剖面是較為合理的。

8 人工沙灘建設條件綜合分析

8.1 沙灘選址合理性

對人工沙灘建設而言，應重點關注兩個問題：其一為預防侵蝕，即灘沙應具有一定的抗侵蝕性，沿岸輸沙及橫向輸沙不應太強；其二為預防泥化，即灘沙上方不致由于動力環境過弱導致黏土沉積。綜合考慮本次研究各專題成果，對沙灘選址合理性進行初步分析：

（1）從地貌學角度，金州灣水深較淺，坡度平緩，屬消能性海灘。潮差小、潮流流速不強，且海域波高總體不大。擬建沙灘方案又進一步位于天然岬灣弧形海岸的上岬角內側，來自外海的波浪可在一定程度上掩護，沿岸輸沙不強，岸線可長期保持穩定，岸灘剖面設計是較為合理的。

（2）從選沙角度，設計灘沙粒徑相對原沙灘更粗，抵抗侵蝕的能力更強，經分析，灘沙在正常波浪條件下的活躍性不高，對減小侵蝕量是有益的。

（3）大連新機場建設后，雖波浪動力有所減弱，但由于大范圍海域缺乏有效的黏土補給，從而泥化風險亦不高，即使泥化也需時較長，易于維護。

（4）建議在現有方案基礎上適時開展波浪泥沙整體物理模型工作，進一步確定沙灘正常及風暴潮侵蝕量、平衡岸線及平衡剖面形態，為設計方提供基礎數據。

8.2 方案間差異分析

對于方案一和方案二而言，主要差異在于對沿岸輸沙的攔截效果。經對比：

（1）從總體來看，兩個方案建設后，灘上波高、波生流速及平面分布均相近，動力條件差異不大。

（2）對方案一而言，由于東側采用出水堤攔沙，對自西向東的沿岸輸沙攔截效果較高，但會導致在攔沙堤附近出現岸線的明顯調整；對方案二而言，由于東側采用潛堤攔沙，岸線調整幅度較方案一略小，但可能引起泥沙越過潛堤向東輸送，特別是在來自偏西側的風暴潮作用下尤為明顯。盡管如此，其量級差異應該進一步通過物理模型試驗確定，在造價、環境效益和年損失量間尋找平衡。

［1］徐嘯，佘小建，毛寧.人工沙灘研究［M］.北京：海洋出版社，2012.

［2］JTS145-2015，海港與航道水文規范［S］.

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Study on construction condition about the artificial beach in Dalian kinchow bay

LI Wen?dan，XIE Ming?xiao，ZHANG Yi?feng，LI Xin
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，National Engineering Laboratory for Port Hydraulic Construction Technology,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China）

Based on various means of field reconnaissance,hydraulic characteristic experiment,approved wave and tidal current numerical simulation,wave?induced nearshore current numerical simulation and empirical formula computation,the stability and sludging of the man?made beach in Dalian kinchow bay was analyzed prelimi?narily after the construction.The results show that the location selection is feasible to construct the man?made beach,and the coastline of which can remain stable for a long time.Meanwhile,there has no risk of sludging in the area of project.From the scheme comparison,the two schemes have little difference in dynamic condition,but the ef?fluent dike in the first scheme has the better interception effect on longshore sediment transport.It is suggested to establish the wave and sediment integral physical model based on the data available to further determine the erosion amount,equilibrium shoreline and equilibrium section of the artificial beach to provide the basic data for designer.

artificial beach；stability;sludging;wave?induced nearshore current；numerical simulation；hy?draulic characteristic

U 656.3；O 242.1

A

1005-8443（2017）02-0126-06

2016-12-21；

2017-02-14

天津市自然科學基金青年項目（16JCQNJC06900）；國家自然科學基金青年科學基金項目（41306033）；交通運輸部應用基礎研究項目（2014329224330）；水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室開放項目（2014492211）

李文丹（1982-），女，天津市人，副研究員，主要從事港口航道與海岸工程研究。

Biography：LI Wen?dan（1982-），female，associate professor.