海灘養護修復過程中攔沙堤的應用

朱 君，蔡 鋒，劉建輝，劉 根，戚洪帥，雷 剛，鄭吉祥，曹慧美

(1. 魯東大學 水利工程學院，山東 煙臺 264025; 2. 自然資源部第三海洋研究所 海洋與海岸地質實驗室，福建 廈門 361005; 3. 福建省海洋生態保護與修復重點實驗室，福建 廈門 361005)

海灘養護是指將異地與修復區海岸環境相適應的沉積物通過人工手段搬運到海岸指定位置，用以迅速增加平均高潮位以上海灘寬度等的工程技術措施[1]。海灘養護作為海岸侵蝕的軟性防護策略，不僅可以有效保護海岸，還能提供適宜的濱海娛樂空間和生態棲息地[2-4]。海灘養護技術起源于美國東海岸的“機會”工程[5-7]，并隨后在歐美等國家得到大量應用[8-11]。我國海灘養護起步較晚[12]，但近年來，隨著我國對海岸保護修復工作的重視，不僅全國海灘養護的工程實例越來越多[13-14]，養護技術能力也取得了長足進步[15]。

攔沙堤是指修建的垂直于海岸或略微傾斜于海岸的非透水或部分透水構筑物，其主要功能是限制泥沙的沿岸輸移[16-17]。其與潛堤、防波堤等是海灘養護過程中常用輔助工程[18]。在歐美成熟的海灘養護技術中，攔沙堤被廣泛應用到眾多的海灘養護工程實踐中[8,19-21]。我國最早的海灘養護工程——香港淺水灣浴場亦采用了攔沙堤的設計[22]。據不完全統計，攔沙堤已成為我國最常用的海灘養護修復輔助構筑物[16]。

盡管攔沙堤在海灘養護中的應用已經很普遍，但各地根據自己的動力及地貌條件對攔沙堤的設計卻有很大差異[23]。有的攔沙堤較短[24]，有的攔沙堤較長[25]；有的攔沙堤獨立發揮作用[26]，有的攔沙堤組團設計[27]；有的攔沙堤完全不透水[13]，有的攔沙堤部分浸沒[19]。目前有多位學者研究了攔沙堤對相鄰沙質海岸的影響機制[28-30]，總結了不同形式攔沙堤的設計依據[17, 23, 31-32]，但攔沙堤在海灘養護中的應用現狀及未來發展趨勢還未有科學的總結。

鑒于海灘養護工程的日益盛行，以及攔沙堤在海灘養護工程中的廣泛作用，在統計我國海灘養護工程中攔沙堤應用實例的基礎上，分類討論攔沙堤的應用規律及特征，探討海灘養護中攔沙堤的主要應用創新，最后展望攔沙堤設計技術的未來發展趨勢并提出了相關建議。

1 海灘養護過程中攔沙堤的應用現狀

1.1 攔沙堤功能分類

雖然攔沙堤的主要功能是攔沙，但依據攔沙堤的功能差異又可以將之分為3類(表1)。第一類功能是防泥沙擴散[17]，這類攔沙堤長度較短，通常布置在無明顯沿岸輸沙岸段的兩側，用以阻止泥沙在沿岸方向向非養護區擴散。第二類功能是防沿岸輸沙[25]，這類攔沙堤長度比第一類攔沙堤明顯要長，通常布置在有明顯沿岸輸沙岸段的下游，用以阻止泥沙向下游輸移。當養護海灘沿岸輸沙方向有明顯的季節變化時，這類攔沙堤亦可布置在養護海灘的兩側。第三類功能是防浪+防輸沙[33]，這類攔沙堤的長度相對最長，通常布置在有明顯沿岸輸沙岸段的上游，且攔沙堤內側可形成明顯的波影區。受該種攔沙堤的影響，即使攔沙堤的內側為沿岸輸沙的上游，依然可以形成一定的泥沙淤積區。這3種攔沙堤對應的沙灘形態見圖1，典型攔沙堤應用實例見圖2。

表1 海灘養護過程中攔沙堤的功能分類Tab. 1 The functional classification of groins in beach nourishment

圖1 各類功能攔沙堤情況下海灘形態示意Fig. 1 Schematic diagram of beach morphology in the cases of three functional groins

圖2 典型攔沙堤應用實例Fig. 2 Typical application examples of groins

1.2 攔沙堤應用現狀

海灘養護中攔沙堤的使用較為普遍。我國最早的海灘養護工程始于20世紀90年代香港的淺水灣浴場[22]，其養護海灘的東側建有1個長約130 m的攔沙堤，用于阻止養護海灘向東的泥沙擴散。此后，隨著我國對海岸保護修復的重視，許多濱海旅游城市相繼實施了海灘養護修復工程[6]并在其中使用了攔沙堤的設計[16]。

據不完全統計，截至2020年12月，我國已完成或正在進行的海灘養護修復工程共有113項(表2)，分布于全國38個城市，養護修復砂質岸線總長度超過117 km，總填砂量約2.6×107m3。其中，攔沙堤的使用共47處，占總養護修復沙灘數量的41.6%。

(續表)

(續表)

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結合表2中我國各養護海灘中攔沙堤的功能，進一步發現攔沙堤的設計以防擴散(F1)為主，占攔沙堤使用總數的55%(圖3)。這種功能的攔沙堤通常布置在無明顯沿岸輸沙的岸段，這說明我國大部分養護海灘的動力條件是適宜的[6]。而對于沿岸輸沙較強的岸段使用攔沙堤的情況，絕大部分養護工程采用了防浪+防輸沙的功能設計(F3)，占比約30%。這種功能的攔沙堤通過人工岬角的構建改變了波浪折射繞射點，從而構筑了有利于海灘穩定的“靜態岬灣”形態[60]。第二類(F2)功能的攔沙堤所占比例最小，約為16%。這類功能的攔沙堤既沒有改變養護區域的動力條件，也沒有改變養護區域的沿岸輸沙趨勢，而是對當地自然動力條件的被動適應。這種攔沙堤設計難度相對較大，需要結合設計需求確定較精確的攔沙量，并且可能需要配合一定的沙灘維護措施來減小對相鄰岸段的影響[61]。

圖3 攔沙堤功能分類Fig. 3 Classification of groin functions

進一步統計了近30年來各類功能攔沙堤的應用變化情況(圖4)。從數量上看，自2006年以來，攔沙堤的應用隨著我國海灘養護數量的增加有了快速發展。在我國海灘養護初期，第一類(F1)和第三類(F3)功能的攔沙堤就已經有所應用，但第二類(F2)功能的攔沙堤在近10年的海灘養護中才出現。這反映了我國海灘養護理念的轉換。在海灘養護初期，更加注重修復海灘的穩定，因此海灘養護往往選擇在沿岸輸沙較小的岸段或者通過人工岬角來構筑有利于海灘穩定的“靜態岬灣”形態。隨著近10年來我國生態修復理念的加強，對于存在沿岸輸沙的岸段，海灘養護不再刻意追求改變養護區的背景輸沙趨勢，而是通過輔助工程措施(如旁通輸沙)或允許一定的泥沙通過率來減小對相鄰岸段的影響。

圖4 各功能沙堤應用變化Fig. 4 Changes in the application of three functional groins

2 海灘養護中攔沙堤的應用創新

2.1 組合式攔沙堤設計

海灘養護修復過程中，位于輸沙下游攔沙堤的設計一直是個難題。攔沙堤過短過矮則無法起到有效攔沙的目的，從而影響養護海灘的效果；攔沙堤過長過高則不僅增加了工程投資，而且嚴重改變了當地水動力條件，且有可能造成下游海岸的強烈侵蝕[23]。

朱君等[62]將下游攔沙堤設計分為有效攔沙段、安全段、坡折段，如圖5所示，其中，Q0為年凈輸沙率，αd為波浪入射角度，β為灘面坡角，H1為攔沙堤水平段頂高程，H2為設計灘肩頂高程，H3為養護后平衡灘面與原始灘面的交點處高程，并基于突堤式建筑物上游砂質岸線平面形態演變的相關經驗[63]，確定了各段結構的控制參數，達到了“聚沙而不斷沙”的沙量調控效果。該攔沙堤設計方法應用到國內多處海灘養護中，并將養護區整體沙量維持在85%以上[26]，一定程度上解決了平直沙灘開展局部岸段修復的技術難題。

圖5 攔沙堤設計示意Fig. 5 Sketch map of groin design

2.2 攔沙堤平面形態優化

雖然較長的平直型攔沙堤可以起到防浪和防輸沙的作用，但其效果并不理想。為了提高攔沙堤在防浪和防輸沙方面的綜合能力，自然資源部第三海洋研究所基于靜態岬灣理論[60, 64]，在洞頭韭菜岙沙灘設計中，采用了г型和Y型攔沙堤的設計[65](圖6)。這種形式的攔沙堤堤頭可顯著改變波浪的折射和繞射點，在攔沙堤內側形成了一個較大的波影區，有效維持了養護沙灘的穩定[33]。

圖6 浙江洞頭韭菜岙沙灘修復實例Fig. 6 The example of beach nourishment of Jiucaiao in Dongtou, Zhejiang Province

除此之外，我國濰坊歡樂海[36]和大連星海廣場[18]的養灘工程亦采用了相似攔沙堤的設計，達到了相同的養護效果。

2.3 攔沙堤堤群設計

在有明顯沿岸輸沙的岸段，單個攔沙堤往往會引起上游淤積，下游侵蝕的情況。若在整個岸段采用多個間隔排列的攔沙堤，則可將沉積物截留在攔沙堤之間(圖7)。對于攔沙堤堤群而言，最重要的設計參數是攔沙堤之間的間距。間距過小，沉積物會在攔沙堤產生的離岸流作用下發生向海輸移；間距過大，則沉積物截留能力較差，并且可能依然會導致部分岸段侵蝕[27]。

圖7 攔沙堤堤群布置示意Fig. 7 Sketch map of groin field layout

攔沙堤堤群間距的設定通常取單堤長度的2～3倍[31]。盡管目前攔沙堤堤群已經被廣泛應用在了海岸保護和海灘修復過程中，但攔沙堤間距和單堤的長度、沿岸輸沙率、沉積物粒徑等因素之間的非線性關系還有待進一步探索[15,66]。

2.4 攔沙堤+潛堤組合優化

在一些極端天氣較多或近岸地形剖面較陡的海域，海沙有通過橫向輸移搬運到閉合深度之外或繞過攔沙堤岬頭的風險，此時單純的攔沙堤設計無法有效地保護海灘。近年來，一些攔沙堤+潛堤的組合設計正逐漸興起。如意大利威尼斯的Pellestrina[19,67]和我國浙江大陳島的梅花灣海灘修復工程[58]。

大陳島梅花灣海灘修復的平面設計如圖8所示，垂直岸線布置的東西兩條攔沙堤長度分別為100 m和60 m。兩條攔沙堤中間為長約204 m的潛堤，潛堤的設置不僅有效維持了養護海灘的穩定，而且減小了養護海灘在風暴期間對鄰近航道的影響。目前，該海灘修復項目正在施工中。

圖8 浙江大陳島梅花灣海灘修復平面布置Fig. 8 Layout of beach nourishment of Meihua Bay on Dachen Island, Zhejiang Province

2.5 攔沙堤+旁通輸沙/循環養護

海灘修復中的旁通輸沙(sand bypassing)通常是指通過人工手段將上游被攔截的沉積物搬運到下游，用以恢復沿岸輸沙的工程措施；循環養護(sand recycling)通常是指將下游淤積的沉積物通過人工手段搬運到上游侵蝕區域的海灘養護措施。盡管旁通輸沙和循環養護的采沙點都可以是沿岸輸沙的淤積區域(見圖9)，但其養護地點卻有所不同，前者常位于淤積區的下游，后者常位于淤積區的上游[68-69]。目前，旁通輸沙或循環養護的生態化治理方式正逐漸被公眾接受[70-71]。

圖9 旁通輸沙及循環養護示意Fig. 9 Sketch map of sand by-passing and recycling restoration

在有沿岸背景輸沙的海岸修建較長的攔沙堤(如河流入海口兩側修建的導流堤或者為臨岸港口修建的防波堤)會阻斷沉積物的沿岸輸移，從而造成區域泥沙分配失衡和相鄰岸灘的侵蝕[68,70]。旁通輸沙和循環養護往往無須再修建額外的海岸構筑物，是一種尊重自然規律的生態化治理方式，但國內由于海灘養護起步較晚，尚沒有這類工程的養護實踐。2020年，自然資源部第三海洋研究所針對海口西海岸人工島影響下的岸灘綜合治理提出了循環養護的修復措施，這是國內的首次嘗試[59]。

3 攔沙堤發展應用趨勢及相關建議

3.1 應用趨勢展望

海灘養護經過近百年的發展和應用，已經成為沙質海岸防護的主要技術[2,9]。隨著國內外基于自然過程的海岸防護理念的提升，海灘養護勢必迎來更蓬勃的發展[6]，攔沙堤作為海灘養護最常用的輔助構筑物之一也必將得到更廣泛的應用。結合國內外相關養護修復工程實例以及自身相關實踐經驗，對未來海灘養護修復過程中攔沙堤的應用趨勢進行了梳理。

1) 攔沙量的精準調控

針對第二類(F2)功能的攔沙堤實現攔沙量的精準調控一直是工程界追尋的目標。朱君等[62]通過對攔沙堤長度和高程的參數化設計，實現了攔截沙量的量化，但其計算依據的沿岸背景輸沙率、波浪入射角度、岸灘剖面變形高度等確定較為復雜。帶缺口的攔沙堤曾被認為是維持岸線穩定、增加沿岸輸沙、減小對下游影響的不錯方式[72]，但其開口位置、開口深度對沿岸輸沙的影響較為敏感，相關參數的確定仍需深入研究[73-74]。美國佛羅里達州大胡桃樹島海灘修復中采用了可調節面板的攔沙堤設計，攔沙堤高程可根據實際攔沙需要通過增減面板來進行調節[75]，但其有效性仍需更多的工程來實踐。未來隨著工程技術水平的提升，攔沙堤對攔沙量的調控會更加精確，設計參數的選取也會更加簡單便捷。

2) 豐富多樣的形態設計

由于各地海岸特征、動力條件差異較大，海灘養護中攔沙堤的應用類型也多種多樣。目前，針對第二類(F2)功能的攔沙堤已經出現了沿岸方向長度遞減的攔沙堤堤群[76]、單攔沙堤+旁通輸沙/循環養護[61,68]等設計；針對第三類(F3)功能的攔沙堤則出現了平直型、T型、г型和Y型[2,32,35,77-78]，以及攔沙堤與防波堤、潛堤[19,53]等的組合優化設計。今后，隨著海灘養護技術的進一步完善，以及攔沙堤與其他建設工程的交叉融合(如風沙防護、人工魚礁、水下沙壩、排水管涵)[44,79-81]，攔沙堤的形態設計會更加豐富多樣。

3) 基于“自然工法”的生態化建設

傳統的海岸防護工程大多采用拋石或混凝土構建，在滿足海岸防護需求的同時，對海岸帶生態環境會造成不同程度的影響[82]。隨著基于自然的海岸防護手段和理念日趨加強[83-84]，海灘養護修復中攔沙堤的建設需要更多的考慮“自然工法”(engineering with nature)[85]。近年來，人工魚礁、天然石塊、木制結構的攔沙堤設計[33,86-87]逐漸興起。除此之外，對攔沙堤結構的階梯化設計、表面的紋理化改造、堤身的綠植化處理、全過程的綠色化施工[88-91]亦是加強攔沙堤生態化建設的重要內容。

3.2 建 議

將海灘養護過程中攔沙堤的功能分為3類，在海灘養護時應首先確定擬建攔沙堤屬于何種功能，然后根據其要實現的功能目標開展攔沙堤的設計工作。但截至目前，攔沙堤的設計仍然是項困難的工作。例如第一類功能的攔沙堤最優長度是多少，第二類功能的攔沙堤是否存在攔沙不足或攔沙過量的情況，第三類功能的攔沙堤是否形成了有效的遮蔽效果，達到了靜態岬灣的設計要求均需進一步研究。因此，建議今后加強不同形式攔沙堤與復雜海岸地貌、變化動力條件的耦合過程研究，從而為海灘養護中攔沙堤的科學合理設計提供更多技術支持。

對于我國來說，海灘養護雖然起步較晚，但發展較快。近年來，在全國海洋生態文明的建設要求下，我國實施了“藍色海灣”、“海岸帶保護修復”等多項海岸帶修復重點項目，海灘養護便是其中沙質海岸生態修復的核心技術。隨著我國海灘養護的蓬勃發展，攔沙堤的應用越來越廣泛，對其設計規范化的需求也越來越高。因此，建議開展已建攔沙堤功能的有效性評價工作，并盡快啟動不同功能的攔沙堤設計規范研制。

4 結 語

詳細分析了攔沙堤在我國海灘養護的應用現狀和發展規律，探討了海灘養護工程中攔沙堤的應用創新和未來發展應用趨勢。相關研究可為攔沙堤的規范化建設和海灘養護修復的科學設計提供一定的參考。同時指出，攔沙堤與復雜地貌、動力條件的耦合機制研究仍需深入，攔沙堤設計的標準規范研制也應盡快啟動。