天津港東疆港區(qū)人工沙灘主要設(shè)計參數(shù)的確定與探討

楊佳男，陳萍，孫曉君

（1.中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，天津 300222；2.天津港環(huán)球滾裝碼頭有限公司，天津 300456；3.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

1 工程概況

天津港東疆港區(qū)人工沙灘工程是東疆港區(qū)景觀工程的主要組成部分，從2006年開始建設(shè)，經(jīng)過試運營和改造，目前人工沙灘南北長約2 km，寬165m、總面積2.46 km2，成為國內(nèi)面積最大的人工沙灘景區(qū)，同時也是京津地區(qū)唯一的親海岸線。

天津港東疆港區(qū)人工海灘工程位于天津港東疆港區(qū)東岸環(huán)抱式防波堤內(nèi)部，游艇基地以北。人工沙灘根據(jù)使用人群的不同，從北向南分為低密度住宅區(qū)沙灘、公共游樂區(qū)沙灘和賓館區(qū)沙灘3大區(qū)域，沙灘均為親水沙灘結(jié)構(gòu)。見圖1。

圖1 人工沙灘平面布置圖Fig.1 layout of artificial beach

工程區(qū)域的水文波浪條件為：本區(qū)潮汐類型為不規(guī)則半日潮型，其（HO1+HK1）/HM2=0.53。設(shè)計高水位4.30m；設(shè)計低水位0.50m；極端高水位5.88m；極端低水位-1.29m。設(shè)計波浪要素見表1。

表1 設(shè)計波浪要素Table 1 Design wave elements

地質(zhì)特征為：本港海區(qū)灘面泥沙屬于黏土質(zhì)粉砂與粉砂質(zhì)黏土兩種類型，但泥沙顆粒很細，平均中值粒徑約為0．007mm。其中沙約占8．6%；粉砂質(zhì)約占51.0%；黏土約占40.4%；其黏結(jié)性較強[1]。

建造人工海灘，改善自然環(huán)境，在技術(shù)上是可行的。國際上著名的夏威夷海灘和巴塞羅那海灘，都是人工海灘。國內(nèi)也有上海的碧海金沙沙灘，廈門的環(huán)島路人工沙灘等成功的范例[2]。

人工海灘的類型從原海岸表層地質(zhì)條件劃分可分為礁石海岸、砂質(zhì)海岸和淤泥質(zhì)海岸。從海灘位置劃分可分為挖入式海灘、自然岸邊海灘和離岸海灘。從建設(shè)難度來說，砂質(zhì)海岸最簡單，淤泥質(zhì)海岸最復(fù)雜；自然岸邊海灘最簡單，離岸海灘最復(fù)雜[3]。本工程就是建造在淤泥質(zhì)海岸上的離岸海灘，因此工程建設(shè)的難度和造價比較高。

2 主要參數(shù)的確定

人工沙灘作為供游人游玩的景觀工程與傳統(tǒng)的港口工程有所不同，但從根本上看其設(shè)計也涉及到投資、使用功能和安全性幾方面，與一般的工程項目一致。以下對沙灘主要參數(shù)的確定進行分析。

首先是沙灘的平面布置。沙灘的平面位置位于原來口門一側(cè)，以盡可能地減少波浪掀沙的影響，同時考慮到直線與弧線相互結(jié)合的景觀效果以及與后方別墅等設(shè)施的功能配套。其次是沙灘斷面尺寸，這涉及到沙灘頂面高程、坡度以及灘面長度等問題。以上參數(shù)對于沙灘的設(shè)計非常重要，又互相聯(lián)系和依存。

1）頂高程。涉及到與后方地面高程以及前面原泥面相互銜接，后方陸域的地面高程為7.0m（天津港理論最低潮面），給人步入沙灘的感覺，將沙灘陸域根部定高程定為6.0m，沙灘與后方陸域通過階梯相聯(lián)系。沙灘灘面海側(cè)高程由灘面寬度和原泥面的高程綜合確定為0.5m，并設(shè)置一個小型的充填袋擋埝。

2）坡度。坡度是人工沙灘設(shè)計中一個至關(guān)重要的參數(shù)。因為在淤泥上填筑起來，沙灘的穩(wěn)定性顯得至關(guān)重要。另外，人工沙灘的沙子流失不能避免，沙灘坡度對減少沙流失也至關(guān)重要，這直接影響到工程投資和后期的維護費用。緩的坡面就意味著工程投資增大，但是沙子的流失量會減少，從而減少后期維護的成本，需要在二者之間找到一個平衡點。另外從使用功能看過陡的坡面不能滿足游人游玩的要求。因此坡度問題是投資、使用功能和安全性的一個綜合表現(xiàn)指標(biāo)。設(shè)計之前對我國北方地區(qū)天然沙灘的坡面進行了調(diào)查。山東煙臺的沙灘實測坡度為1∶25～1∶30；山東威海地區(qū)的沙灘坡度為1∶90；秦皇島北戴河地區(qū)沙灘陸上坡度為1∶50，而潮間帶坡度為1∶9。雖然這些沙灘的水文氣象及地質(zhì)條件與本工程有所差異，但對本工程也有一定的參考作用。綜合考慮水位等情況，以4.5 m為界限（設(shè)計高水位4.3 m），將沙灘的坡度分成兩部分，陸側(cè)考慮到使用功能將坡度放緩至1∶70左右（由于控制住了整個灘面的寬度，這個坡度根據(jù)潮間帶的坡度方案略有不同），海側(cè)即潮間帶在保證安全的前提下為減低造價分別提出了坡度為1∶10和1∶15兩個方案，并通過物理模型試驗進行了驗證。由于海灘沙流失是一個持續(xù)過程，在試驗中考慮了3種工況，即常年波浪、10 a一遇的設(shè)計波浪和50 a一遇的設(shè)計波浪（常年波浪及10 a一遇波浪是以沙灘灘面穩(wěn)定確定作用時間的，50 a一遇波浪作為極端狀況是按照1個作用周期確定作用時間的）。試驗結(jié)果見圖2～圖4。

圖2 常年波浪作用下灘面形態(tài)Fig.2 Beach surface morphology under perennial wave action

圖3 重現(xiàn)期10 a波浪作用下灘面形態(tài)Fig.3 Beach surface morphology under 10 a wave action in recurrence interval

圖4 重現(xiàn)期50 a波浪作用6 h后灘面形態(tài)Fig.4 Profile morphology under 50 a wave action after 6 hours in recurrence interval

從試驗過程和結(jié)果來看，在常年波浪作用下，坡度為1∶15和1∶10的沙灘，基本都能保持其形態(tài)，但是坡度1∶10時堆積沙壩的高度和淘刷侵蝕的深度以及最終穩(wěn)定后的灘沙流失量都相對更大，這意味著坡度1∶10的沙灘將比1∶15的沙灘使用期間的補沙維護量更大。當(dāng)坡度為1∶15，沙灘整體穩(wěn)定性較好。在10 a一遇波浪和50 a一遇極端波浪的作用下1∶15的沙灘穩(wěn)定性較1∶10的好，依然能維持整體坡度，最終選擇了1∶15作為設(shè)計坡度。

3）灘面寬度。在確定了灘面坡度和高程后，計算得灘面寬度為165m。

3 沙灘結(jié)構(gòu)型式

作為親水結(jié)構(gòu)的人工沙灘采用斜坡結(jié)構(gòu)。沙灘總寬為165m，陸側(cè)采用1∶70的坡度，沙灘潮間帶坡度為1∶15，沙灘的頂高程為6.0m，坡底高程為0.5m，與設(shè)計低水位一致，保證開放期擋埝基本不露出水面。堤身采用吹填砂和海灘沙相結(jié)合的形式，海灘沙的厚度為1.0m，其下為吹填砂。在原泥面與吹填砂以及吹填砂與海灘沙的結(jié)合面上鋪設(shè)土工織物將二者隔離。見圖5。

圖5 沙灘斷面圖（單位：m）Fig.5 Cross-section diagram of the beach （m）

4 結(jié)語

天津港東疆港區(qū)人工沙灘工程是在淤泥質(zhì)海岸上建設(shè)人工沙灘的良好探索。

1）坡度作為人工沙灘設(shè)計的一個關(guān)鍵因素，受潮流和波浪等的共同作用，且影響工程投資和后期維護費用，在參考相關(guān)資料的同時，通過模型試驗和經(jīng)濟分析比較最終確定。

2）人工沙灘是對原有岸線的改造，沙灘本身將保持動態(tài)平衡，補沙是沙灘維護必不可少的。不能期望沙灘建成后一勞永逸。

3）東疆沙灘早期設(shè)計中采用過卵石結(jié)構(gòu)，由于生長海洋生物的原因，影響了景觀效果，對游人下水游玩也造成一定隱患。本次采用袋裝砂擋埝結(jié)構(gòu)，耐久性有待檢驗，所以需要探索一種既不受海洋生物影響又能滿足耐久性要求的擋埝結(jié)構(gòu)。

4）從運營實際情況看，冬季大風(fēng)也造成了海灘沙的損失，因此需要尋找一種經(jīng)濟合理便捷的防護方法。

[1] 孫連成，黃毅峰，趙會民.人工沙灘親水段泥沙淤積試驗研究[J].泥沙研究，2011（4）：44-50.SUN Lian-cheng，HUANG Yi-feng，ZHAO Hui-min.Experimental study of sedimentation in hydrophilic segment of artificial beach[J].Journal of Sediment Research，2011（4）：44-50.

[2] 莫李帥，鄭義廉.淺談人工沙灘的改造設(shè)計[J].城市建設(shè)理論研究，2013.http：//www.qikan.com.cn/article/csjl/csjl201303/csjl201303866.html.MO Li-shuai，ZHENG Yi-lian.Discuss on reconstruction design of artificial beach[J].Urban Construction Theory Research，2013.http：//www.qikan.com.cn/article/csjl/csjl201303/csjl201303866.html.

[3] 李松，劉征.敞海水域大型人工沙灘海濱浴場主尺度的設(shè)計、模型驗證及優(yōu)化[J].中國勘察設(shè)計，2009（9）：57-63.LI Song，LIU Zheng.Main scale design，model validation and optimization of large bathing beach with artificial sand in open seas[J].Investigation&Design，2009（9）：57-63.