基于靜態(tài)平衡岬灣海岸理論的海岸穩(wěn)定性分析

王志平，鐘益華，蔣學(xué)煉*，趙歡樂（.舟山港股份有限公司，浙江　舟山　36000；.天津城建大學(xué)土木工程學(xué)院，天津　300384）

基于靜態(tài)平衡岬灣海岸理論的海岸穩(wěn)定性分析

王志平1，鐘益華2，蔣學(xué)煉2*，趙歡樂2
（1.舟山港股份有限公司，浙江舟山316000；2.天津城建大學(xué)土木工程學(xué)院，天津300384）

文章介紹靜態(tài)平衡岬灣海岸的拋物線型理論及其數(shù)值實(shí)現(xiàn)方法。以青島匯泉灣和北戴河西海灘為例，驗(yàn)證這一理論在海岸穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方面的有效性。在此基礎(chǔ)上，探討環(huán)抱式防波堤、游艇基地突堤、燈塔的建設(shè)對(duì)天津港東疆港區(qū)人工沙灘沖淤的影響，提出采用接岸突堤或離岸潛堤進(jìn)行固沙養(yǎng)灘的方案。結(jié)果顯示，該模型可為海岸帶綜合利用及人工護(hù)灘提供有價(jià)值的參考數(shù)據(jù)。

岬灣海岸；平衡岸線；拋物線型理論；MEPBAY；填砂護(hù)灘

圖1　拋物線型岬灣海岸示意圖Fig.1　Schematic diagram for parabolic bay shape model

岬灣海岸是一種典型的山地海岸，由岬角及海灣組成（圖1），約占全球天然海岸的51%。其海灣形狀往往不對(duì)稱，包括上海岸的弧形陰影段、緩彎過渡段和下海岸平直切線段[1]。根據(jù)穩(wěn)定性特征分類，岬灣海岸可以分為靜態(tài)平衡、動(dòng)態(tài)平衡和不穩(wěn)定三種類型[2]。當(dāng)達(dá)到靜態(tài)平衡時(shí)，無需沿岸輸沙或人工填沙，其岸線即可保持長(zhǎng)期穩(wěn)定[3]。

研究人員先后提出了對(duì)數(shù)螺線模型[4]、雙曲螺線模型[5]和拋物線模型[6]等來描述靜態(tài)平衡岬灣海岸形態(tài)。前兩種模型在應(yīng)用方面存在一些缺陷，如未考慮上游岬頭對(duì)波浪繞射的影響、岸灘穩(wěn)定性無明確定義、波浪繞射點(diǎn)未使用約定坐標(biāo)系、無明確數(shù)學(xué)表達(dá)式等。而拋物線模型的數(shù)學(xué)概念最為清晰、應(yīng)用也最廣泛[7]。Silvester和Hsu[3]通過Port Stanley、Lake Erie等實(shí)例驗(yàn)證了拋物線型理論的有效性。近年來，這一理論在我國(guó)遼東灣、渤海灣、山東半島等岸線穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中也得到了應(yīng)用[8]。目前拋物線型理論主要用于判斷現(xiàn)有海岸的穩(wěn)定狀態(tài)，較少用于預(yù)測(cè)海岸工程的建設(shè)對(duì)人工岸線演變的影響。本文將探討不同類型海岸工程的建設(shè)對(duì)人工岸灘演變趨勢(shì)的影響，為類似工程提供參考。

1　靜態(tài)平衡岬灣海岸拋物線型理論

Hsu和Evans[6]基于室內(nèi)模型試驗(yàn)及27個(gè)岬灣海岸原型觀測(cè)的數(shù)據(jù)，提出了靜態(tài)平衡岬灣海岸的拋物線型理論，適用于無上游漂沙及河流來沙的岸段（圖1）：

式中：Rβ為控制線長(zhǎng)度，即上游岬頭控制點(diǎn)（X0，Y0）到下游控制點(diǎn)（X1，Y1）的距離；β為參考波浪入射角，即上游控制點(diǎn)處入射波峰線與控制線之間的夾角；Ri為岸線點(diǎn)與上游控制點(diǎn)之間的距離，i=1，2，……，n；θi為入射波峰線與Ri之間的夾角；Cj（j=0，1，2）為系數(shù)，可表達(dá)為β的四階多項(xiàng)式：

為便于工程應(yīng)用，Klein等[9]基于拋物線型理論發(fā)展了MEPBAY模型（Model for Equilibrium Planform of BayBeaches）。Benedet等[10]運(yùn)用MEPBAY探討了不同曲率及平衡狀態(tài)海灣的形態(tài)演變。Lausman等[11]借助MEPBAY分析了不同平面布置方案對(duì)岸線演變的影響。

以廣西北海市潿洲島南灣為例，MEPBAY的簡(jiǎn)要操作（圖2）步驟為：1）新建工作任務(wù)，導(dǎo)入海岸地貌的圖片或衛(wèi)星照片；2）在“Beach Orientation”欄選擇岸線和岬頭方位。例如，本例的海灘位于圖的下側(cè)（選“downcoast”），岬頭位于右側(cè)（選“right headline”）；3）點(diǎn)擊“View Straight Lines”，將繞射點(diǎn)、下游控制點(diǎn)及下岸切線點(diǎn)連成“Z”字形。本例的岬頭H為繞射點(diǎn)，下游直線岸段E為下游控制點(diǎn)，下岸切線點(diǎn)W的選擇需滿足線段WE與下游岸線相切，且∠WEH成銳角；4）點(diǎn)擊“DrawCoastLine”，即可得到靜態(tài)平衡狀態(tài)的岸線（圖中加點(diǎn)曲線）；5）點(diǎn)擊“NumericResults”，可得到平衡岸線的相關(guān)參數(shù)，如控制線長(zhǎng)度Rβ，參考波浪入射角β，岸線點(diǎn)與上游控制點(diǎn)之間距離R，入射波峰線與Ri之間夾角θi。

圖2　MEPBAY的操作演示Fig.2　Demonstration of operation of MEPBAY

2　拋物線型理論的實(shí)例驗(yàn)證

本節(jié)選取青島匯泉灣和北戴河西海灘，借助MEPBAY軟件探討拋物線型理論在岬灣海岸穩(wěn)定性分析方面的應(yīng)用。

2.1青島匯泉灣

青島匯泉灣位于青島市南端膠州灣北岸，是半封閉的基巖沙礫質(zhì)海灣，灣口兩端為基巖岬角，水域面積約1.2 km2，常浪向?yàn)闁|東南（ESE）[12]。其海灣平面形態(tài)如圖3（a）所示。

考慮到本區(qū)域存在2個(gè)岬角（繞射點(diǎn)），會(huì)形成不同的繞射波向，從而對(duì)東北部岸線S1—S2和西北部岸線S2—S3產(chǎn)生不同的影響，故分別進(jìn)行分析。對(duì)于東北部S1—S2岸線，選取繞射點(diǎn)A（東南部岬角）、下游控制點(diǎn)B、切線點(diǎn)C，模擬出的岸線與實(shí)際岸線基本一致，說明經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的波浪塑造作用，東北部S1—S2岸線已經(jīng)處于靜態(tài)平衡狀態(tài)。究其原因，波浪經(jīng)過岬角A后由于繞射波向改變，波峰線與海岸近乎平行，波浪近乎垂直沖向岸線S1—S2，泥沙運(yùn)動(dòng)主要表現(xiàn)為垂直岸線的橫向移動(dòng)，由于沿岸流很弱，平行岸線方向的泥沙縱向輸移對(duì)岸線變形的影響基本可忽略。同理，對(duì)于西北部S2—S3岸線，選取繞射點(diǎn)D（西南部岬角）、下游控制點(diǎn)B、切線點(diǎn)E，模擬出的岸線也與實(shí)際岸線基本一致，說明西北部S2-S3岸線亦已達(dá)到輸沙平衡狀態(tài)。

綜合來看，MEPBAY模擬出的岸線與實(shí)際岸線幾乎重合，說明青島匯泉灣的岸線已處于靜態(tài)平衡狀態(tài)，即沿岸漂沙量接近0。

2.2北戴河西海灘

北戴河西海灘位于秦皇島市南部，屬于砂質(zhì)海岸，以S向波浪為主[13]（圖3（b））。

其北部突堤和南部岬角可視為繞射點(diǎn)，岸線分為S1—S2段和S2—S3段分別分析。對(duì)于南部S2—S3岸線，選取D點(diǎn)作為波浪繞射點(diǎn)，在下游直線岸段選取下游控制點(diǎn)B、切線點(diǎn)E，平衡岸線與實(shí)際岸線S2—S3基本吻合，說明該段岸線已經(jīng)達(dá)到靜態(tài)平衡。這是由于來自S向的波浪經(jīng)過南部岬角繞射，波能在D點(diǎn)輻聚，在波影區(qū)D—S2—S3—D內(nèi)輻散，能量減小，波向發(fā)生改變，波峰線幾乎平行涌向岸線S2—S3，泥沙產(chǎn)生橫向來回移動(dòng)，而縱向運(yùn)動(dòng)很弱，說明經(jīng)過長(zhǎng)期的波浪塑造作用，南部S2—S3岸線已經(jīng)處于靜態(tài)平衡狀態(tài)。對(duì)于北部S1—S2岸線，以突堤端頭A點(diǎn)作為繞射控制點(diǎn)，連接下游控制點(diǎn)B、切線點(diǎn)C，模擬出的平衡岸線亦與實(shí)際岸線吻合。

圖3　基于MEPBAY的海岸穩(wěn)定性分析Fig.3　Visual assessment of beach stability using MEPBAY

由模擬結(jié)果可知，由于北部突堤的修筑，使外海涌向岸線的波浪提前破碎，加之長(zhǎng)時(shí)間的自然重塑作用，北戴河西海灘已演變?yōu)殪o態(tài)平衡海灣，波浪作用不會(huì)引起沙灘的侵蝕或淤積。

3　天津港東疆港區(qū)人工沙灘穩(wěn)定性分析

東疆港區(qū)人工沙灘景觀工程環(huán)抱式防波堤、游艇泊位、燈塔和人工沙灘四個(gè)部分（圖4）。其中，環(huán)抱式防波堤2007年建成，中間留有150 m長(zhǎng)的口門，游艇泊位2011年建成，燈塔尚未修建，人工沙灘為淤泥質(zhì)海岸上的離岸沙灘，南北長(zhǎng)約2 km，寬165 m、總面積2.46 km2，為目前國(guó)內(nèi)面積最大的人工沙灘景區(qū)。港區(qū)內(nèi)以風(fēng)浪為主，混合浪為輔，常浪向?yàn)镾向，次常浪向?yàn)镾SE、SE和NW向[14]。以下按照工程建設(shè)順序分別探討環(huán)抱式防波堤、游艇基地突堤、燈塔對(duì)人工沙灘的影響。

3.1防波堤的影響

圖4（a）表明，對(duì)于西北部岸線S1—S2，以防波堤口門處的A點(diǎn)為岬頭，繞射后的波浪以一定夾角入射岸線，在淺水區(qū)破碎并轉(zhuǎn)化為沿岸流，引起沙灘泥沙的縱向移動(dòng)，使得MEPBAY得到的平衡岸線位于現(xiàn)岸線的靠海一側(cè)，說明其仍處于沖淤變化。對(duì)于西南部岸線S2—S3，平衡岸線與現(xiàn)岸線大部分重合，僅在南端由于一較弱的沿岸流導(dǎo)致部分泥沙向S2—S3岸線尾部輸移，說明其已接近靜態(tài)平衡狀態(tài)。

圖4　海岸工程對(duì)人工沙灘的影響Fig.4　Effect of coastal projects on artificial beaches

總的來看，在外圍防波堤修建后，部分岸段（S1—S2及S2—S3岸線的尾部）仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)。為了維持人工沙灘的形態(tài)，天津港東疆建設(shè)開發(fā)有限公司分別于2012、2013、2015年進(jìn)行了3次景觀提升維護(hù)工程，包括灘面補(bǔ)沙、清淤、整平等工作，每次補(bǔ)沙量約28 000～36 000 m3。

3.2游艇基地突堤的影響

突堤在港內(nèi)形成新的岬頭。經(jīng)口門處（A點(diǎn)）繞射的波浪，會(huì)在突堤頂部（D點(diǎn)）產(chǎn)生次級(jí)繞射（圖4（b））。對(duì)于西北部岸線S1—S2，平衡岸線位于現(xiàn)岸線靠海一側(cè)，表明其處于不穩(wěn)定的狀態(tài)。對(duì)于西南部岸線S2—S3，靜態(tài)平衡岸線與現(xiàn)岸線大部分吻合，尾部由于波浪經(jīng)突堤頂部（D點(diǎn)）繞射變向，生成的破波沿岸流使得平衡岸線向海側(cè)延伸。

3.3燈塔的影響

燈塔建成后必然改變波浪的繞射方式（圖4 （c））。將燈塔視為港區(qū)內(nèi)的一個(gè)岬角（繞射點(diǎn)A與點(diǎn)D），在其影響下，模擬出的西北部平衡岸線向海側(cè)偏離現(xiàn)有岸線S1—S2，而西南部岸線S2—S3將在兩側(cè)端部淤積?？傮w來看，西北部岸線S1—S2及西南部岸線S2—S3兩側(cè)將處于不穩(wěn)定的狀態(tài)。

3.4工程改良建議

燈塔修建以后，岸線將處于不平衡狀態(tài)，需進(jìn)行人為調(diào)節(jié)。除了常用的人工補(bǔ)沙措施外，本文提出另外兩種方案（見圖5）：

1）修建接岸突堤促淤；

2）修建離岸潛堤促淤。

圖5　工程改良方案Fig.5　Proposal engineering improvement

綜合來看，上述方案各有利弊，需要根據(jù)實(shí)際工程情況權(quán)衡最優(yōu)方案。人工填砂設(shè)計(jì)及施工簡(jiǎn)單，但工程量取決于當(dāng)?shù)厮詈吞钌懊娣e，由于人工沙灘所用“金沙”全部從外地運(yùn)來，經(jīng)濟(jì)投入很大；接岸突堤方案只需在突堤兩側(cè)填砂，極大減少了填砂量，但會(huì)破壞岸線的連續(xù)性，不利于旅游開發(fā)；離岸潛堤產(chǎn)生的效果與接岸突堤類似，但其淹沒于水中，不影響旅游觀光效果，缺點(diǎn)是仍需要一定量的填砂。從經(jīng)濟(jì)角度考慮，接岸突堤和離岸潛堤更為合理。

4　結(jié)語(yǔ)

在平衡剖面分析的基礎(chǔ)上，以重要海岸工程作為一級(jí)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)增設(shè)二級(jí)甚至多級(jí)人工節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建海岸整體防護(hù)體系，是目前海岸工程防護(hù)的新思路[15]。本文以青島匯泉灣和北戴河西海灘為例，驗(yàn)證了靜態(tài)平衡岬灣海岸拋物線型理論在我國(guó)岬灣形態(tài)海岸穩(wěn)定性分析中的有效性。通過天津港東疆港區(qū)人工沙灘的穩(wěn)定狀態(tài)分析表明，防波堤、游艇突堤、燈塔的建設(shè)將改變波浪的傳播方向，從而對(duì)人工沙灘產(chǎn)生重塑作用。由于東疆港區(qū)屬于淤泥質(zhì)底質(zhì)，無法通過自然輸沙補(bǔ)充人工沙灘的粗砂。因此，建議通過修建接岸突堤或離岸潛堤形成人工岬頭，使其兼具固沙養(yǎng)灘和旅游觀光功能，是一種更為經(jīng)濟(jì)有效的海岸環(huán)境治理模式。

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Analysis of coastal stability based on static equilibrium theory of headland-bay beaches

WANG Zhi-Ping1,ZHONG Yi-hua2,JIANG Xue-lian2*,ZHAO Huan-le2
（1.Zhoushan port Co.,Ltd.,Zhoushan,Zhejiang 316000,China;
2.School of Civil Engineering,Tianjin Chengjian University,Tianjin 300384,China）

The parabolic shape model and its numerical method for headland-bay beaches in static equilibrium are introduced.The application of this model to the assessment of bayed beach stability is validated by the cases of the Huiquan bay in Qingdao and the West beach in Beidaihe.Then,the effects of the construction of encircled breakwaters,the groin for the yacht base and the lighthouse on the artificial beach in the Dongjiang Port Area of Tianjin Port are investigated.Either shoreconnecting groins or detached submerged breakwaters are proposed for protecting the artificial beach from erosion and deposition.Results show that the model provides coastal engineers with a valuable tool for undertaking projects on shoreline utility and artificial nourishment.

headland-bay beach;static equilibrium beach;parabolic bay beach model;MEPBAY;artificial nourishment

U656.3；P753

A

2095-7874（2016）08-0006-05

10.7640/zggwjs201608002

2016-03-31

2016-06-13

天津市自然科學(xué)基金（14JCYBJC22100）

王志平（1967— ），男，浙江舟山人，高級(jí)工程師，總工程

師，主要從事港口、海岸及近海工程研究。

蔣學(xué)煉，E-mail：jiang.xuelian@tcu.edu.cn