礫石堤壩和多孔方型魚礁消浪護(hù)灘的試驗(yàn)研究-以北戴河西海灘為例

楊立鵬，楊少鵬，張芝永，朱金龍，拾 兵

（1.青島市運(yùn)輸事業(yè)發(fā)展中心,山東 青島 266061；2.山東科技大學(xué) 海洋科學(xué)與工程學(xué)院,山東 青島 266590；3.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020；4.山東省海洋資源與環(huán)境研究院 山東省海洋生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 煙臺 264006；5.中國海 洋大學(xué) 工程 學(xué)院,山東 青島 266100）

海灘是海洋與陸地的銜接區(qū)域，是海陸相互作用的緩沖區(qū)，是沿海區(qū)域重要的旅游資源，在濱海生產(chǎn)生活中發(fā)揮著重要作用。近年來，受臺風(fēng)頻發(fā)、港口開發(fā)、河口整治、近海工程建設(shè)等因素的影響，海灘侵蝕越來越嚴(yán)重，已經(jīng)成為各個沿海國家面臨的普遍問題[1-3]。環(huán)渤海區(qū)域砂質(zhì)岸線平均侵蝕速度約為1～2 m/a，局部甚至高達(dá)5～8 m[4]。眾多濱海旅游勝地，如山東青島、福建廈門、廣西北部灣、海南三亞等海灘侵蝕都比較嚴(yán)重[5-7]。

由此，眾多學(xué)者對海灘保護(hù)進(jìn)行了大量研究。馮金良[8]、劉會欣等[9]、楊燕雄等[10]利用物理模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，對北戴河海灘侵蝕原因及人工沙壩防護(hù)效果進(jìn)行了研究。吳建[11]、趙多倉等[12]、馬悅[13]運(yùn)用數(shù)值模擬、物理模型試驗(yàn)的方法研究了近海人工魚礁、人工沙壩等生態(tài)構(gòu)筑物對波浪消減和海灘養(yǎng)護(hù)的效果。徐楊楊等[14]以山東長島為例探討了礫石養(yǎng)灘的防護(hù)方法，對礫石填充厚度、粒徑及灘肩擴(kuò)寬等參數(shù)進(jìn)行了具體研究。王立楊等[15]、黃祖明等[6]通過對海灘斷面高程觀測，從風(fēng)浪疊加作用、海灘粒徑變化、不同岸段變化等角度研究了臺風(fēng)對威海楮島、北海銀灘等海灘的影響。何巖雨等[16]采用GENESIS岸線演變模型，研究了海口人工島作用下的海灘變化，提出了人工補(bǔ)沙和循環(huán)養(yǎng)護(hù)的生態(tài)修復(fù)措施。戚洪帥等[3]歸納總結(jié)了護(hù)灘技術(shù)的發(fā)展歷程、世界各國采用的實(shí)踐方法及未來養(yǎng)護(hù)的發(fā)展趨勢?？锎淦嫉萚17]、趙友鵬[18]、黎樹式等[1]提出通過灘肩補(bǔ)沙、實(shí)體工程、離岸潛堤、退塘還灘等途徑以促淤保灘的方式對侵蝕海灘進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。雖然海灘保護(hù)方法研究已開展較多，但對礫石堤壩與多孔方型魚礁共同作用下的消浪效果及岸灘防護(hù)的研究相對較少。因此，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，以北戴河西海灘為例，通過物理模型試驗(yàn)，探討了礫石堤壩、多孔方型魚礁等不同防護(hù)措施對近岸海灘的保護(hù)作用。

1 研究區(qū)域

北戴河西海灘位于北戴河老虎石公園至戴河口區(qū)域（圖1），是北戴河開發(fā)歷史最長的海灘，為基巖岬灣海岸向沙丘海岸的過渡區(qū)，海岸為人工護(hù)堤，后方為丘陵，海灘長約3.57 km，寬約20 m，向海側(cè)400 m 水深2 m左右，潮差較小，是優(yōu)良的天然浴場。海灘沉積物主要為細(xì)沙和中粗沙，平均粒徑在1.26～2.76 mm。

圖1 研究區(qū)位置及方案示意圖Fig.1 Location and schematic diagram of the study area

西海灘自建國初期至80 年代岸灘侵蝕速率為2.31 m/a，80 年代至2000 年侵蝕速率為3.07 m/a，2002年至2007 年侵蝕速率為3.28 m/a。60 年代北戴河西海灘寬度均勻，平均寬度約110 m；80 年代海灘最寬約76 m；2000 年最寬處約為58 m；到2007 年，只能靠填沙維持，西海灘平均寬度變?yōu)?7 m。

2 物理模型試驗(yàn)

2.1 物理模型試驗(yàn)布置

本試驗(yàn)在波流循環(huán)水槽中進(jìn)行，水槽尺寸為30 m×0.6 m×0.8 m，最大試驗(yàn)水深為0.5 m，水槽一端為推板式造波機(jī)，另一端為消能設(shè)施，如圖2 所示。為便于測量且充分研究不同防護(hù)措施對波浪的消減作用，本試驗(yàn)主要開展規(guī)則波作用下的岸灘演變研究，試驗(yàn)前先對波高儀進(jìn)行標(biāo)定，以消除系統(tǒng)誤差。

圖2 波流水槽試驗(yàn)立面圖Fig.2 Wave-flow flume experiment (side view)

綜合考慮試驗(yàn)條件、儀器測量精度等因素，確定試驗(yàn)采用正態(tài)模型，根據(jù)重力相似準(zhǔn)則設(shè)計，其長度比尺為：λL=λh=20，泥沙粒徑比尺為：λD=λL=20，泥沙沉速比尺為：λw=

2.2 試驗(yàn)參數(shù)和工況

防護(hù)措施主要是在近海區(qū)域水面以下修建礫石堤壩或人工魚礁，對入射波浪產(chǎn)生消減作用，減弱近岸泥沙運(yùn)動，減少波浪對岸灘的侵蝕，本試驗(yàn)中的防護(hù)措施分3 種工況，分別是堤壩防護(hù)、魚礁防護(hù)、堤壩+魚礁共同防護(hù)。礫石堤壩采用粗礫堆積形成，其中70%粒徑為5～7 mm，30%粒徑小于5 mm，原型寬度約100 m，高1 m，距離基點(diǎn)(岸邊起始點(diǎn)0 m 處)約170～270 m；試驗(yàn)采用中值粒徑為0.3 mm 的天然沙作為模型沙。魚礁采用多孔方型透空結(jié)構(gòu)，原型頂高程-1.8 m，寬10 m，位置距離基點(diǎn)約450 m。魚礁工況試驗(yàn)采用一體式，其結(jié)果布置如圖3 所示，堤壩+魚礁工況斷面布置如圖4 所示。工程海域橫斷面地形如圖4b 所示。

圖3 多孔方型魚礁結(jié)構(gòu)布置Fig.3 Arrangement of the porous square reef

圖4 堤壩+魚礁工況斷面布置Fig.4 Section layout for the case of gravel dam+reef

通過對秦皇島海洋站潮位資料進(jìn)行統(tǒng)計分析，研究區(qū)海域主要潮位特征值為：極端高水位2.66 m、設(shè)計高水位1.35 m。故本試驗(yàn)選用2.66、1.35 和0 m 三種試驗(yàn)水位，并通過試驗(yàn)獲得各水位對應(yīng)的極限波高（即運(yùn)用波流水槽模擬海洋環(huán)境，試驗(yàn)時保持水位恒定，逐漸增加波高，直至得到該水位波浪破碎前的最大波高），以此作為外海入射波高。試驗(yàn)水位及入射波高參數(shù)如表1 所示。各防護(hù)措施如表2 所示。

表1 試驗(yàn)水位及入射波高Table 1 Parameters for the experiment

表2 試驗(yàn)工況Table 2 Cases for the experiment

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 波浪消減

為便于分析，設(shè)1 號波高測點(diǎn)位于堤壩與魚礁之間，距基點(diǎn)328 m 處（堤壩向海方向約60 m）；2 號波高測點(diǎn)位于堤壩后，距基點(diǎn)122 m 處（堤壩向岸方向約50 m）。本試驗(yàn)選用透射系數(shù)作為衡量各防護(hù)措施消浪效果的參數(shù)；2 號測點(diǎn)位于所有防護(hù)措施的后方，波高受堤壩、魚礁作用后明顯減少，因此將2 號測點(diǎn)波高與入射波高的比值作為波浪透射系數(shù)。不同水位及防護(hù)措施下的波高如表3 所列。同一水位下，各防護(hù)措施的透射系數(shù)變化規(guī)律為：魚礁＞堤壩＞堤壩+魚礁；同一防護(hù)措施下，堤壩、堤壩+魚礁工況下透射系數(shù)隨水位及波高的增加略有增加，其中堤壩+魚礁工況的消浪效果最明顯，對應(yīng)透射系數(shù)分別為0.21、0.27、0.36；其次為堤壩工況，分別為0.24、0.29、0.37；魚礁的透射系數(shù)最高，說明單排魚礁對近岸波浪的消減作用不明顯且有可能引起近岸波浪的匯聚[11]，但其對深水區(qū)的波浪具有一定的消減作用。

表3 不同水位及防護(hù)措施下的波高Table 3 Wave heights under different cases and water levels

3.2 輸沙率

因堤壩迎浪面頂端位置波能耗散較大，泥沙運(yùn)動劇烈，故本試驗(yàn)選取距基點(diǎn)258 m 處（堤壩向海方向的頂端位置）作為3 號測點(diǎn)測量輸沙率。不同水位及防護(hù)措施下的單寬輸沙率如表4 所示。同一水位不同防護(hù)措施下的單寬輸沙率變化由大到小為：堤壩、堤壩+魚礁、無防護(hù)、魚礁；同一防護(hù)措施不同水位的單寬輸沙率由大到小為：2.66 m、0 m、1.35 m；單寬輸沙率最大值出現(xiàn)在2.66 m 水位下的堤壩工況，其值為54.4 kg/(m·s)。這說明堤壩工況下，泥沙向岸輸移量較大，有利于岸灘防護(hù)，但堤壩迎浪面的泥沙運(yùn)動比較劇烈。堤壩+魚礁工況的單寬輸沙率為33.6 kg/(m·s)，是堤壩工況的0.62 倍，說明該防護(hù)措施既能增加向岸輸沙率又能減弱堤壩迎浪面的泥沙運(yùn)動。

表4 不同水位及防護(hù)措施下的單寬輸沙率Table 4 Sediment discharge rates under different cases and water levels

3.3 水下坡度角

根據(jù)試驗(yàn)測量資料，對堤壩、堤壩+魚礁兩種防護(hù)措施下堤壩迎浪面的水下坡度角進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖5 所示。水下坡度角隨極限波高的增大呈現(xiàn)先增大、后減小的趨勢。堤壩工況下，坡度角在0 m 水位時最?。s3.5°），1.35 m 水位時最大（約5.0°）；堤壩+魚礁工況下，坡度角在2.66 m 水位時最?。s1.2°），1.35 m水位時最大（約1.7°）；堤壩工況的坡度角約是堤壩+魚礁工況的2～4 倍。這說明，堤壩單獨(dú)防護(hù)時，其迎浪面區(qū)域泥沙運(yùn)動劇烈，引起前坡變陡；而堤壩+魚礁共同防護(hù)時，魚礁的存在消減了深水波浪，減弱了泥沙運(yùn)動，堤壩整體變形程度較小[13]。

圖5 水下坡度角隨極限波高的變化Fig.5 Variation of the slope angle with the extreme wave height

3.4 地形變化

3.4.1 地形沖淤

為便于測量，本試驗(yàn)將原型中0 m 處1.8～3.0 m 高程段的水平距離擴(kuò)展為-28～0 m，高程擴(kuò)展為2.0～3.0 m，其中2.0 m 高程段長8 m，2.0～3.0 m 高程段長20 m。

0 m 水位時以極限波高（2.07 m）沖刷7.5 h 后，各防護(hù)措施下的海床面地形變化如圖6 所示。對于堤壩及堤壩前的外海區(qū)域：無防護(hù)時，泥沙在260～320 m范圍內(nèi)淤積；堤壩工況下，泥沙在280～310 m 范圍內(nèi)淤積，且在290 m 處形成一個高度約0.9 m 的沙壟；魚礁工況下，地形無較大變化；堤壩+魚礁工況下，泥沙主要在堤壩頂端170～250 m 范圍內(nèi)淤積，且在堤壩迎浪面頂端形成一個高度約0.5 m 的沙壟，對堤頂保護(hù)效果明顯。

圖6 0 m 水位不同防護(hù)措施下地形變化Fig.6 Variation of topography for different conditions under the same water level

對于堤壩后的近岸區(qū)域：各防護(hù)措施的主要作用范圍為40～135 m。無防護(hù)和魚礁工況下，泥沙在40～110 m 范圍內(nèi)淤積，淤積高度略高于原始地形，在110～135 m 范圍內(nèi)發(fā)生沖刷；堤壩及堤壩+魚礁工況下，地形無明顯變化，對近岸區(qū)域防護(hù)較好。1.35 m 水位時各防護(hù)措施加波7.5 h 后近岸地形變化如圖7a 所示。各防護(hù)措施主要作用區(qū)域由0 m 水位的40～135 m 變?yōu)?2～40 m 范圍，其中-2～16 m 區(qū)域淤積，16～40 m 區(qū)域沖刷。無防護(hù)時泥沙在-2～14 m范圍內(nèi)淤積，最大淤積高度約為1 m；在14～40 m 區(qū)域發(fā)生沖刷，最大深度約為1.3 m；說明岸灘侵蝕較嚴(yán)重，且易在近岸區(qū)域形成海溝。堤壩工況下，淤積范圍由無防護(hù)時的-2～14 m 變?yōu)?～14 m；魚礁工況下，淤積范圍與堤壩工況近似，淤積高度僅為堤壩的0.5 倍，且在24 m 處沖刷較嚴(yán)重，最大深度約為1 m；堤壩+魚礁工況下，淤積范圍由無防護(hù)時的-2～14 m 延伸至6～18 m，且18～40 m 區(qū)域沖刷較淺。

圖7 不同水位下各防護(hù)措施近岸地形變化Fig.7 Variations of nearshore topography under different cases and water levels

2.66m 水位時各防護(hù)措施的地形變化規(guī)律（圖7b）與1.35 m 水位時類似，近岸淤積范圍由1.35 m水位的-2～16 m 變?yōu)?24～0 m，范圍拓寬了33%；在20～40 m 區(qū)域內(nèi)沖刷更為嚴(yán)重。其中，無防護(hù)時在30～40 m 處沖刷形成深度約為2 m 的海溝；堤壩工況下該范圍變?yōu)?5～85 m，向海方向推移了2.5 倍距離，也形成深度約2 m 的海溝；其他工況下未出現(xiàn)類似海溝。

3.4.2 地形恢復(fù)

為研究同一防護(hù)措施在不同水位經(jīng)歷大浪作用后的地形變化，本試驗(yàn)先將各防護(hù)措施水位調(diào)至極端高水位（2.66 m），在該水位以對應(yīng)的極限波高（4.51 m）沖刷1.5 h 后測量地形變化；然后將水位降至設(shè)計高水位（1.35 m），以該水位對應(yīng)的極限波高（3.76 m）沖刷4.5 h 后測量地形變化；最后將水位降至0 m，以該水位對應(yīng)的極限波高（2.07 m）沖刷9 h 后測量地形變化。各工況下海床面地形變化情況如圖8 所示。

圖8 不同防護(hù)措施下的地形變化Fig.8 Variations of topography under different cases

無防護(hù)時（圖8a），極端高水位（2.66 m）波浪作用后，近岸泥沙在-10～5 m 區(qū)域內(nèi)淤積，最大淤積高度約0.5 m；低水位（0 m）波浪作用后，泥沙在-10～10 m 區(qū)域內(nèi)淤積，最大淤積高度約1.1 m，岸灘地形防護(hù)邊界向海方向拓展至約10 m 處。

堤壩工況下（圖8b），低水位波浪作用后，近岸泥沙在-4～14 m 區(qū)域內(nèi)淤積，最大淤積高度約1.3 m，岸灘地形防護(hù)邊界向海方向拓展至約14 m 處，與無防護(hù)工況相比，海域范圍拓展了40%，大浪形成的海溝可完全恢復(fù)至初始地形，堤頂泥沙淤積明顯且在230 m 處形成高度約為0.5 m 的沙壟。

魚礁工況下（圖8c），低水位波浪作用后，近岸泥沙在-10～12 m 區(qū)域內(nèi)淤積，最大淤積高度約1.1 m，岸灘地形防護(hù)邊界向海方向拓展至約12 m 處，與無防護(hù)工況相比，海域范圍拓展了20%，其他區(qū)域地形變化不明顯。

魚礁+堤壩工況下（圖8d），低水位波浪作用后，近岸泥沙在-4～16 m 區(qū)域內(nèi)淤積，最大淤積高度約0.8 m，岸灘地形防護(hù)邊界向海方向拓展至約16 m 處，與無防護(hù)工況相比，海域范圍拓展了60%，大浪形成的海溝可完全恢復(fù)至初始地形，40～140 m 區(qū)域及堤頂范圍內(nèi)泥沙淤積明顯，且在220 m 處形成高度約為1 m 的沙壟，地形恢復(fù)效果優(yōu)于堤壩工況。

4 結(jié)論及建議

本文對礫石堤壩、多孔方型魚礁等不同防護(hù)措施下的波浪消減、泥沙輸移、海床地形變化等進(jìn)行了研究，所得研究海域岸灘防護(hù)結(jié)論如下。

1）波浪消減：堤壩、魚礁的存在可導(dǎo)致深水區(qū)的波浪提前破碎，減小了波浪傳播至近岸的能量，起到消浪作用，其中堤壩+魚礁工況的效果比較明顯。

2）輸沙率：同一條件下，堤壩工況的輸沙率明顯大于堤壩+魚礁工況；其迎浪面的水下坡度角約是堤壩+魚礁工況的2～4 倍，說明堤壩工況的迎浪面泥沙運(yùn)動比較劇烈。

3）地形變化：堤壩+魚礁工況對高水位極限波高作用后的岸灘地形恢復(fù)效果較好，可以達(dá)到護(hù)灘促淤的目的。

綜上，堤壩+魚礁工況對岸灘防護(hù)效果明顯，是較好的方案，其次為堤壩工況。根據(jù)不同防護(hù)措施的試驗(yàn)結(jié)果，建議北戴河西海岸岸灘防護(hù)采取相關(guān)工程措施如下。

1）采用堤壩單獨(dú)防護(hù)，需進(jìn)一步粗化堤壩迎浪面的泥沙粒徑，以保持其穩(wěn)定。

2）采用魚礁防護(hù)時，魚礁周圍泥沙運(yùn)動劇烈，床面侵蝕明顯，建議在魚礁的迎浪面放置粒徑較粗的礫石，減少泥沙起動，保護(hù)床面穩(wěn)定。

3）可采用仿生態(tài)原理確定魚礁的形狀及材質(zhì)，在不影響生態(tài)的前提下，達(dá)到工程防護(hù)的目的。