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湛江金沙湾人工岬湾海岸沙滩稳定性研究

2020-05-26 02:07:27 《中国水运》 2020年3期

杨婷 沈迪

摘 要:文章以湛江金沙湾人工沙滩为研究对象,通过MEP-Bay软件验证静态平衡岬湾海岸的抛物线型理论在该区域海岸稳定性评价方面的有效性。在此基础上,通过地形数据等探讨已有码头对该人工沙滩冲淤的影响,提出固沙养滩的方案。结果显示,通过适当的人工构筑物,配合合理的人工养滩,可以创造静态平衡的人工岬湾海滩,对海岸带的开发和保护具有重要的意义。

关键词:人工岬湾海岸;静态平衡;抛物线模型;平衡剖面

世界上近80%的海岸线是岩基海岸,包括岬角,沿海山脉,悬崖等[1]。受涌浪的长期作用,毗邻该海岸的沙质沙滩往往形成弧形海岸,这类沙滩统称为岬湾海岸。这类海岸在我国华南沿海一带分布广泛,据统计占华南岸线总长度的1/3以上[2]。尽管国内拥有大量的岬湾海岸,但是目前国内对人工岬湾沙滩的静态平衡研究还相对较少。因此,探讨人工岬湾海岸沙滩的静态平衡状态,不但可以为人工沙灘的规划设计、海岸防护及科学管理提供一定的理论依据,在海洋经济获得迅猛发展的时期,加强对人工沙滩平衡稳定的研究具有非常迫切的现实意义。

1  岬湾海滩的平面形态设计

1.1  人工岬湾原理-抛物线模型

目前,国外学者基于不同坐标系和方法研究下,已有不少经验模型来研究岬湾海岸。KRUMBEIN[3],YASSO[4]的对数螺旋方程,MORENO[5]的双曲正切模型,HSU和EVANS[6],SILVSTER和HSU[7] [8]的抛物线型海湾方程。其中,抛物线模型因考虑了上游岬头和波浪绕射的影响,是拟合弧形海岸静态平衡状态最被广泛采用的经验模型。该公式以27个实验室模型及现场湾岸作为原型,适用于上游没有漂沙进入与湾内没有河流输沙的条件:

其中:Rn为控制点至岸上任一点的距离;R0为上下游控制点间的距离;C1,C2,C3为与β相关的常数;θn为入射波波峰线与Rn之间的夹角;β为入射波波峰线与R0之间的夹角;该公式中,最主要的影响因子是β。

利用该经验公式,可绘制预测的静态平衡岸线,当现有岸线与该预测岸线一致时,则沙滩为静态平衡状态,无需沿岸输沙或人工填沙,岸线即可保持长期稳定[7]。为了便于工程应用,Klein[9]等以抛物线模型为原型,开发出MEP-Bay软件(Model for Equilibrium Plan form of Bay Beaches),该软件可以更加直观地验证岬湾海滩的稳定性,更适用于实际工程应用。

1.2  资料和方法

金沙湾人工沙滩位于广东省湛江市赤坎区湛江港海域内,濒临美丽的金沙湾观海长廊,北侧为风车广场、西侧为劳丽诗广场,南侧为正在施工的红嘴鸥码头,属大型的免费海滨浴场。人工沙滩长约800m,最宽的区域约120m,总面积约8.22万m2。

金沙湾人工沙滩所在区域属于不正规半日潮,潮差较大,大潮平均潮差为3.1m,小潮平均潮差为2m。波浪以风浪为主,年出现频率约为80%;常浪向为ENE,次常浪向为SE向,频率分别为23.49%、17.11%;强浪向为ESE向。河海大学于2014年7月13日-7月14日对该区域海流(流速、流向、水深、悬浮物SS等)进行监测。经统计,本区域海流流向为西北-东南向,流速约为0.25m/s,水体泥沙以0.063-0.004mm的粉砂(90%)为主,含少量0.004-0.001mm的粘土(10%),海底沉积物以粉砂为主,含少量砂、粘土。

沙滩上游主要为遂溪河,解放后由于各种小型水利工程的兴建及植树造林,现有流域来沙已大有减少。金沙湾湾顶围海造田,官渡堵海,莫村河口筑闸,调顺岛筑堤堵海,使陆域来沙对本沙滩的影响也较小。上游流域沿岸输沙受金沙湾上下游岬角(见图2)阻断,湾内缺乏砂源补充,从而可以在波浪作用下形成静态平衡的抛物线岸线,因此采用岬湾海湾理论(MEP-Bay软件)对金沙湾人工沙滩的平衡线性进行预测是合理的。

1.3  资料来源

本文主要利用MEP-Bay软件对谷歌地球提供的最新湛江金沙湾人工沙滩的卫星图片(2017年10月)进行处理,以验证该人工沙滩岸线整治的合理性。考虑到本区域存在2个岬角,会形成不同的绕射波向,因此分别对两个岬角进行分析。

金沙湾人工沙滩东侧海域波浪主波向为ENE向,由于金沙湾人工沙滩存在两个岬角,因此,图中分别取A和B作为上游控制点,C为下游控制点:其中A点位于沙滩东北部风车广场突出处,B点位于沙滩东南侧红嘴鸥码头折角处。人工沙滩布置时,应根据尽量所计算的控制性合成波向,使岸线走向与其相垂直,这是人工沙滩平面布置的首要条件[10]。从图中可以看出,金沙湾人工沙滩的海岸线基本与波向相垂直。从图中可以看出,波峰线几乎平行于岸线,波浪垂直冲刷沙滩,说明作为人工沙滩平面布置,金沙湾的规划是合理的。对于控制点A处,模拟出的平衡岸线下半段CE与实际岸线较为吻合,拟合的平衡岸线上半段CF在现有海岸线的向陆侧,且偏移度较大,说明该岬角A对该段沙滩的遮蔽效果较差。当波浪在岬角A处发生绕射后,增强了波浪对岸滩的作用,将导致泥沙在该段冲刷,该段沙滩将处于淤积状态。对于控制点B,拟合的平衡岸线CD与实际岸线近乎吻合,DE段处于小范围冲刷状态。该处主要受排水口水流冲刷的影响,形成轻微的冲刷状态。预测,受红嘴鸥码头遮蔽的CE段岸线已趋于稳定,而GF段岸线将处于侵蚀状态。

利用谷歌地球提供的多年卫星图像,对金沙湾人工沙滩岸滩平衡进行分析。图片记录了金沙湾人工沙滩从2003年-2017年的形成过程。金沙滩人工沙滩通过整治由2003年的天然形成的窄小且沙质差的沙滩整治成弧形人工沙滩,自2011年初步整治完成并开始免费开放。金沙湾人工沙滩历经2013年4月,2015年1月及2018年12月共计3次整治。2012年整治回填石英沙总数约8万m3,2015年整治回填砂量约为3万m3,2018年12月整治回填量约为1万m3(其中,沙滩坡度均按照1:30)。说明沙滩按照该弧形,利用静态稳定平衡状态进行沙滩整治是基本有效的,人工补砂的数量在逐渐减少。从上图中看出,2013年4月完成整治后,2013年12月的沙滩已经保持较好地稳定状态;从2015年04(第2次整治后)至2017年10月(第三次整治前)的谷歌卫星图片看出,上半段岸线处于少量冲刷现象,与MEP-Bay的预测基本一致,但GF段的冲刷量较软件预测小。这是由于MEP-Bay软件下游控制点的选择存在一定的主观性,因此结果可能存在一定误差。总体而言,该人工沙滩泥沙冲刷有限,基本能保证沙滩平衡。

2 岬湾沙滩的坡面设计

2.1 沙滩平衡剖面理论

Dean[11]曾研究了美国502个沙滩的剖面,范围从佛罗里达半岛附近的长岛东段一直延伸到墨西哥边境的德克萨斯州,研究过程中,Dean对每个剖面进行了最小二乘法拟合,从而推演获得海滩平衡剖面计算公式:

其中:h为深度(m),y为离岸距离(m),A为剖面系数,D为采用沙粒的中值粒径。

2.2 岬湾沙滩的剖面设计

剖面高程设置根据湛江港验潮站多年验潮资料进行标识,平均大潮高潮位为3.7m左右(从湛江港理论最低潮面起算)。因此滩肩高程取4m。滩肩宽度根据实际地形取20-50m左右。

根据河海大学(金沙湾海滨浴场海床维护工程方案研究,河海大學,2014年8月)2014年监测的水体泥沙颗粒级配分析显示,本区域沉积物主要以0.1mm以下的粉砂为主,说明0.1mm以下的粉砂容易被潮流携带沉积到海底。同时考虑人体舒适度,金沙湾人工沙滩的粒径选择以中值粒径为0.65mm的砂为主,从而减小被潮流携带走的可能性。潮间带区域(30-80m)按填沙补砂中值粒径为(0.65mm)的平衡剖面作为沙滩的滩面形态,利用Dean的经验公式计算获得剖面,采用1:30的沙滩坡度。

根据2015年(第二次整治前)至2018年(第三次整治前)的剖面图显示,选用上述计算的结果回填的砂石中间段基本处于冲淤平衡状态。整体结果与MEP-Bay软件计算结果基本吻合。通过以上分析,金沙湾人工沙滩整治是成功的,沙滩基本处于静态平衡状态。

3  结语

利用岬湾海滩平衡形态模型(MEP-Bay)对湛江金沙湾人工沙滩稳定性进行模拟,提出平面形态布置方案,并结合海滩平衡剖面公式进一步分析设计沙滩剖面,研究得到以下认识:

(1)MEP-Bay软件模拟得出了金沙湾人工沙滩的稳定湾岸曲线,结果与实测数据基本相吻合;但是由于该软件下游控制点的选择存在一定的主观性,因此结果可能存在一定误差。软件拟合结果可以作为沙滩整治规划的参考,但不能作为其唯一标准。

(2)通过一定的人工设施,配合合理的人工养滩,可以创造出静态平衡的人工岬湾海滩。

(3)人工沙滩的整治是一个复杂且漫长的过程,需要后期多年监测并随时调整整治方案,从而达到真正整治的目的。

参考文献:

[1]  EMERY K O,  KHUN G G. Sea cliffs: their profiles and classification[J]. Geological Society of America Bulletin, 1982(93): 644-654.

[2] 陈欣树. 广东和海南岛沙质海岸地貌及其开发利用[J]. 热带海洋,1989(8):43-51.

[3] KRUMBEIN W C. Shore processes and beach characteristics. Beach Erosion Board Technical Memorandum[C], 1944:47.

[4] YASSO W E. Plan geometry of headland bay beaches[J]. The Journal of Geology, 1965(73):702-714.

[5] MORENO L Y, KRAUS N C. Equilibrium shape of headland-bay beaches of for engineering design[C]. Proceedings of Coastal Sediments, 1999:860-875.

[6] HSU J R-C, EVANS C. Parabolic bay shapes and application[JC]. Proceedings of Institution of Civil Engineers,1989.

[7] SILVESTERR, HSU J R C. Coastal stabilization: In novative Concepts[M]. Englewood Cliffs: Prentice-Hall,1933.

[8] SILVESTERR, HSU J R C. Coastal stabilization[M]. Singapore: World Scientific Publication Co., 1997: 578.

[9] KLEIN A H F, VARGAS A, RAABE A L A, et al. Visual assessment of bayed beach stability using computer software[J]. Computers& Geosciences, 2003(29):249-257.

[10] 徐敏. 滨海城市人工沙滩选址、规划与平面布置探讨[J]. 城市道桥与防洪, 2017(08):295-300.

[11] Dean R G. Equilibrium Beach Profiles: U.S. Atlantic and Gulf Coasts[R]. Department of Civil Engineering, Ocean Engineering Report No.12, University of Delaware, 1977.