海滩养护修复过程中拦沙堤的应用

2021-12-18刘建辉戚洪帅郑吉祥曹慧美

海洋工程 2021年6期

朱君，蔡锋，刘建辉，刘根，戚洪帅，雷刚，郑吉祥，曹慧美

(1. 鲁东大学水利工程学院，山东烟台 264025; 2. 自然资源部第三海洋研究所海洋与海岸地质实验室，福建厦门 361005; 3. 福建省海洋生态保护与修复重点实验室，福建厦门 361005)

海滩养护是指将异地与修复区海岸环境相适应的沉积物通过人工手段搬运到海岸指定位置，用以迅速增加平均高潮位以上海滩宽度等的工程技术措施[1]。海滩养护作为海岸侵蚀的软性防护策略，不仅可以有效保护海岸，还能提供适宜的滨海娱乐空间和生态栖息地[2-4]。海滩养护技术起源于美国东海岸的“机会”工程[5-7]，并随后在欧美等国家得到大量应用[8-11]。我国海滩养护起步较晚[12]，但近年来，随着我国对海岸保护修复工作的重视，不仅全国海滩养护的工程实例越来越多[13-14]，养护技术能力也取得了长足进步[15]。

拦沙堤是指修建的垂直于海岸或略微倾斜于海岸的非透水或部分透水构筑物，其主要功能是限制泥沙的沿岸输移[16-17]。其与潜堤、防波堤等是海滩养护过程中常用辅助工程[18]。在欧美成熟的海滩养护技术中，拦沙堤被广泛应用到众多的海滩养护工程实践中[8,19-21]。我国最早的海滩养护工程——香港浅水湾浴场亦采用了拦沙堤的设计[22]。据不完全统计，拦沙堤已成为我国最常用的海滩养护修复辅助构筑物[16]。

尽管拦沙堤在海滩养护中的应用已经很普遍，但各地根据自己的动力及地貌条件对拦沙堤的设计却有很大差异[23]。有的拦沙堤较短[24]，有的拦沙堤较长[25]；有的拦沙堤独立发挥作用[26]，有的拦沙堤组团设计[27]；有的拦沙堤完全不透水[13]，有的拦沙堤部分浸没[19]。目前有多位学者研究了拦沙堤对相邻沙质海岸的影响机制[28-30]，总结了不同形式拦沙堤的设计依据[17, 23, 31-32]，但拦沙堤在海滩养护中的应用现状及未来发展趋势还未有科学的总结。

鉴于海滩养护工程的日益盛行，以及拦沙堤在海滩养护工程中的广泛作用，在统计我国海滩养护工程中拦沙堤应用实例的基础上，分类讨论拦沙堤的应用规律及特征，探讨海滩养护中拦沙堤的主要应用创新，最后展望拦沙堤设计技术的未来发展趋势并提出了相关建议。

1 海滩养护过程中拦沙堤的应用现状

1.1 拦沙堤功能分类

虽然拦沙堤的主要功能是拦沙，但依据拦沙堤的功能差异又可以将之分为3类(表1)。第一类功能是防泥沙扩散[17]，这类拦沙堤长度较短，通常布置在无明显沿岸输沙岸段的两侧，用以阻止泥沙在沿岸方向向非养护区扩散。第二类功能是防沿岸输沙[25]，这类拦沙堤长度比第一类拦沙堤明显要长，通常布置在有明显沿岸输沙岸段的下游，用以阻止泥沙向下游输移。当养护海滩沿岸输沙方向有明显的季节变化时，这类拦沙堤亦可布置在养护海滩的两侧。第三类功能是防浪+防输沙[33]，这类拦沙堤的长度相对最长，通常布置在有明显沿岸输沙岸段的上游，且拦沙堤内侧可形成明显的波影区。受该种拦沙堤的影响，即使拦沙堤的内侧为沿岸输沙的上游，依然可以形成一定的泥沙淤积区。这3种拦沙堤对应的沙滩形态见图1，典型拦沙堤应用实例见图2。

表1 海滩养护过程中拦沙堤的功能分类Tab. 1 The functional classification of groins in beach nourishment

图1 各类功能拦沙堤情况下海滩形态示意Fig. 1 Schematic diagram of beach morphology in the cases of three functional groins

图2 典型拦沙堤应用实例Fig. 2 Typical application examples of groins

1.2 拦沙堤应用现状

海滩养护中拦沙堤的使用较为普遍。我国最早的海滩养护工程始于20世纪90年代香港的浅水湾浴场[22]，其养护海滩的东侧建有1个长约130 m的拦沙堤，用于阻止养护海滩向东的泥沙扩散。此后，随着我国对海岸保护修复的重视，许多滨海旅游城市相继实施了海滩养护修复工程[6]并在其中使用了拦沙堤的设计[16]。

据不完全统计，截至2020年12月，我国已完成或正在进行的海滩养护修复工程共有113项(表2)，分布于全国38个城市，养护修复砂质岸线总长度超过117 km，总填砂量约2.6×107m3。其中，拦沙堤的使用共47处，占总养护修复沙滩数量的41.6%。

(续表)

结合表2中我国各养护海滩中拦沙堤的功能，进一步发现拦沙堤的设计以防扩散(F1)为主，占拦沙堤使用总数的55%(图3)。这种功能的拦沙堤通常布置在无明显沿岸输沙的岸段，这说明我国大部分养护海滩的动力条件是适宜的[6]。而对于沿岸输沙较强的岸段使用拦沙堤的情况，绝大部分养护工程采用了防浪+防输沙的功能设计(F3)，占比约30%。这种功能的拦沙堤通过人工岬角的构建改变了波浪折射绕射点，从而构筑了有利于海滩稳定的“静态岬湾”形态[60]。第二类(F2)功能的拦沙堤所占比例最小，约为16%。这类功能的拦沙堤既没有改变养护区域的动力条件，也没有改变养护区域的沿岸输沙趋势，而是对当地自然动力条件的被动适应。这种拦沙堤设计难度相对较大，需要结合设计需求确定较精确的拦沙量，并且可能需要配合一定的沙滩维护措施来减小对相邻岸段的影响[61]。

图3 拦沙堤功能分类Fig. 3 Classification of groin functions

进一步统计了近30年来各类功能拦沙堤的应用变化情况(图4)。从数量上看，自2006年以来，拦沙堤的应用随着我国海滩养护数量的增加有了快速发展。在我国海滩养护初期，第一类(F1)和第三类(F3)功能的拦沙堤就已经有所应用，但第二类(F2)功能的拦沙堤在近10年的海滩养护中才出现。这反映了我国海滩养护理念的转换。在海滩养护初期，更加注重修复海滩的稳定，因此海滩养护往往选择在沿岸输沙较小的岸段或者通过人工岬角来构筑有利于海滩稳定的“静态岬湾”形态。随着近10年来我国生态修复理念的加强，对于存在沿岸输沙的岸段，海滩养护不再刻意追求改变养护区的背景输沙趋势，而是通过辅助工程措施(如旁通输沙)或允许一定的泥沙通过率来减小对相邻岸段的影响。

图4 各功能沙堤应用变化Fig. 4 Changes in the application of three functional groins

2 海滩养护中拦沙堤的应用创新

2.1 组合式拦沙堤设计

海滩养护修复过程中，位于输沙下游拦沙堤的设计一直是个难题。拦沙堤过短过矮则无法起到有效拦沙的目的，从而影响养护海滩的效果；拦沙堤过长过高则不仅增加了工程投资，而且严重改变了当地水动力条件，且有可能造成下游海岸的强烈侵蚀[23]。

朱君等[62]将下游拦沙堤设计分为有效拦沙段、安全段、坡折段，如图5所示，其中，Q0为年净输沙率，αd为波浪入射角度，β为滩面坡角，H1为拦沙堤水平段顶高程，H2为设计滩肩顶高程，H3为养护后平衡滩面与原始滩面的交点处高程，并基于突堤式建筑物上游砂质岸线平面形态演变的相关经验[63]，确定了各段结构的控制参数，达到了“聚沙而不断沙”的沙量调控效果。该拦沙堤设计方法应用到国内多处海滩养护中，并将养护区整体沙量维持在85%以上[26]，一定程度上解决了平直沙滩开展局部岸段修复的技术难题。

图5 拦沙堤设计示意Fig. 5 Sketch map of groin design

2.2 拦沙堤平面形态优化

虽然较长的平直型拦沙堤可以起到防浪和防输沙的作用，但其效果并不理想。为了提高拦沙堤在防浪和防输沙方面的综合能力，自然资源部第三海洋研究所基于静态岬湾理论[60, 64]，在洞头韭菜岙沙滩设计中，采用了г型和Y型拦沙堤的设计[65](图6)。这种形式的拦沙堤堤头可显著改变波浪的折射和绕射点，在拦沙堤内侧形成了一个较大的波影区，有效维持了养护沙滩的稳定[33]。

图6 浙江洞头韭菜岙沙滩修复实例Fig. 6 The example of beach nourishment of Jiucaiao in Dongtou, Zhejiang Province

除此之外，我国潍坊欢乐海[36]和大连星海广场[18]的养滩工程亦采用了相似拦沙堤的设计，达到了相同的养护效果。

2.3 拦沙堤堤群设计

在有明显沿岸输沙的岸段，单个拦沙堤往往会引起上游淤积，下游侵蚀的情况。若在整个岸段采用多个间隔排列的拦沙堤，则可将沉积物截留在拦沙堤之间(图7)。对于拦沙堤堤群而言，最重要的设计参数是拦沙堤之间的间距。间距过小，沉积物会在拦沙堤产生的离岸流作用下发生向海输移；间距过大，则沉积物截留能力较差，并且可能依然会导致部分岸段侵蚀[27]。

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

拦沙堤堤群间距的设定通常取单堤长度的2～3倍[31]。尽管目前拦沙堤堤群已经被广泛应用在了海岸保护和海滩修复过程中，但拦沙堤间距和单堤的长度、沿岸输沙率、沉积物粒径等因素之间的非线性关系还有待进一步探索[15,66]。

2.4 拦沙堤+潜堤组合优化

在一些极端天气较多或近岸地形剖面较陡的海域，海沙有通过横向输移搬运到闭合深度之外或绕过拦沙堤岬头的风险，此时单纯的拦沙堤设计无法有效地保护海滩。近年来，一些拦沙堤+潜堤的组合设计正逐渐兴起。如意大利威尼斯的Pellestrina[19,67]和我国浙江大陈岛的梅花湾海滩修复工程[58]。

大陈岛梅花湾海滩修复的平面设计如图8所示，垂直岸线布置的东西两条拦沙堤长度分别为100 m和60 m。两条拦沙堤中间为长约204 m的潜堤，潜堤的设置不仅有效维持了养护海滩的稳定，而且减小了养护海滩在风暴期间对邻近航道的影响。目前，该海滩修复项目正在施工中。

图8 浙江大陈岛梅花湾海滩修复平面布置Fig. 8 Layout of beach nourishment of Meihua Bay on Dachen Island, Zhejiang Province

2.5 拦沙堤+旁通输沙/循环养护

海滩修复中的旁通输沙(sand bypassing)通常是指通过人工手段将上游被拦截的沉积物搬运到下游，用以恢复沿岸输沙的工程措施；循环养护(sand recycling)通常是指将下游淤积的沉积物通过人工手段搬运到上游侵蚀区域的海滩养护措施。尽管旁通输沙和循环养护的采沙点都可以是沿岸输沙的淤积区域(见图9)，但其养护地点却有所不同，前者常位于淤积区的下游，后者常位于淤积区的上游[68-69]。目前，旁通输沙或循环养护的生态化治理方式正逐渐被公众接受[70-71]。

图9 旁通输沙及循环养护示意Fig. 9 Sketch map of sand by-passing and recycling restoration

在有沿岸背景输沙的海岸修建较长的拦沙堤(如河流入海口两侧修建的导流堤或者为临岸港口修建的防波堤)会阻断沉积物的沿岸输移，从而造成区域泥沙分配失衡和相邻岸滩的侵蚀[68,70]。旁通输沙和循环养护往往无须再修建额外的海岸构筑物，是一种尊重自然规律的生态化治理方式，但国内由于海滩养护起步较晚，尚没有这类工程的养护实践。2020年，自然资源部第三海洋研究所针对海口西海岸人工岛影响下的岸滩综合治理提出了循环养护的修复措施，这是国内的首次尝试[59]。

3 拦沙堤发展应用趋势及相关建议

3.1 应用趋势展望

海滩养护经过近百年的发展和应用，已经成为沙质海岸防护的主要技术[2,9]。随着国内外基于自然过程的海岸防护理念的提升，海滩养护势必迎来更蓬勃的发展[6]，拦沙堤作为海滩养护最常用的辅助构筑物之一也必将得到更广泛的应用。结合国内外相关养护修复工程实例以及自身相关实践经验，对未来海滩养护修复过程中拦沙堤的应用趋势进行了梳理。

1) 拦沙量的精准调控

针对第二类(F2)功能的拦沙堤实现拦沙量的精准调控一直是工程界追寻的目标。朱君等[62]通过对拦沙堤长度和高程的参数化设计，实现了拦截沙量的量化，但其计算依据的沿岸背景输沙率、波浪入射角度、岸滩剖面变形高度等确定较为复杂。带缺口的拦沙堤曾被认为是维持岸线稳定、增加沿岸输沙、减小对下游影响的不错方式[72]，但其开口位置、开口深度对沿岸输沙的影响较为敏感，相关参数的确定仍需深入研究[73-74]。美国佛罗里达州大胡桃树岛海滩修复中采用了可调节面板的拦沙堤设计，拦沙堤高程可根据实际拦沙需要通过增减面板来进行调节[75]，但其有效性仍需更多的工程来实践。未来随着工程技术水平的提升，拦沙堤对拦沙量的调控会更加精确，设计参数的选取也会更加简单便捷。

2) 丰富多样的形态设计

由于各地海岸特征、动力条件差异较大，海滩养护中拦沙堤的应用类型也多种多样。目前，针对第二类(F2)功能的拦沙堤已经出现了沿岸方向长度递减的拦沙堤堤群[76]、单拦沙堤+旁通输沙/循环养护[61,68]等设计；针对第三类(F3)功能的拦沙堤则出现了平直型、T型、г型和Y型[2,32,35,77-78]，以及拦沙堤与防波堤、潜堤[19,53]等的组合优化设计。今后，随着海滩养护技术的进一步完善，以及拦沙堤与其他建设工程的交叉融合(如风沙防护、人工鱼礁、水下沙坝、排水管涵)[44,79-81]，拦沙堤的形态设计会更加丰富多样。

3) 基于“自然工法”的生态化建设

传统的海岸防护工程大多采用抛石或混凝土构建，在满足海岸防护需求的同时，对海岸带生态环境会造成不同程度的影响[82]。随着基于自然的海岸防护手段和理念日趋加强[83-84]，海滩养护修复中拦沙堤的建设需要更多的考虑“自然工法”(engineering with nature)[85]。近年来，人工鱼礁、天然石块、木制结构的拦沙堤设计[33,86-87]逐渐兴起。除此之外，对拦沙堤结构的阶梯化设计、表面的纹理化改造、堤身的绿植化处理、全过程的绿色化施工[88-91]亦是加强拦沙堤生态化建设的重要内容。

3.2 建议

将海滩养护过程中拦沙堤的功能分为3类，在海滩养护时应首先确定拟建拦沙堤属于何种功能，然后根据其要实现的功能目标开展拦沙堤的设计工作。但截至目前，拦沙堤的设计仍然是项困难的工作。例如第一类功能的拦沙堤最优长度是多少，第二类功能的拦沙堤是否存在拦沙不足或拦沙过量的情况，第三类功能的拦沙堤是否形成了有效的遮蔽效果，达到了静态岬湾的设计要求均需进一步研究。因此，建议今后加强不同形式拦沙堤与复杂海岸地貌、变化动力条件的耦合过程研究，从而为海滩养护中拦沙堤的科学合理设计提供更多技术支持。

对于我国来说，海滩养护虽然起步较晚，但发展较快。近年来，在全国海洋生态文明的建设要求下，我国实施了“蓝色海湾”、“海岸带保护修复”等多项海岸带修复重点项目，海滩养护便是其中沙质海岸生态修复的核心技术。随着我国海滩养护的蓬勃发展，拦沙堤的应用越来越广泛，对其设计规范化的需求也越来越高。因此，建议开展已建拦沙堤功能的有效性评价工作，并尽快启动不同功能的拦沙堤设计规范研制。