大连金石文化区人工沙滩可行性研究

摘要：本研究经过对现场资料的整理分析，并通过波浪及潮流场的数值模拟和综合分析等途径，研究大连金石文化区人工沙滩布置形式及沙滩岸坡的平衡稳定。在此基础上，设计沙滩工程的平面及剖面布置方案。

关键词：静态平衡、动态平衡

中图分类号： TP602+.1 文献标识码： A 文章编号：

一、工程概况

随着国民经济和人民生活水平的快速发展，我国的海滨旅游业逐渐得到沿海各地政府越来越多的重视和发展。其中，环境优美气候宜人的砂质海滩更是最吸引游客的度假休闲去处，大大促进当地经济特别是旅游经济的发展，成为当地重要的财政收入来源和自然资源财富。由此，万达集团规划在大连金州新区投资兴建高品味的旅游文化区，进一步开发海湾资源，发展旅游产业，利用其较为良好的地形、水深、天气等自然条件，投资建设人工沙滩，以此来提升文化区的品质，吸引更多的游客来此游玩度假。

然而沙滩不同于护岸、防波堤等常见的水工结构，作为海岸带最为活跃的区域之一，相比于淤泥质沉积物，砂质沉积物既易起动又易沉积，使得沙滩在浪、流、风等外力作用下更容易发生各种地貌演变响应。因而人工沙滩的选址、防护及维护，特别是防护措施则尤为重要。为此，万达集团委托大连理工大学土木建筑设计研究院有限公司进行人工沙滩专项研究设计工作。

二、自然条件

1、区域现状

人工沙滩位于大连金州新区的常江湾，金石滩国家旅游度假区的东部。海湾呈喇叭形深入黄海，海岸线约27km，海湾总面积约18km2。常江湾底与清云河河口相连，湾口朝向东至东南，向黄海敞开，而且海参养殖圈分布面积较大，水深浅，土层表面主要为灰黑色的粉砂。

图1现状图

2、常江湾海域气象及水文条件

2.1 风

据琉璃坨子观测站1983年6月～1984年5月，每日4次观测的资料统计结果：常风向与强风向均为N向，出现频率为15.66%，大于和等于7级风的出现频率为2.32%。各向风的年平均风速为5.8m/s，

2.2 波浪

为了了解该水域波浪、潮流的分布变化情况，我方委托大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室进行了常江湾区域的波浪推算。由于湾口向东南敞开，故湾内主要受E向至S向范围的波浪影响。根据其提供的《大连金石国际度假区沙滩专项研究波浪数学模型实验分析潮流及泥沙冲淤数学模型试验分析研究报告》[2]计算结果，得出本项目沙滩区域的设计波要素见表1。

图2设计波浪要素代表点布置图

设计波要素表1

2.3 潮流

拟建海区属于半日潮流性质，运动方式基本为旋转式往复流，主流向与岸线走向基本一致。受青云河影响，在涨潮时，湾底工程区域的流速要比湾内流速大，流速在0.30m/s~0.40m/s之间，主流方向为NW向；落潮时，流速在0.40m/s~0.50m/s之间，主流方向为SE向。

2.4 地形地貌

本场地属于水下浅滩地貌单元，东北角存在岩脊滩地貌。水下泥面自西南东北方向倾斜，平均坡降为3‰左右，水下暗滩高程在-1.0～-6.0左右。工程位置处的泥面情况为：东西向坡降较为平缓3‰左右，南北方向坡降约为3‰～4‰，海水深度1.10m~4.00m。

图3常江澳地貌图

2.5工程区域泥沙分布

工程区域含沙量不大，大潮期含沙量的变化范围为9.6mg/l~135.2mg/l，平均含沙量的变化范围在38.2mg/l~63.3mg/l之间。小潮期含沙量的变化范围为12.5mg/l~119.2mg/l，平均含沙量的变化范围在47.7mg/l~80.2mg/l之间。

三、平面布置

根据旅游度假区的规划，沙滩位于东部区域的西南角，沙滩岸线走向与强浪向基本平行，因而波浪对沙滩的侵蚀将会比较严重。若长此以往，沙滩出现岸滩侵蚀和岸线后退的趋势，不仅丧失了旅游憩息的场所，还会危及滩后陆地和沿岸建筑的安全，所造成的经济损失和社会影响不容小视。研究沙滩的自然演变规律和对各种外在因素的响应机制，以及如何通过人工手段对沙滩进行防护，以此来控制沙滩侵蚀或促使沙滩发育是十分必要的。

图4文化区总体规划

我院根据工程所在区域的自然条件，并结合规划要求，认为应在沙滩两侧建设一道防波堤，同时在防波堤口门出增设一道消浪潜堤，以削减波浪对沙滩的冲刷侵蚀，防止泥沙大量流失。

图5平面布置方案初稿

1．模拟分析

1）计算模型

为了研究防波堤和潜堤对沙滩演变的影响，本次模拟采用Hus和Evans的抛物线型海湾经验公式[1]，对人工沙滩在防波堤掩护下的稳定性进行分析。这种方法是以实验室模型试验结果及现场海湾湾型测量，在上游无漂沙进入湾内、无河流输沙的条件下，综合27个混合湾岸的数据，经回归分析求得”静态平衡”的岬湾岸线，该公式所需的三个C参数是与波浪入射角度有关的参数：

图6静态平衡岬湾公式示意图（Hus和Evans，1989）

其中，：控制线长度（Control line），既上游控制点到下游控制点的距离；

：优势波浪入射波峰线与上游控制点处与控制线之间的岬角；

θ：由上游控制点的波峰线到湾内任一点的极坐标角度；

R：由上游控制点到湾岸上任意点的极坐标距离；

C系数（C0、C1、C2）：与波浪入射角度有关的参数。

其中C在2.5~-1.0之间。

实际应用中，首先需根据当地水动力调查和岸线调查确定参数，准备当地地形文件，可以为卫星照片、航拍照片或地形图。则模型可计算出任意所对应，即得静态平衡岸线位置。通过与平衡岸线位置对比可知当地岸线稳定性。

2）分析结果

要保持现有设计岸线不受较大的侵蚀，需对防波堤进行优化。通过调整防波堤堤头位置，使得波浪经防波堤的绕射，其方向基本与岸线垂直，使最终平衡岸线与设计岸线接近，达到优化目的。

本工程位于常江湾湾底东北侧，规划设计的平面布置如见图7，防波堤口门朝向SSW，受西南侧陆地以及防波堤掩护，影响沙滩稳定性的波浪方向主要为S，SSE和SE向，同时由于湾内地形对波浪的折射作用，外海传来的S和SSE向波浪在湾底处都会趋于SE向，所以可以认为沙滩区域，SE向波浪为工程沙滩岸线的控制波浪方向。结合本区域的水深、地形等自然条件，采用Hus和Evans抛物线型海湾经验公式，在保持沙滩岸线不变的情况下，对外侧防波堤布置形式进行调整优化，使得外海S—SE向波浪经西部岸线和工程设计的防波堤遮挡，改变其进行方向，垂直作用于沙滩岸线，从而避免产生沿岸输沙。

为保持设计人工沙滩岸线不会有大的变化，以其为稳定的沙滩岸线，需对防波堤的布置进行优化。通过调整防波堤堤头位置，使最终平衡岸线与设计岸线接近，达到优化的目的。

图7给出了最终优化后东防波堤堤头位置以及平衡岸线位置。可以看出，防波堤堤头设在图中优化位置处，最终平衡岸线与设计岸线吻合较好，建成后，设计岸线不会出现较大的侵蚀和淤积变化。

图7防波堤优化后的布置

图8最终平面布置图

通过潮流泥沙运动模拟分析，沙滩由于防波堤掩护，纵向输沙很小，岸线变化不大。西北侧侧由于直接受波浪作用，岸线变化较左侧大，泥沙向西北侧搬移，在右侧防波堤处堆积，岸线向前延伸。

图93年后沙滩的冲淤情况

而工程建成后，因青云河口封闭，河口两侧填海工程的实施，工程区域变的封闭狭小，故整个湾内的流场流速变小。泥沙启动条件较弱，整体冲淤变化较小。

四、沙滩剖面设计

沙滩平衡剖面设计的依据是波浪对岸滩横向作用。在泥沙横向输移中泥沙运动趋势决定于波浪要素、泥沙粒径及滩面坡度。波浪要素是自然条件且只能被消减不能够增强，在海湾中基于自然条件的约束，沙滩剖面通常泥沙粒径和滩面坡度作为设计参数。

1、模拟分析

数值分析采用是丹麦水力研究所（DHI）[3]----LITPACK模块中的剖面地形演变模型（LITPROF），该模型适用于一维岸滩演变，即沿岸等深线与岸线基本平行的海滩，主要针对波浪和水流共同作用下的非粘聚性泥沙的传输过程。通过数值模拟，讨论不同设计剖面稳定性。根据Bruun（1954）[4]和Dean（1977，1991）[5]提出的平衡海滩剖面的曲线，可表示为

式中h为距离为y时的水深，n的均值可以取为2/3，系数A主要由泥沙粒径决定，为泥沙沉速的函数，即

本工程中选取D50=1mm，沙滩的经验平衡剖面可由公式求得。工程设计的沙滩坡度为1:30，为了对比坡度对于沙滩剖面稳定的影响，本次研究中同时模拟了坡面坡度为1:25, 1:30和1:35三种情况(见图10)。从图中可以看出所给的三种剖面都要比经验剖面坡度缓。而潜堤的高程在常浪和极端情况下，考为0m、-0.5m、-1.0m、-1.5m和-2.0m。

图10沙滩坡度示意图

2）分析结果

分析结果以坡度1：30为例。人工沙滩在常浪作用下，由于潜堤起到破波的作用，其高程越高，作用于沙滩的波浪波高越小，泥沙启动水深越浅。

经过试验分析，对于同一坡度的沙滩剖面，潜堤堤顶越高，形成的海滩滩肩越高，泥沙流失量越小。潜堤高程对形成的滩肩影响不大，而对冲刷深度影响明显，潜堤高程越低，剖面侵蚀越深，常浪作用下，整个沙滩剖面呈现上淤下冲的趋势，滩面泥沙会向岸边搬移，而位置会随潜堤高程变化，潜堤越低，冲刷区域越往下移，最大年冲刷深度在50cm左右（D50=1mm）。当潜堤高程为-1.0m时，坡底冲刷明显。当潜堤高程低于-1.5m时，由于潜堤消波能力变弱，进入防波堤内波浪变大，坡脚-3m处受到明显的冲刷，冲刷深度最大可达1.0m。

而在大浪作用下沙滩剖面呈现上冲下淤的趋势，泥沙会向离岸方向搬移，在离岸区域形成沙坝。潜堤高度越低，泥沙被搬移的越远，形成的离岸沙坝越远。同时当潜堤较低时，由于波浪较大，潜堤内侧亦可产生一定的冲刷。并且极端高水位时水面达到滩肩以上，滩肩被冲刷明显，最大冲刷深度在1.0m~1.5m之间。

图11常浪作用下(1年时间)， 不同潜堤高程时坡面冲淤对比

图12大浪作用下(48小时)，不同潜堤高程时坡面冲淤对比

五、结语

研究沙滩的自然演变规律及其对海岸工程的响应机制，是合理利用沙滩和保护沙滩的前提。本次设计根据文化区的总体规划，沙滩位于东部区域的西南角，其布置方位与外海来浪方向基本平行，受风浪侵蚀会较为严重，故在沙滩外侧设置防波堤和消浪潜堤，削弱波浪对沙滩的冲刷，保持岸坡的动态平衡稳定，避免泥沙产生沿岸移动现象，减少泥沙流失。本次研究基于平面二维波浪模型和岸滩演变数学模型，通过模拟来分析计算防波堤和潜堤工程对沙滩冲淤演变的影响以及沙滩的自然演变规律，在随着季节性变化的波浪作用下，人工沙滩达到一个大浪冲刷、常浪淤积的动态平衡状态。如果没有自然或人类活动改变当地的波浪条件和泥沙条件，在今后的较长时间内，沙滩将继续维持这种平衡状态。建议开展物理模型试验工作，进一步模拟分析沙滩在波浪作用下的变化情况，为后续研究工作奠定基础。

参考文献：

[1]Hus J.R.C.，Evans C.. Parabolic bay shapes and application [C]. Proceeding of the Institute of Civil Engineers Part 2 [C]. London : Published for the Institution of Civil Engineers 1989,87:557-570

[2]《大连金石国际度假区沙滩专项研究波浪数学模型实验分析潮流及泥沙冲淤数学模型试验分析研究报告》，大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室

[3]DHI. MIKE Zero user manual Litpack part[R]. Delft: DHI, 2009.

[4]Bruun P. coast erosion and the development of beach profiles [G]. US Army Corps of Engineers, Beach Erosion Board. Technical Menorandum 44, 1954.

[5]DEAN R G. Equilibrium beach profile: Characteristics and application [J]. J. Coastal. Res,1991, (7) :53-84