海灘養(yǎng)護修復過程中攔沙堤的應(yīng)用

朱 君，蔡 鋒，劉建輝，劉 根，戚洪帥，雷 剛，鄭吉祥，曹慧美

(1. 魯東大學 水利工程學院，山東 煙臺 264025; 2. 自然資源部第三海洋研究所 海洋與海岸地質(zhì)實驗室，福建 廈門 361005; 3. 福建省海洋生態(tài)保護與修復重點實驗室，福建 廈門 361005)

海灘養(yǎng)護是指將異地與修復區(qū)海岸環(huán)境相適應(yīng)的沉積物通過人工手段搬運到海岸指定位置，用以迅速增加平均高潮位以上海灘寬度等的工程技術(shù)措施[1]。海灘養(yǎng)護作為海岸侵蝕的軟性防護策略，不僅可以有效保護海岸，還能提供適宜的濱海娛樂空間和生態(tài)棲息地[2-4]。海灘養(yǎng)護技術(shù)起源于美國東海岸的“機會”工程[5-7]，并隨后在歐美等國家得到大量應(yīng)用[8-11]。我國海灘養(yǎng)護起步較晚[12]，但近年來，隨著我國對海岸保護修復工作的重視，不僅全國海灘養(yǎng)護的工程實例越來越多[13-14]，養(yǎng)護技術(shù)能力也取得了長足進步[15]。

攔沙堤是指修建的垂直于海岸或略微傾斜于海岸的非透水或部分透水構(gòu)筑物，其主要功能是限制泥沙的沿岸輸移[16-17]。其與潛堤、防波堤等是海灘養(yǎng)護過程中常用輔助工程[18]。在歐美成熟的海灘養(yǎng)護技術(shù)中，攔沙堤被廣泛應(yīng)用到眾多的海灘養(yǎng)護工程實踐中[8,19-21]。我國最早的海灘養(yǎng)護工程——香港淺水灣浴場亦采用了攔沙堤的設(shè)計[22]。據(jù)不完全統(tǒng)計，攔沙堤已成為我國最常用的海灘養(yǎng)護修復輔助構(gòu)筑物[16]。

盡管攔沙堤在海灘養(yǎng)護中的應(yīng)用已經(jīng)很普遍，但各地根據(jù)自己的動力及地貌條件對攔沙堤的設(shè)計卻有很大差異[23]。有的攔沙堤較短[24]，有的攔沙堤較長[25]；有的攔沙堤獨立發(fā)揮作用[26]，有的攔沙堤組團設(shè)計[27]；有的攔沙堤完全不透水[13]，有的攔沙堤部分浸沒[19]。目前有多位學者研究了攔沙堤對相鄰沙質(zhì)海岸的影響機制[28-30]，總結(jié)了不同形式攔沙堤的設(shè)計依據(jù)[17, 23, 31-32]，但攔沙堤在海灘養(yǎng)護中的應(yīng)用現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢還未有科學的總結(jié)。

鑒于海灘養(yǎng)護工程的日益盛行，以及攔沙堤在海灘養(yǎng)護工程中的廣泛作用，在統(tǒng)計我國海灘養(yǎng)護工程中攔沙堤應(yīng)用實例的基礎(chǔ)上，分類討論攔沙堤的應(yīng)用規(guī)律及特征，探討海灘養(yǎng)護中攔沙堤的主要應(yīng)用創(chuàng)新，最后展望攔沙堤設(shè)計技術(shù)的未來發(fā)展趨勢并提出了相關(guān)建議。

1 海灘養(yǎng)護過程中攔沙堤的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 攔沙堤功能分類

雖然攔沙堤的主要功能是攔沙，但依據(jù)攔沙堤的功能差異又可以將之分為3類(表1)。第一類功能是防泥沙擴散[17]，這類攔沙堤長度較短，通常布置在無明顯沿岸輸沙岸段的兩側(cè)，用以阻止泥沙在沿岸方向向非養(yǎng)護區(qū)擴散。第二類功能是防沿岸輸沙[25]，這類攔沙堤長度比第一類攔沙堤明顯要長，通常布置在有明顯沿岸輸沙岸段的下游，用以阻止泥沙向下游輸移。當養(yǎng)護海灘沿岸輸沙方向有明顯的季節(jié)變化時，這類攔沙堤亦可布置在養(yǎng)護海灘的兩側(cè)。第三類功能是防浪+防輸沙[33]，這類攔沙堤的長度相對最長，通常布置在有明顯沿岸輸沙岸段的上游，且攔沙堤內(nèi)側(cè)可形成明顯的波影區(qū)。受該種攔沙堤的影響，即使攔沙堤的內(nèi)側(cè)為沿岸輸沙的上游，依然可以形成一定的泥沙淤積區(qū)。這3種攔沙堤對應(yīng)的沙灘形態(tài)見圖1，典型攔沙堤應(yīng)用實例見圖2。

表1 海灘養(yǎng)護過程中攔沙堤的功能分類Tab. 1 The functional classification of groins in beach nourishment

圖1 各類功能攔沙堤情況下海灘形態(tài)示意Fig. 1 Schematic diagram of beach morphology in the cases of three functional groins

圖2 典型攔沙堤應(yīng)用實例Fig. 2 Typical application examples of groins

1.2 攔沙堤應(yīng)用現(xiàn)狀

海灘養(yǎng)護中攔沙堤的使用較為普遍。我國最早的海灘養(yǎng)護工程始于20世紀90年代香港的淺水灣浴場[22]，其養(yǎng)護海灘的東側(cè)建有1個長約130 m的攔沙堤，用于阻止養(yǎng)護海灘向東的泥沙擴散。此后，隨著我國對海岸保護修復的重視，許多濱海旅游城市相繼實施了海灘養(yǎng)護修復工程[6]并在其中使用了攔沙堤的設(shè)計[16]。

據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2020年12月，我國已完成或正在進行的海灘養(yǎng)護修復工程共有113項(表2)，分布于全國38個城市，養(yǎng)護修復砂質(zhì)岸線總長度超過117 km，總填砂量約2.6×107m3。其中，攔沙堤的使用共47處，占總養(yǎng)護修復沙灘數(shù)量的41.6%。

(續(xù)表)

(續(xù)表)

(續(xù)表)

結(jié)合表2中我國各養(yǎng)護海灘中攔沙堤的功能，進一步發(fā)現(xiàn)攔沙堤的設(shè)計以防擴散(F1)為主，占攔沙堤使用總數(shù)的55%(圖3)。這種功能的攔沙堤通常布置在無明顯沿岸輸沙的岸段，這說明我國大部分養(yǎng)護海灘的動力條件是適宜的[6]。而對于沿岸輸沙較強的岸段使用攔沙堤的情況，絕大部分養(yǎng)護工程采用了防浪+防輸沙的功能設(shè)計(F3)，占比約30%。這種功能的攔沙堤通過人工岬角的構(gòu)建改變了波浪折射繞射點，從而構(gòu)筑了有利于海灘穩(wěn)定的“靜態(tài)岬灣”形態(tài)[60]。第二類(F2)功能的攔沙堤所占比例最小，約為16%。這類功能的攔沙堤既沒有改變養(yǎng)護區(qū)域的動力條件，也沒有改變養(yǎng)護區(qū)域的沿岸輸沙趨勢，而是對當?shù)刈匀粍恿l件的被動適應(yīng)。這種攔沙堤設(shè)計難度相對較大，需要結(jié)合設(shè)計需求確定較精確的攔沙量，并且可能需要配合一定的沙灘維護措施來減小對相鄰岸段的影響[61]。

圖3 攔沙堤功能分類Fig. 3 Classification of groin functions

進一步統(tǒng)計了近30年來各類功能攔沙堤的應(yīng)用變化情況(圖4)。從數(shù)量上看，自2006年以來，攔沙堤的應(yīng)用隨著我國海灘養(yǎng)護數(shù)量的增加有了快速發(fā)展。在我國海灘養(yǎng)護初期，第一類(F1)和第三類(F3)功能的攔沙堤就已經(jīng)有所應(yīng)用，但第二類(F2)功能的攔沙堤在近10年的海灘養(yǎng)護中才出現(xiàn)。這反映了我國海灘養(yǎng)護理念的轉(zhuǎn)換。在海灘養(yǎng)護初期，更加注重修復海灘的穩(wěn)定，因此海灘養(yǎng)護往往選擇在沿岸輸沙較小的岸段或者通過人工岬角來構(gòu)筑有利于海灘穩(wěn)定的“靜態(tài)岬灣”形態(tài)。隨著近10年來我國生態(tài)修復理念的加強，對于存在沿岸輸沙的岸段，海灘養(yǎng)護不再刻意追求改變養(yǎng)護區(qū)的背景輸沙趨勢，而是通過輔助工程措施(如旁通輸沙)或允許一定的泥沙通過率來減小對相鄰岸段的影響。

圖4 各功能沙堤應(yīng)用變化Fig. 4 Changes in the application of three functional groins

2 海灘養(yǎng)護中攔沙堤的應(yīng)用創(chuàng)新

2.1 組合式攔沙堤設(shè)計

海灘養(yǎng)護修復過程中，位于輸沙下游攔沙堤的設(shè)計一直是個難題。攔沙堤過短過矮則無法起到有效攔沙的目的，從而影響?zhàn)B護海灘的效果；攔沙堤過長過高則不僅增加了工程投資，而且嚴重改變了當?shù)厮畡恿l件，且有可能造成下游海岸的強烈侵蝕[23]。

朱君等[62]將下游攔沙堤設(shè)計分為有效攔沙段、安全段、坡折段，如圖5所示，其中，Q0為年凈輸沙率，αd為波浪入射角度，β為灘面坡角，H1為攔沙堤水平段頂高程，H2為設(shè)計灘肩頂高程，H3為養(yǎng)護后平衡灘面與原始灘面的交點處高程，并基于突堤式建筑物上游砂質(zhì)岸線平面形態(tài)演變的相關(guān)經(jīng)驗[63]，確定了各段結(jié)構(gòu)的控制參數(shù)，達到了“聚沙而不斷沙”的沙量調(diào)控效果。該攔沙堤設(shè)計方法應(yīng)用到國內(nèi)多處海灘養(yǎng)護中，并將養(yǎng)護區(qū)整體沙量維持在85%以上[26]，一定程度上解決了平直沙灘開展局部岸段修復的技術(shù)難題。

圖5 攔沙堤設(shè)計示意Fig. 5 Sketch map of groin design

2.2 攔沙堤平面形態(tài)優(yōu)化

雖然較長的平直型攔沙堤可以起到防浪和防輸沙的作用，但其效果并不理想。為了提高攔沙堤在防浪和防輸沙方面的綜合能力，自然資源部第三海洋研究所基于靜態(tài)岬灣理論[60, 64]，在洞頭韭菜岙沙灘設(shè)計中，采用了г型和Y型攔沙堤的設(shè)計[65](圖6)。這種形式的攔沙堤堤頭可顯著改變波浪的折射和繞射點，在攔沙堤內(nèi)側(cè)形成了一個較大的波影區(qū)，有效維持了養(yǎng)護沙灘的穩(wěn)定[33]。

圖6 浙江洞頭韭菜岙沙灘修復實例Fig. 6 The example of beach nourishment of Jiucaiao in Dongtou, Zhejiang Province

除此之外，我國濰坊歡樂海[36]和大連星海廣場[18]的養(yǎng)灘工程亦采用了相似攔沙堤的設(shè)計，達到了相同的養(yǎng)護效果。

2.3 攔沙堤堤群設(shè)計

在有明顯沿岸輸沙的岸段，單個攔沙堤往往會引起上游淤積，下游侵蝕的情況。若在整個岸段采用多個間隔排列的攔沙堤，則可將沉積物截留在攔沙堤之間(圖7)。對于攔沙堤堤群而言，最重要的設(shè)計參數(shù)是攔沙堤之間的間距。間距過小，沉積物會在攔沙堤產(chǎn)生的離岸流作用下發(fā)生向海輸移；間距過大，則沉積物截留能力較差，并且可能依然會導致部分岸段侵蝕[27]。

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

攔沙堤堤群間距的設(shè)定通常取單堤長度的2～3倍[31]。盡管目前攔沙堤堤群已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在了海岸保護和海灘修復過程中，但攔沙堤間距和單堤的長度、沿岸輸沙率、沉積物粒徑等因素之間的非線性關(guān)系還有待進一步探索[15,66]。

2.4 攔沙堤+潛堤組合優(yōu)化

在一些極端天氣較多或近岸地形剖面較陡的海域，海沙有通過橫向輸移搬運到閉合深度之外或繞過攔沙堤岬頭的風險，此時單純的攔沙堤設(shè)計無法有效地保護海灘。近年來，一些攔沙堤+潛堤的組合設(shè)計正逐漸興起。如意大利威尼斯的Pellestrina[19,67]和我國浙江大陳島的梅花灣海灘修復工程[58]。

大陳島梅花灣海灘修復的平面設(shè)計如圖8所示，垂直岸線布置的東西兩條攔沙堤長度分別為100 m和60 m。兩條攔沙堤中間為長約204 m的潛堤，潛堤的設(shè)置不僅有效維持了養(yǎng)護海灘的穩(wěn)定，而且減小了養(yǎng)護海灘在風暴期間對鄰近航道的影響。目前，該海灘修復項目正在施工中。

圖8 浙江大陳島梅花灣海灘修復平面布置Fig. 8 Layout of beach nourishment of Meihua Bay on Dachen Island, Zhejiang Province

2.5 攔沙堤+旁通輸沙/循環(huán)養(yǎng)護

海灘修復中的旁通輸沙(sand bypassing)通常是指通過人工手段將上游被攔截的沉積物搬運到下游，用以恢復沿岸輸沙的工程措施；循環(huán)養(yǎng)護(sand recycling)通常是指將下游淤積的沉積物通過人工手段搬運到上游侵蝕區(qū)域的海灘養(yǎng)護措施。盡管旁通輸沙和循環(huán)養(yǎng)護的采沙點都可以是沿岸輸沙的淤積區(qū)域(見圖9)，但其養(yǎng)護地點卻有所不同，前者常位于淤積區(qū)的下游，后者常位于淤積區(qū)的上游[68-69]。目前，旁通輸沙或循環(huán)養(yǎng)護的生態(tài)化治理方式正逐漸被公眾接受[70-71]。

圖9 旁通輸沙及循環(huán)養(yǎng)護示意Fig. 9 Sketch map of sand by-passing and recycling restoration

在有沿岸背景輸沙的海岸修建較長的攔沙堤(如河流入海口兩側(cè)修建的導流堤或者為臨岸港口修建的防波堤)會阻斷沉積物的沿岸輸移，從而造成區(qū)域泥沙分配失衡和相鄰岸灘的侵蝕[68,70]。旁通輸沙和循環(huán)養(yǎng)護往往無須再修建額外的海岸構(gòu)筑物，是一種尊重自然規(guī)律的生態(tài)化治理方式，但國內(nèi)由于海灘養(yǎng)護起步較晚，尚沒有這類工程的養(yǎng)護實踐。2020年，自然資源部第三海洋研究所針對海口西海岸人工島影響下的岸灘綜合治理提出了循環(huán)養(yǎng)護的修復措施，這是國內(nèi)的首次嘗試[59]。

3 攔沙堤發(fā)展應(yīng)用趨勢及相關(guān)建議

3.1 應(yīng)用趨勢展望

海灘養(yǎng)護經(jīng)過近百年的發(fā)展和應(yīng)用，已經(jīng)成為沙質(zhì)海岸防護的主要技術(shù)[2,9]。隨著國內(nèi)外基于自然過程的海岸防護理念的提升，海灘養(yǎng)護勢必迎來更蓬勃的發(fā)展[6]，攔沙堤作為海灘養(yǎng)護最常用的輔助構(gòu)筑物之一也必將得到更廣泛的應(yīng)用。結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)養(yǎng)護修復工程實例以及自身相關(guān)實踐經(jīng)驗，對未來海灘養(yǎng)護修復過程中攔沙堤的應(yīng)用趨勢進行了梳理。

1) 攔沙量的精準調(diào)控

針對第二類(F2)功能的攔沙堤實現(xiàn)攔沙量的精準調(diào)控一直是工程界追尋的目標。朱君等[62]通過對攔沙堤長度和高程的參數(shù)化設(shè)計，實現(xiàn)了攔截沙量的量化，但其計算依據(jù)的沿岸背景輸沙率、波浪入射角度、岸灘剖面變形高度等確定較為復雜。帶缺口的攔沙堤曾被認為是維持岸線穩(wěn)定、增加沿岸輸沙、減小對下游影響的不錯方式[72]，但其開口位置、開口深度對沿岸輸沙的影響較為敏感，相關(guān)參數(shù)的確定仍需深入研究[73-74]。美國佛羅里達州大胡桃樹島海灘修復中采用了可調(diào)節(jié)面板的攔沙堤設(shè)計，攔沙堤高程可根據(jù)實際攔沙需要通過增減面板來進行調(diào)節(jié)[75]，但其有效性仍需更多的工程來實踐。未來隨著工程技術(shù)水平的提升，攔沙堤對攔沙量的調(diào)控會更加精確，設(shè)計參數(shù)的選取也會更加簡單便捷。

2) 豐富多樣的形態(tài)設(shè)計

由于各地海岸特征、動力條件差異較大，海灘養(yǎng)護中攔沙堤的應(yīng)用類型也多種多樣。目前，針對第二類(F2)功能的攔沙堤已經(jīng)出現(xiàn)了沿岸方向長度遞減的攔沙堤堤群[76]、單攔沙堤+旁通輸沙/循環(huán)養(yǎng)護[61,68]等設(shè)計；針對第三類(F3)功能的攔沙堤則出現(xiàn)了平直型、T型、г型和Y型[2,32,35,77-78]，以及攔沙堤與防波堤、潛堤[19,53]等的組合優(yōu)化設(shè)計。今后，隨著海灘養(yǎng)護技術(shù)的進一步完善，以及攔沙堤與其他建設(shè)工程的交叉融合(如風沙防護、人工魚礁、水下沙壩、排水管涵)[44,79-81]，攔沙堤的形態(tài)設(shè)計會更加豐富多樣。

3) 基于“自然工法”的生態(tài)化建設(shè)

傳統(tǒng)的海岸防護工程大多采用拋石或混凝土構(gòu)建，在滿足海岸防護需求的同時，對海岸帶生態(tài)環(huán)境會造成不同程度的影響[82]。隨著基于自然的海岸防護手段和理念日趨加強[83-84]，海灘養(yǎng)護修復中攔沙堤的建設(shè)需要更多的考慮“自然工法”(engineering with nature)[85]。近年來，人工魚礁、天然石塊、木制結(jié)構(gòu)的攔沙堤設(shè)計[33,86-87]逐漸興起。除此之外，對攔沙堤結(jié)構(gòu)的階梯化設(shè)計、表面的紋理化改造、堤身的綠植化處理、全過程的綠色化施工[88-91]亦是加強攔沙堤生態(tài)化建設(shè)的重要內(nèi)容。

3.2 建 議

將海灘養(yǎng)護過程中攔沙堤的功能分為3類，在海灘養(yǎng)護時應(yīng)首先確定擬建攔沙堤屬于何種功能，然后根據(jù)其要實現(xiàn)的功能目標開展攔沙堤的設(shè)計工作。但截至目前，攔沙堤的設(shè)計仍然是項困難的工作。例如第一類功能的攔沙堤最優(yōu)長度是多少，第二類功能的攔沙堤是否存在攔沙不足或攔沙過量的情況，第三類功能的攔沙堤是否形成了有效的遮蔽效果，達到了靜態(tài)岬灣的設(shè)計要求均需進一步研究。因此，建議今后加強不同形式攔沙堤與復雜海岸地貌、變化動力條件的耦合過程研究，從而為海灘養(yǎng)護中攔沙堤的科學合理設(shè)計提供更多技術(shù)支持。

對于我國來說，海灘養(yǎng)護雖然起步較晚，但發(fā)展較快。近年來，在全國海洋生態(tài)文明的建設(shè)要求下，我國實施了“藍色海灣”、“海岸帶保護修復”等多項海岸帶修復重點項目，海灘養(yǎng)護便是其中沙質(zhì)海岸生態(tài)修復的核心技術(shù)。隨著我國海灘養(yǎng)護的蓬勃發(fā)展，攔沙堤的應(yīng)用越來越廣泛，對其設(shè)計規(guī)范化的需求也越來越高。因此，建議開展已建攔沙堤功能的有效性評價工作，并盡快啟動不同功能的攔沙堤設(shè)計規(guī)范研制。

4 結(jié) 語

詳細分析了攔沙堤在我國海灘養(yǎng)護的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展規(guī)律，探討了海灘養(yǎng)護工程中攔沙堤的應(yīng)用創(chuàng)新和未來發(fā)展應(yīng)用趨勢。相關(guān)研究可為攔沙堤的規(guī)范化建設(shè)和海灘養(yǎng)護修復的科學設(shè)計提供一定的參考。同時指出，攔沙堤與復雜地貌、動力條件的耦合機制研究仍需深入，攔沙堤設(shè)計的標準規(guī)范研制也應(yīng)盡快啟動。