学文网摘要：结合工程实例，简要介绍建造人工海滩必须遵循的自然规律，依据海域潮汐、波浪等动力条件和泥沙运动状况，计算确定人工海滩的长宽比、铺设部位、预定点高度、海滩坡度以及选用砂的粒度等参数。
关键词：人工沙滩;改造;设计
中***分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
1人工沙滩的概念和发展状况
海滩喂养和人工沙滩对海岸防护和滨海旅游是很重要的。当海滩自然供沙不足时，可进行人工补沙，即沙滩喂养，并辅以导堤促淤或外防波堤(或潜堤)掩护，这已成为当前防护海滩侵蚀最有效的措施，已为欧、美、日等国广泛应用。沙滩喂养是指将异地一定粒径的砂石通过水力或机械搬运到某些遭受侵蚀的海滩的一定部位放置，以求很快地增加沙滩后滨带宽度的一种手段。
海滩是一个很活跃的地貌单元，因此，建造人工海滩必须遵循海岸演变的自然规律，依据海域潮汐、波浪等动力条件和泥沙运动状况，计算确定人工海滩的长宽比、铺设部位、预定点高度、海滩坡度以及选用砂的粒度等参数，以防止海滩沙子被冲走破坏。
美国是世界大规模实施海滩喂养工程的国家，最早的海滩养护工程可以追溯到1923年美国纽约州柯耐岛公共道路与海滩改造工程，其中人工海滩工程取得巨大成功，纽约市因此获得颇为理想的社会经济效益，更重要的是工程实施之后海岸灾害降低，并为居民和游客提供了休闲空间。纵观美国在大西洋、太平洋、墨西哥湾、五大湖沿岸的海滩喂养工程，一个显著的特征就是造滩与海岸防护密切结合起来。大规模的海滩喂养工程不仅保护了美国的东海岸免受侵蚀，降低了大西洋飓风带来的海岸带风暴潮灾害，而且在改善美国东部海岸环境、发展旅游业等方面发挥了巨大的作用。
我国国内现阶段沿海地带尚未进行过大规模的沙滩改造工程，其中规模稍大的有厦门观音山海滨浴场，一期人造沙滩面积16万平方米，沙滩滩肩宽度由原来的30～50米增加到50～80米。其他的还有天津东疆人工沙滩、上海金山城市海滩、深圳大梅沙人工沙滩、三亚悦榕山庄人工沙滩等。
2项目所在区沙滩改造的必要性
项目区岸滩的滨海阶地高程在5～10m，沙丘和近岸带防风林已被破坏，目前沙丘处于不断的侵蚀后退状态，沙丘根部形成侵蚀陡坎，滩面变窄变陡，滩面物质粗化，滩肩地貌单元缺失，防风林倾倒在滩面上，沙丘上防风林所剩无几。由于海滩后方将建设高标准的度假酒店，而现有的沙滩无论是滩面宽度还是沙滩颗粒本身的质地、粒径、色泽远不能满足该项目的配套需求，所以拟对现有的海滩进行改造，对其表层沙滩进行挖除、筛选，并采取人工喂养补沙治理措施，使其表观和手感都得到较大的改善。
3沙滩改造依托理论和设计方案
3.1沙滩剖面形态机理
影响沙滩坡度的变量主要有以下几种：
(1)海滩沉积物粒度
海滩沉积物粒度是其中最重要的影响因素之一，沉积物较粗的海滩具有较陡的海滩坡度。海滩的动态平衡状态坡度主要取决于渗透于海滩内部的损失水量，渗漏的速率基本上受海滩沉积物的粒度控制，海水渗漏到砾石或沙砾海滩的速率要比渗漏到细沙海滩的速率快得多，结果在沙砾海滩上回流的强度大大减小，因此其坡度明显地大于细沙海滩的坡度。
许多野外研究(Bascom,1951；Wiegel,1964；MeLean and Kirk,1969；Dubois,1972)和波槽实验(Bagnold，1940；Rector,1954)已经证实，前滨坡度随着粒度变粗而增大。***1是根据巴斯科姆(1951)和威格而(1964)的资料绘制的，它表示在“参考点”(滩面中潮位附近易受波浪作用部分)处滩面坡度与沉积物粒度的关系，“参考点”统一了取样的位置，消除由于粒度的变化造成曲线的误差。
***1滩面坡度与海滩沉积物平均粒度的关系
(2)海滩沉积物的分选度
沙滩的渗漏速率除了受沉积物粒度本身的影响外，同时还受到其分选程度的影响。克伦宾和格雷比尔(Krumbein and Graybill,1965)证实，分选良好的粗沙海滩比分选粗劣的粗砂海滩具有更陡的坡度。这是因为当各个种类、粒度的沙单独出现时，沉积物的分选就好，渗透作用就好，所形成的海滩坡度就较陡；反之，当各种粒级混合组成时，分选就差，渗透作用就差，所形成的海滩坡度就较缓。
(3)波陡
海滩剖面是长期系统变化和短期变动的，主要有“夏季剖面”(风暴剖面)和“冬季剖面”(涌浪剖面)的年变化，海滩剖面由风暴状态向涌浪状态的变化，即泥沙的横向运动一般与波陡H∞/L∞有关，风暴浪由于浪高较大，周期较短，而具有较高的波陡值，长涌浪的波陡值则比较低。迪安(1973)根据悬浮泥沙颗粒向底部沉降轨迹的研究，提出了从风暴剖面向涌浪剖面转变的模式：如果沉降到底部所需的时间比波浪周期短，那么该颗粒将主要受向岸速度作用。另一方面，如果沉降速度缓慢，那么泥沙颗粒将趋于离岸搬运。迪安发现，无量纲比值1.7πw/gT明显控制着临界波陡(夏季坡面向冬季坡面转变)，这里w是颗粒的沉降速度。
当波陡超过某一临界值时，泥沙就向离岸坝搬运，并在此过程中滩面坡度不断减小，结果形成风暴剖面。该式是在海滩由0.22毫米粒径的沙组成情况下，静水面以上的前滨剖度下确定，该式表明，波陡越大，海滩坡度越小。
***2风暴海滩剖面与涌浪海滩剖面关系***
(4)滩波能量
根据巴斯科姆和威格尔的研究资料表明，低能海滩(掩蔽型)比高能海滩(开敞型)的海滩剖度大。由***3可以看出，在湾岬角内侧，波能较低，向南由于岬角掩护作用的消失，波能逐渐增大。随着能量级的增加，离岬角最远的海滩，物质也最粗，存在着粒级朝沿岸方向的规则性增大。金(1972)得到滩面坡度的经验方程：
坡度=407.71+4.20DΦ-0.71log(E)
式中：DΦ是以φ为单位表示的泥沙粒度[DΦ=-log2(Dmm)]，E是波能。这个方程表明了坡度与粒度的正相关，与波能(波高)的负相关关系。
显然存在几种影响滩面坡度的变量。其中最重要的是海滩沉积物的粒度，较粗的海滩具有较陡的海滩坡度。迭加在这种影响之上的是波能量级的作用，就一定粒度来说，较大的能量(波高)产生较小的海滩坡度。其他影响因素是波陡、沉积物分选程度、海滩潜水面的高度和潮期。由于所有这些半***因素的共同作用，所以产生了海滩坡度的巨大变化。
***3沿加利福尼亚半月湾岸滩海滩剖面坡度的规则变化
3.2沙滩设计参数
沙滩设计参数是作为控制沙滩动力与泥沙相互作用而反映在地貌上的理论计算数值或经验值。其内容包含三个方面：动力参数、泥沙参数和地貌参数。动力参数主要是波浪要素以及推算波浪要素的风要素，对于海湾海岸沙滩潮流也会产生一定沉积物运移作用；泥沙参数包含粒径、密度、分选度等关于泥沙物理属性的参数；地貌参数包括地形资料、滩肩高程、滩面坡度、岸线形态等关于沙滩特征数学描述，见***4。动力、泥沙、地貌共同反映沙滩特征，它们之间通过一定数学关系相互联系，为了解沙滩变化规律和沙滩设计提供了方便且有力的研究因子。
***4沙滩设计参数空间分布***
根据沙滩所处的海岸状态与沙滩设置方式，人造沙滩分为：岬湾沙滩、湾口-泻湖沙滩、夷直沙滩和海堤沙滩。若进行人造沙滩工程，其设置类型多以岬湾沙滩、湾口-泻湖沙滩为主。这类沙滩的设置形成稳定状态的可能性比较高，而夷直沙滩和海堤沙滩往往要借助人工辅助建筑以及长期的补养才能维持稳定状态。本工程岸滩整治区沙滩属于类岬湾沙滩，但由于西侧岬头不明显，存在泥沙向西流失的倾向，为减少回填沙滩的损失率，需要修建丁坝等人工辅助建筑。
对于造滩工程，岸线布设则要通过拟和自然稳定沙滩形态来设计。根究动力地貌学研究，海岸在自然状态下达到的稳定形态以曲线形态居多的。海岸稳定的平面形态有抛物线形、椭圆形、对数螺线形、双曲螺线形、“之”形曲线及突出海岸等多种描述模式。岸线布设越接近自然稳定形态，抛沙后沙滩的过渡期越短，反之亦然。通常以沿岸输沙状态来评估布设岸线的稳定性。在当地风浪变化不大且趋于稳定的情况下，沿岸输沙量的大小决定于波峰线与海岸线的夹角，当波峰线与海岸平行泥沙只作横向运动，当波峰线与海岸线成45°时沿岸输沙量达到最大。由于本岸段常强浪向为EEN向，岸线走向为EEN向，波峰线与岸线之间交角较小，岸线也相对比较平直。
3.3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。由泥沙横向输移分析中知道泥沙运动趋势决定于泥沙粒径、滩面坡度及波浪等要素。对于有大量抛沙的剖面，平衡剖面的形成取决于养护沙粒径的大小、闭合深度h*、滩肩高度B和其它一些影响较小的因素。
(1)抛沙坡度
平衡剖面设计可以采用Bruun-Dean的模式，当然，国内外平衡模式有很多种，这里只作参考。Bruun和Dean指出波控近岸平衡剖面可表达为：
h=Axm
式中：h—当地水深
x—离岸线距离
A，m—为经验拟合常数，其中：A=0.067W0.44，W为沙粒沉降速度(cm/s)
W=14D1.1,D为沙粒的平均直径(mm)
根据两种平衡条件：a.单位水体积等能量衰减作用；b.单位表面积等能量衰减作用。Dean通过理论推导确定了指数m在第一种条件下为2/3，在第二种条件下为2/5。对美国东海岸和墨西哥湾504条近岸剖面做最佳拟合，确定以2/3作为平衡剖面的指数常值。这样设计的填沙剖面滩肩会比较平缓，而滩面部分具有上凹曲线形态。
由于本岸段整治后另一个目的是形成较为宽阔的干滩面，除干净与色质外更重要的是粒径具有一定的舒适度，同时要沙滩保持稳定则需要补沙粒径与天然沙协调。一般情况下取人工回填砂为原有沙滩的1.0到2.0倍，较粗粒径的沙粒稳定性较好，沙量流失率也偏低，但粗粒径的沙粒不适合用于娱乐休闲的沙滩，而过细的粒径且级配差的砂不易形成稳定的沙滩剖面，因此，应选择适当且级配分选较为合理的回填砂砾。本人工沙滩方案滩脚的回填砂粒径选用0.75～2.0mm的砾砂，滩脚至滩肩的砂粒径选用0.3～1.0mm的中粗砂，滩肩以上的干滩部分选用0.1～0.3mm的细砂。设计滩面坡比为1:12，较原海滩坡度陡些，使其在风浪作用下拟合至相应的自然坡比。
(2)抛沙方式
涉及到填沙剖面的设计，抛沙位置需根据波浪动力与沙滩地形而定，同时也要兼顾项目的投资效果。通常抛沙后的沙滩需要几个月到几年的时间才能达到平衡稳定的状态，不同的抛沙方案也会产生不同的效果。目前国际上有四种抛沙方法：滩丘补沙、干滩补沙、剖面补沙及水下沙坝补沙，这四种补沙方法各有特色，见***5。
滩丘补沙不直接增加干滩，能够阻挡风暴浪期间的沙越顶迁移，流失小、抛沙技术低，可作为沙滩“后备箱”补充干滩部分的流失。
干滩补沙增加干滩宽度，效果显著，抛沙技术中等，流失量较大，是目前使用较为频繁的抛沙方案。
剖面补沙直接以剖面的平衡形态来抛沙，短期效果显著，抛沙技术难于实现，且容易遭受破坏。
水下沙坝补沙，抛沙于近岸水下形成平行于海岸的若干条水下沙坝，短期效果不明显，容易实现，但多用于横向作用强于纵向作用的海岸。
综合施工条件和当地海洋水文条件，本工程拟采用技术相对成熟、施工相对方便的干滩补沙方案。
***5抛沙方式示意***
(3)滩肩高度h
滩肩是开敞海滩中近于水平的部分，这个部分最为日光浴者所熟悉，由在涌浪期间带到岸上的沉积物形成。滩肩是一种堆积地形。由于细沙海滩的各处近于水平，所以在这种海滩上，滩肩的存在不总是清楚的。明显的滩肩在中-粗砂的海滩上发育最好，这些海滩具有较易与水平滩肩区分的较陡滩面。
巴格诺尔德(1940)在实验波槽研究中证实，滩肩高度与波浪上冲高度一致，即与溅浪在倾斜滩面上的爬高一致。巴格诺尔德建立的下式：
滩肩高度=bH
式中：b=1.68(D=0.7cm)；b=1.78(D=0.3cm)；b=1.8(D=0.05cm)
滩肩高度一般取平均海平面起算，H：一般取2-5年一般风暴潮滩脚处波浪值，若有辅助工程措施的，宜取辅助工程后的计算波浪值。
本工程平均海平面高程为：1.66m。H=1.0m，计算得滩肩高度为：3.36m。这个高度也和自然水平差不多。现取为3.10m，干滩起始高程为2.40m，干滩滩面呈一个很缓的坡比。
(4)闭合深度h*
抛沙后的沙滩随时间推移，整个剖面会在某一深度维持动态平衡，这个深度就称闭合深度h*。闭合深度是确定干滩宽度的一个重要参数。一般抛沙深度在闭合深度内即可，不必抛出闭合深度外。
一般来说，闭合水深h*即为破波水深。
由于本工程区域水深都不大，破波带基本位于200m长度范围内，为避免破波在回填沙滩斜坡滩面附近，所以抛沙宽度不宜做的太宽。
(5)干滩宽度
干滩的宽度取决于滩面形态、抛沙粒径、天然海滩砂粒径、闭合深度、当地常年的波浪条件、计划回填的砂量等等来确定。当然直观的认为，抛填砂量越多，能够获得的干滩宽度也就越宽，这就存在经济性方面和沙滩年损失率的问题，即海滩养护成本与效益平衡点问题。***6和***7是美国沙滩中娱乐效益分析统计的曲线***，随着海滩宽度的增加，使用海滩的人数也增加，然而，宽度越宽，人数增加率也越少。由海滩宽度每增加一英尺带来的每年的娱乐效益与海滩初始宽度的关系如可以看出，比较理想的海滩宽度在70～120英尺之间，即21.5～37m之间。根据业主的需求和经济效益分析、同时考虑超填量和最终的岸线平衡情况，取沙滩干滩宽度在40m左右。
***6砂质海滩假定用法与娱乐效益关系***
***7每增加1ft海滩宽度与初始海滩宽度年娱乐效益的函数关系曲线***
(6)抛沙量计算
根据美国《海岸工程技术手册》中的计算方法计算，天然沙平均粒径DN=0.3mm，DF=0.5mm，滩肩平均高度B=1.5m，闭合深度h*=2.13m，干滩宽度为40m。则计算式如下：
4结语
无论采取何种人工措施，沙滩的流失是不可避免的，沙滩使用一段时间后(一般为3-5年)，或遭遇台风引起的风暴潮的影响后，需要及时对沙滩进行人工补沙。另外在沙滩滩肩上采取种植耐旱、耐盐、耐沙的植物，也可起到定沙和保护海滩的作用。
参考文献:
[1]JTJ213-98, 海港水文规范[S].
[2]美国海岸工程技术手册.
[3][美]R.G.迪安，海滩养护理论与实践，海洋出版社，2010.
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