1.2　海岸防護(hù)

海岸防護(hù)是為應(yīng)對(duì)海岸侵蝕而采取的工程措施。由于海岸侵蝕這一自然過程的長(zhǎng)期存在,海岸防護(hù)也已經(jīng)有了遠(yuǎn)久的歷史。不過大規(guī)模的海岸防護(hù)工程建設(shè)開始于19世紀(jì)末期,海岸防護(hù)的研究也隨之逐漸發(fā)展(Charlier R.H.等,2005)。近數(shù)十年來,隨著海岸帶經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,以保護(hù)的海岸免受進(jìn)一步的侵蝕或擴(kuò)大陸地面積(圍墾)為目的的海岸防護(hù)工程建設(shè)進(jìn)一步加速,全球多數(shù)海岸(包括一些淤長(zhǎng)型海岸)都建立了不同形式的防護(hù)設(shè)施。由于侵蝕特征和防護(hù)目的的不同,海岸防護(hù)形式多種多樣,各自的功能、造價(jià)、壽命、維護(hù)費(fèi)用、環(huán)境影響和潛在的經(jīng)濟(jì)價(jià)值等差異明顯。這些對(duì)工程的決策和實(shí)施均起著決定性作用。現(xiàn)代海岸防護(hù)理念多強(qiáng)調(diào)維持海灘健康(hold a healthy beach),因此軟性工程(soft engineering)一般被認(rèn)為比傳統(tǒng)的硬性工程(hard engineering)更環(huán)境友好(environmentally friendly)。但在人口密集的海岸,當(dāng)人們的生命財(cái)產(chǎn)受到侵蝕威脅時(shí),采用硬性防護(hù)措施或許在所難免(Bohemen H.D.V.,1996)。

關(guān)于海岸防護(hù)工程設(shè)計(jì),長(zhǎng)期以來的研究和實(shí)踐積累了大量的經(jīng)驗(yàn),而且已有諸多頗具參考價(jià)值的文獻(xiàn)和規(guī)范等參考資料,并隨著技術(shù)手段的提高逐漸加以完善。而且,海岸防護(hù)的作用往往并不僅僅是直接阻止泥沙流失,而是對(duì)造成侵蝕各種因素進(jìn)行合理的干預(yù)以達(dá)到防護(hù)目的。因此,為了選擇合理的防護(hù)形式,深入了解待防護(hù)岸段的動(dòng)力泥沙環(huán)境、海岸侵蝕機(jī)制和趨勢(shì)非常必要。在此前提下,分析各種防護(hù)形式所起的作用、可能產(chǎn)生的影響及其適用性成為海岸防護(hù)設(shè)計(jì)和研究的重點(diǎn)。下文以目前廣泛應(yīng)用的一些海岸防護(hù)形式的研究成果和工程實(shí)例分析,評(píng)述這些手段在海岸防護(hù)中的作用和影響。

1.2.1　海堤

海堤(sea wall)是平行海岸布置、阻止岸線進(jìn)一步后退以保護(hù)陸域免遭侵蝕的一種防護(hù)形式,是海岸防護(hù)體系中的最后一道防線。海堤的建設(shè)和研究已有悠久的歷史,是應(yīng)用最廣的海岸防護(hù)形式。關(guān)于海堤的研究主要在其設(shè)計(jì)方面,如斷面形式、波浪爬高計(jì)算、越浪量、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和穩(wěn)定性等。因此在海堤設(shè)計(jì)中除考慮滿足一定高程和堅(jiān)固程度之外還需兼顧一定的消浪功能,并將外側(cè)堤面設(shè)計(jì)為斜坡、弧形、階梯、加糙或透空等形式(Dominic Reeve等,2004)。但海堤對(duì)堤外海灘侵蝕的防護(hù)不會(huì)有任何有效作用(Tart和Griggs,1990);相反,海堤(特別是直立或近直立堤)造成的波浪反射可促使堤前灘面侵蝕加劇,而且隨堤前水深的增大這種效應(yīng)會(huì)更加明顯(姜梅2000;Raudkivi和Dette,2002;童朝鋒等,2002),這樣的例子在國(guó)內(nèi)外非常普遍。例如,江蘇廢黃河三角洲海岸今年的達(dá)標(biāo)海堤興建盡管暫時(shí)阻止了岸線的進(jìn)一步后退,但堤前灘面下蝕明顯加劇(虞志英等,1994;張忍順等,2002)。從防護(hù)對(duì)象看來,與其說海堤是海岸防護(hù)設(shè)施,不如說成是陸地防護(hù)設(shè)施。

海堤的積極和消極作用可歸納如下:①海堤可直接把陸地和海洋之間的動(dòng)力作用隔開,使陸地免受波浪、風(fēng)暴等的侵襲,千百年來在固定岸線、防潮防浪等方面發(fā)揮了重要作用;②經(jīng)海堤反射的波浪對(duì)堤跟的掏刷和堤前灘面的沖刷強(qiáng)烈,極易造成護(hù)坡的塌陷和灘面的下蝕,從而增加常年維護(hù)和重建的龐大費(fèi)用;③海堤的修筑切斷了陸域泥沙來源(河口除外),打破了海岸原有的泥沙平衡,加劇了堤外的侵蝕作用;同時(shí)使海岸侵蝕失去陸域緩沖,造成潮灘剖面坡度變陡,甚至缺失高潮灘,原有潮灘生態(tài)系統(tǒng)必將遭到破壞。

1.2.2　丁壩

具有導(dǎo)流、護(hù)岸、促淤等作用的丁壩(groin)在河道整治和海岸防護(hù)中有著廣泛的應(yīng)用。丁壩防沖促淤效果及其引起的局部沖刷已有了不少有價(jià)值的研究成果,不過由于丁壩在河道整治方面的應(yīng)用比海岸防護(hù)更為廣泛,大多數(shù)研究成果集中在河岸丁壩作用及機(jī)理方面(如萬春艷等,2003;應(yīng)強(qiáng)等,2004;竇希萍等,2005)。

然而對(duì)于海岸防護(hù)工程中丁壩而言,波浪、潮流等動(dòng)力作用遠(yuǎn)比單向水流作用為主的河道復(fù)雜,丁壩防護(hù)方面的研究多為丁壩修筑后岸線和岸灘剖面形態(tài)變化以及丁壩(群)合理的布置形式等方面,而且多為對(duì)工程實(shí)例防護(hù)效果研究(陳來華等,2004)。通用的理論計(jì)算模式非常少。目前預(yù)測(cè)丁壩建設(shè)后地形演變的一維數(shù)學(xué)模型較多,如GENESIS(美國(guó)陸軍工程兵團(tuán),USACE)、LITPACK(丹麥水工試驗(yàn)所,DHI)和UNIBEST(荷蘭代爾夫特水利研究所,WLDlft)等,但由于這些模型通常僅考慮波浪入射方向、丁壩長(zhǎng)度與位置等有限因素,預(yù)測(cè)結(jié)果也僅限于岸線形態(tài)變化,對(duì)水下地形變化的預(yù)測(cè)難以實(shí)現(xiàn),適用范圍和預(yù)測(cè)精度受到一定限制。最近,USACE的Hanson和Larson(2000)開發(fā)的一套N-line模型排除了上述一維模型中沿岸韻律模式的繼承性,還可得出不同水深和地貌部位的沖淤變化。在具體的工程設(shè)計(jì)中,通常需要根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)測(cè)動(dòng)力泥沙特征進(jìn)行數(shù)值模擬或物理模型試驗(yàn)提出或優(yōu)化工程布置。

海岸丁壩的作用主要是阻止或減緩沿岸流及沿岸流引起的沿岸輸沙,因此多用于沿岸輸沙率較大的侵蝕性岸段。在無沿岸輸沙或沿岸輸沙率非常小的岸段,丁壩對(duì)岸灘防護(hù)幾乎沒有作用。即使在有沿岸輸沙的海岸,由于動(dòng)力格局和海岸物質(zhì)組成的不同,丁壩防護(hù)后岸灘的淤蝕動(dòng)態(tài)差異很大。如在淤泥質(zhì)海岸建造丁壩建筑物,由于斜向入射波破碎后使丁壩的上游側(cè)動(dòng)力加強(qiáng),沖刷細(xì)顆粒泥沙組成的海灘,而在下游側(cè)波浪掩護(hù)區(qū)形成懸沙淤積;在砂質(zhì)海岸,泥沙運(yùn)動(dòng)形式以推移為主,丁壩攔截沿岸輸沙后在其上游側(cè)形成淤積區(qū),而下游側(cè)則因泥沙來源減少而形成沖刷(劉家駒,2002)。

由于丁壩所能防護(hù)的岸線范圍非常有限,在侵蝕防護(hù)中一般沿岸布置一系列的丁壩群以實(shí)現(xiàn)對(duì)海岸的整體防護(hù)。根據(jù)美國(guó)《海濱防護(hù)手冊(cè)》中的推薦,丁壩間距一般為丁壩長(zhǎng)度的2～3倍。在丁壩群的下游,由于沿岸流的輸沙能力大于上游來沙量,岸灘常發(fā)生沖刷。另外,當(dāng)丁壩在攔截沿岸輸沙的同時(shí)常在其上游一側(cè)形成向海方向的沿堤流,泥沙隨沿堤流向海輸運(yùn)會(huì)導(dǎo)致海岸泥沙流失。為解決上述不利影響,丁壩常與離岸堤和人工補(bǔ)沙等措施并用,或?qū)⒍螇晤^筑為丁字形以防止沿堤流的形成和泥沙流失(Silvester和Hsu 1997)。

合理布置的丁壩(群)常有以下主要功能(Reeve 2004):①阻止或減少沿岸輸沙,對(duì)穩(wěn)定岸灘和岸線具有一定作用;②將強(qiáng)潮流“挑離”近岸;③減小人工補(bǔ)沙岸灘的泥沙流失;④控制海灣內(nèi)泥沙的季節(jié)性輸運(yùn);⑤減緩其他大型海岸工程建設(shè)引起的波浪沖刷;⑥加寬和改善休閑沙灘。同時(shí),如果丁壩(群)工程布置和設(shè)計(jì)不夠合理,可能引起以下不利結(jié)果:①在高沿岸輸沙率海岸,如果丁壩設(shè)計(jì)中沒有留出泥沙通道或進(jìn)行人工補(bǔ)沙,丁壩下游的很大范圍內(nèi)將出現(xiàn)強(qiáng)烈的侵蝕;②丁壩下游的強(qiáng)烈侵蝕可能危及丁壩本身的安全;③如果出現(xiàn)異常風(fēng)浪(與設(shè)計(jì)波浪方向有較大夾角)可能逆轉(zhuǎn)丁壩上兩側(cè)的沖淤形勢(shì);④由于大風(fēng)浪時(shí)泥沙可能隨沿堤流向海流失,丁壩對(duì)海岸防護(hù)并無積極作用;⑤處于丁壩掩護(hù)區(qū)的高灘淤積的同時(shí)可能會(huì)使低灘發(fā)生侵蝕;⑥丁壩布置一般與波浪入射方向夾角很小,防浪和消浪作用不大。

1.2.3　離岸堤

離岸堤(offshore breakwater)是在岸外一定距離的海域建造大致與岸線平行的防波堤。當(dāng)在離岸一定距離的淺水海域中建造大致與岸線平行的離岸堤后,由于堤后波能減弱,可保護(hù)該段海灘免遭海浪的侵蝕,同時(shí)在離岸堤與岸線間波浪掩護(hù)區(qū)內(nèi),沿岸輸沙能力也將減弱,促使自上游側(cè)進(jìn)入波影區(qū)的泥沙沉積下來并逐漸形成由岸向海突出的沙嘴。當(dāng)離岸堤的長(zhǎng)度相對(duì)其離岸距離足夠大時(shí),沙嘴可發(fā)展成為與堤相連的連島沙壩。粗略地講,在上游有足夠來沙的情況下,當(dāng)單道離岸堤的離岸距離XB與堤長(zhǎng)LB的比值XB/LB在1～2時(shí),堤后將形成由岸伸向海的沙嘴,當(dāng)該比值小于1時(shí)沙嘴將發(fā)展成連島沙壩(謝世楞,1999)。離岸堤主要適用于以橫向泥沙運(yùn)動(dòng)為主的海岸,當(dāng)沙嘴和連島沙壩發(fā)育后,其作用將與丁壩相似。在有沿岸輸沙的海岸對(duì)攔截沿岸輸沙也是有效的。離岸堤可為單堤,也可布置為間斷的形式,即每?jī)傻赖涕g有一口門的分段式離岸堤。

在實(shí)際情況下,離岸堤堤后的岸線變化與水深、波浪、岸灘狀況(泥沙粒徑、岸灘坡度等)以及離岸堤的堤長(zhǎng)、頂高、離岸距離、透水性等因素有關(guān)。如在粉砂淤泥質(zhì)海岸建造離岸堤后,由于懸沙為泥沙運(yùn)動(dòng)的主要方式,岸線變化模式與上述截然相反,沙嘴由離岸堤向岸方向發(fā)育(劉家駒,2002),筆者近期對(duì)江蘇呂四粉砂淤泥質(zhì)海岸促淤工程的促淤效果觀測(cè)中也驗(yàn)證了這種淤積模式。

離岸堤是否對(duì)海岸起到防護(hù)作用決定了離岸堤能否將鄰近岸灘沖刷的泥沙保留在波影區(qū)內(nèi),形成穩(wěn)定的沙嘴或連島沙壩。因此沙嘴和連島沙壩的形成條件是離岸堤設(shè)計(jì)與防護(hù)效果研究的主要內(nèi)容。Suh K.等(1987)根據(jù)大量現(xiàn)場(chǎng)資料和模擬試驗(yàn)分析,認(rèn)為離岸堤的堤軸線與破波線的相對(duì)位置是一個(gè)綜合性的重要因素,對(duì)單道離岸堤分別給出不同堤長(zhǎng)LB和離岸距離XB時(shí)沙嘴的長(zhǎng)度Xs的關(guān)系式,即

由式(1.2)可以得出,當(dāng)=1.0時(shí)(離岸堤在破波線的位置),LB≥2.65XB可形成連島沙壩(≥1.0,即沙嘴長(zhǎng)度Xs大于離岸堤的離岸距離XB);當(dāng)=0.5時(shí),LB≥3.15XB方可形成連島沙壩。該模式與陳子霞(1984)推薦的LB≥3XB相近。

對(duì)于分段式離岸堤,沙嘴長(zhǎng)度還與兩堤間的口門寬度GB有關(guān),即

式中,該式的峰值在約為0.5處。

黎維祥和劉家駒(1991)通過實(shí)體波浪泥沙物理模型試驗(yàn),同時(shí)收集大量現(xiàn)場(chǎng)及其他試驗(yàn)資料進(jìn)行分析研究,得出岸堤建設(shè)后沙嘴和連島沙壩的形成有以下判別標(biāo)準(zhǔn),即

對(duì)于形成連島沙壩,有

對(duì)于形成沙嘴,有

對(duì)于不起防護(hù)作用,有

日本是建造離岸堤最多的國(guó)家,Seiji等(1987)對(duì)日本1552道離岸堤的調(diào)查資料分析顯示:最常用的堤長(zhǎng)為100～200m;建堤水深90%在5m以內(nèi),最常見的水深為3～4m;65%的離岸堤堤頂高程在平均海平面以上1～2m;離岸距離在20～80m的占總數(shù)的63%;堤后形成連島沙壩的實(shí)例占總數(shù)的60%。同時(shí)指出,若保持堤后的岸線變形后正對(duì)口門處的岸線不會(huì)局部侵蝕,GB/LB應(yīng)不大于0.3。

另外,離岸潛堤也是離岸堤的一種形式,多用于淤泥質(zhì)海岸的防護(hù),不過由于潛堤的應(yīng)用沒有出水堤廣泛,對(duì)潛堤的專門研究也相對(duì)較少。張一帆等(1998)在對(duì)廢黃河口海岸防護(hù)規(guī)劃中設(shè)計(jì)并實(shí)施了離岸潛堤與丁壩相結(jié)合的防護(hù)形式,近期地形測(cè)量資料顯示,這種布置形式對(duì)主海堤和堤前灘面具有一定的防護(hù)效果。但未形成明顯的沙嘴和連島沙壩。

離岸堤可正面直接阻止波浪入射耗散波浪能量,真正成為岸灘的有效屏障,連島沙壩的形成又可以起到丁壩的防護(hù)作用,同時(shí)可以攔截部分橫向輸沙,因此離岸堤在海岸防護(hù)中已得到非常廣泛應(yīng)用。但實(shí)踐表明,離岸堤也并非完全理想的防護(hù)形式,因?yàn)殡x岸堤一般修建在破波帶以外的岸坡,施工難度相對(duì)較大,工程造價(jià)高,而且僅能保護(hù)其附近有限范圍灘面,堤前沖刷嚴(yán)重且維護(hù)成本高。

1.2.4　人工岬灣

“自然在表達(dá)如何侵蝕的同時(shí)也告訴人們?nèi)绾稳シ雷o(hù)”Reeve(2004),采用岬角控制的方式塑造穩(wěn)定的人工岬灣(headland control)進(jìn)行海岸防護(hù)的設(shè)計(jì)靈感便是來自自然界中多見的穩(wěn)定齒狀岬灣岸線。自20世紀(jì)中葉以來,這種防護(hù)形式已在歐美、日本、澳洲、新加坡、中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)等地廣泛應(yīng)用,并獲得成功(Silvester和Ho,1972;Toyoshima,1976;Wong,1981;邱筱嵐,2003)。我國(guó)沿海的自然岬灣海岸非常發(fā)育,但大陸地區(qū)人工岬灣用于海岸防護(hù)的工程實(shí)例尚無相關(guān)的文獻(xiàn)記載。

由于人工岬灣的設(shè)計(jì)主要是依據(jù)自然岬灣穩(wěn)定的海岸形態(tài),因此認(rèn)識(shí)自然岬灣的形成機(jī)理以及岸線性狀與動(dòng)力、地形等因素之間的關(guān)系是人工岬灣設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。

岬灣海岸的平衡岸線概念是由Krumbein(1944)(引自Moreno和Kraus,1999)提出并得到廣泛認(rèn)可的,并由Silvester(1960)開始將平衡岸弧應(yīng)用于海岸工程。隨后平衡岸弧形態(tài)的幾何圖像擬合計(jì)算成為主要的研究方向,如Yasso(1965)提出的對(duì)數(shù)螺線公式以及隨后又由Hsu等(1987)和Silvester等(1991)提出拋物線公式成為公認(rèn)的是對(duì)平衡岸弧形態(tài)描述方法。另外,還有一些諸如雙曲螺線公式和雙曲正切公式等,這些公式都具有各自的優(yōu)點(diǎn)和適用范圍。

1.對(duì)數(shù)螺線

Yasso(1965)最早通過對(duì)美國(guó)東海岸和西海岸的4個(gè)原型海灣進(jìn)行測(cè)量,用對(duì)數(shù)螺線模擬了原型海灣,進(jìn)而提出對(duì)數(shù)螺線理論模式,即

Yasso(1965)對(duì)對(duì)數(shù)螺線公式的描述時(shí)指出,對(duì)數(shù)螺線的中心并不在波浪發(fā)生繞射的上游岬角處,在得出該公式所用的4個(gè)海灣中,對(duì)數(shù)螺線中心距離上游岬角的距離在0.3～2000m之間。同時(shí),波浪特征和入射角并沒有在此加以考慮。

Silvester(1970)根據(jù)上述對(duì)數(shù)螺線海灣概念通過模型試驗(yàn)分析認(rèn)為,R2/R1或α的數(shù)值與波浪入射方向β(波浪入射方向與兩岬角連線之間的夾角)有關(guān),即每個(gè)波浪入射方向?qū)?yīng)一個(gè)R2/R1或α值,并給出一條關(guān)于α—β的關(guān)系曲線。另外,海灣形態(tài)與對(duì)數(shù)螺線的相似性同樣被Rea和Komar(1975)、LeBlond(1979)和Finkelstein(1982)等的研究所證實(shí)。

不過由于對(duì)數(shù)螺線模式僅對(duì)上游岬角所掩護(hù)的彎曲岸段適用,或在海灣尚未發(fā)育到靜態(tài)平衡時(shí)適用,再加上精度等其他原因,這種爭(zhēng)議較大的模式在工程設(shè)計(jì)中很難得到推廣。Silvester和Hsu(1997)更是認(rèn)為,許多天然岸弧形態(tài)與對(duì)數(shù)螺線相吻合的現(xiàn)象甚至可能是巧合。

2.拋物線

拋物線海灣是由Mashima(1961)首次提出并用來描述日本東京灣(Tokyo Bay)、相模灣(Sagami Bay)和房總半島(Boso Peninsula)的弧形海灣岸線形態(tài)。Hsu等(1989)提出用控制線長(zhǎng)度R0(兩岬角之間的距離)、海灣任一點(diǎn)到控制點(diǎn)(上游岬角)的距離R1、R2與控制線的夾角θ和波峰線與控制線之間的夾角β表示岬灣穩(wěn)定形態(tài)(圖1.4)。

該模式對(duì)海灣的下游部分岸線(當(dāng)θ較小時(shí))的擬合要比對(duì)數(shù)螺線海灣更加接近海灣的實(shí)際形態(tài),然而,隨著θ的增大,當(dāng)靠近上游岬角時(shí)便出現(xiàn)與海灣實(shí)際岸線形態(tài)較大的偏差。為此,Shu和Evans(1989)根據(jù)前人的模擬海灣形態(tài)和澳大利亞一些自然海灣的擬合,將上述式(1.5)修正為以下多項(xiàng)式公式,即

并給出式中參數(shù)C0、C1和C2與波浪入射角β之間關(guān)系的曲線(圖1.5)。

該公式與其他模式相比可以比較全面地?cái)M合出與岸線實(shí)際形態(tài)接近的曲線,并在許多天然和人工岬灣海岸中得到驗(yàn)證(Silvester和Hsu,1997)。

1.2.5　人工補(bǔ)沙

人工補(bǔ)沙(beach nourishment)是從海底或陸上采集合適的沙源對(duì)侵蝕性海灘進(jìn)行填筑以彌補(bǔ)被侵蝕的泥沙、塑造新的岸灘形態(tài),從而防止海岸侵蝕和岸線后退的一種防護(hù)措施。由于可以提供由波浪和水流塑造海岸形態(tài)所需的物質(zhì)基礎(chǔ),而且對(duì)海岸自然過程的影響甚小,人工補(bǔ)沙被認(rèn)為是一種最理想的海岸防護(hù)方式而廣泛采用(Dean R.G.,2002)。不過人工補(bǔ)沙工程最重要的問題是經(jīng)濟(jì)效益,因?yàn)槿斯ぱa(bǔ)沙本身成本相對(duì)就較高,補(bǔ)沙后由于部分泥沙流失,必須進(jìn)行階段性的重補(bǔ)以維持海岸形態(tài)的穩(wěn)定。近年來,對(duì)現(xiàn)有人工補(bǔ)沙工程效益方面的對(duì)比研究也非常多(如Lynn A.L.等,1990;Tanya C.H.等,1998;Hugo R.等,1999;Hanson H.等,2002;Nicholas J.等,2005)。并普遍認(rèn)為美國(guó)和歐洲近數(shù)十年來的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)是,不管是作為單一的補(bǔ)沙還是與丁壩、離岸堤、人工岬灣等工程相結(jié)合的補(bǔ)沙都是相當(dāng)合算的。如果沙源可采自航道開挖或疏浚等挖沙工程,人工補(bǔ)沙進(jìn)行海岸防護(hù)的效益將更加明顯(Reeve P.等,2004)。

由于人工補(bǔ)沙需要尋找能在受補(bǔ)給海岸動(dòng)力條件下相對(duì)穩(wěn)定的沙源,且不會(huì)對(duì)沙源區(qū)和補(bǔ)沙區(qū)造成不良的環(huán)境影響,因此沙源選擇是人工補(bǔ)沙設(shè)計(jì)的首要任務(wù)。如果認(rèn)為受補(bǔ)給海灘原有的泥沙組成可以代表與該海岸動(dòng)力環(huán)境相適應(yīng),海岸侵蝕的主要原因僅是缺沙,那么沙源沙與海岸原有泥沙粒徑相近是最好的選擇。不過,為了減少填筑沙的流失,通常選用中值粒徑略大于海灘原有泥沙的沙源。除粒徑外,沙源沙的分選性也是影響補(bǔ)沙后海岸穩(wěn)定性的一個(gè)重要因素。一般陸上沙丘或海底表層的沙源粒徑相對(duì)較小且分選性好,易于流失,而在沖積河道或海中淺灘的沙源較粗且分選性較差,在多變的海岸動(dòng)力環(huán)境下流失量會(huì)更小(謝世楞,2002)。

當(dāng)沿岸輸沙量較大時(shí),可以建造短而低的丁壩(群)來減小沿岸方向的補(bǔ)沙流失,而當(dāng)橫向輸沙較大時(shí)可采用離岸堤加以控制,國(guó)外很多大型人工補(bǔ)沙工程都是與丁壩離岸堤或人工岬角相結(jié)合而實(shí)施的。此類組合方案曾被第26屆國(guó)際航運(yùn)會(huì)議有關(guān)海灘人工補(bǔ)沙技術(shù)議題組作為結(jié)論性建議提出。

在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中,由于沙源的限制,往往需要選擇較細(xì)、分選性較好易于流失的沙源進(jìn)行填筑。為了達(dá)到補(bǔ)沙目的,通常需要超量填沙,這樣即使在大量細(xì)顆粒泥沙流失后,仍能保持所需的填沙量。因此在工程設(shè)計(jì)中需要計(jì)算超填率(實(shí)際超量填筑的泥沙總量與要求填沙量的比值)。在早年的計(jì)算方法中,假定由于波浪對(duì)泥沙的分選過程中,填料中將只有粒徑與當(dāng)?shù)卦心嗌沉较嗤牟糠植拍芰糇?經(jīng)波浪分選后混合填料和原有海灘沙的綜合粒徑分布曲線與原海灘沙一致。James(1965)根據(jù)該假設(shè)推導(dǎo)出的超填率公式曾被美國(guó)《海濱防護(hù)手冊(cè)》采用。該方法的主要缺點(diǎn)在于假設(shè)粒徑比原海灘沙更粗的顆粒在波浪分選過程中也隨細(xì)顆粒泥沙全部流失,這與實(shí)際情況并不相符。

Swart(1991)在上述理論基礎(chǔ)上,假設(shè)僅有粒徑較細(xì)的泥沙在波浪分選過程中流失,推導(dǎo)得出更趨合理的超填率計(jì)算模式,并繪制出超填率計(jì)算圖(圖1.6)。

圖1.6中,Mφb和Mφn分別為以φ值表示的沙源和原海灘沙的平均粒徑,δφb和δφn分別為以φ值表示的兩種沙的粒徑標(biāo)準(zhǔn)差,Mφ和δφ可由式(1.8)和式(1.9)計(jì)算,即

根據(jù)δφn/δφb和(Mφb-Mφn)/δφn的計(jì)算值,便可在圖1.6中的RA等值線簇中找到對(duì)應(yīng)的超填率,如落在圖的左下側(cè)表示人工海灘填沙穩(wěn)定,而在右下側(cè)則表示不穩(wěn)定(圖1.6)。

沙源的限制是人工補(bǔ)沙工程最大的障礙,為了得到分選較差的沙源,可考慮采用兩種或兩種以上的不同粒徑沙源進(jìn)行混合填筑以減小超填率。

另外,旁通輸沙(sand bypassing)也通常被認(rèn)為是人工補(bǔ)沙的一種特殊形式,即為了減小因突堤等人工建筑物攔截沿岸輸沙而引起的下游海灘侵蝕,通過泥漿泵或輸沙管等人為地將被攔截的部分泥沙補(bǔ)給下游侵蝕岸段。

1.2.6　鹽生植被

隨著海岸防護(hù)工程實(shí)踐和科學(xué)研究的進(jìn)一步深入,人們?cè)絹碓揭庾R(shí)到工程實(shí)施與自然過程的和諧,海岸防護(hù)工程的重心也開始由硬性工程(如海堤、丁壩、離岸堤等)向與海岸自然過程沖突相對(duì)更少的軟性工程(如海灘補(bǔ)沙等)或軟硬結(jié)合工程(如人工岬灣與人工補(bǔ)沙組合)轉(zhuǎn)變,目前軟性防護(hù)工程在海岸防護(hù)中所占的比例在逐年提高(Zimmermann C.等,2005)。前文所述的海灘補(bǔ)沙和人工岬灣等工程多用于砂質(zhì)海岸的防護(hù),而對(duì)于侵蝕性淤泥質(zhì)海岸,如果侵蝕強(qiáng)度不大或?qū)嵤┮欢ǖ姆雷o(hù)措施后可以使鹽生植被(salt marsh vegetation)在一定范圍內(nèi)生長(zhǎng),植被的消浪和固沙功能可以在幾乎不影響海岸生態(tài)環(huán)境的情況下減少海灘泥沙的流失甚至使海岸轉(zhuǎn)沖為淤。

海岸鹽生植被的消能、固沙、促淤和護(hù)岸等功能目前已得到廣泛認(rèn)可。但由于侵蝕性淤泥質(zhì)海岸的潮灘一般由于侵蝕而并不十分寬廣,鹽生植被多為耐鹽性好且能夠適應(yīng)較高潮侵頻率和強(qiáng)動(dòng)力作用的低潮灘環(huán)境先鋒植被,如紅樹林、大米草和互花米草等。近年來對(duì)鹽生植被防沖護(hù)岸的研究也主要考慮這些先鋒植物的作用。

紅樹林是生長(zhǎng)在熱帶、亞熱帶海岸潮間帶的木本植物群落。作為海岸防護(hù)林的第一道屏障,紅樹林被譽(yù)為沿海地區(qū)人民賴以生存的“生命林”,在防災(zāi)減災(zāi)中具有不可替代的作用。紅樹林因其枝葉繁茂,根系極其發(fā)達(dá),縱橫交錯(cuò)的支柱根、呼吸根、板狀根、氣生根、表面根等形成一個(gè)穩(wěn)固的支架,使植物體牢牢地扎根于灘涂上,并且盤根錯(cuò)節(jié)形成嚴(yán)密的柵欄,從而起到了防浪促淤的作用。紅樹林內(nèi)水流的速度可降至光灘的1/6～1/5,水體大量泥沙可在紅樹林中落淤,從而不但起到了促淤保灘的效果,而且可以減少航道的淤積速度(林鵬,2003)。Mazda Y.等(1997)對(duì)越南東京灣(Tong King Bay,現(xiàn)稱北部灣)紅河三角洲附近紅樹林的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)顯示,在平均水深大于1m的情況下,波高1m的波浪經(jīng)過1.5km寬的紅樹林帶(樹齡6年,樹干平均半徑0.20m)后波高可降至0.05m,而在同一區(qū)域同樣條件下的光灘上,波高僅能減小到0.75m。

大米草和互花米草分別為原產(chǎn)于英國(guó)和北美海岸的草本鹽生植被,自1907年英國(guó)海岸侵蝕皇家專門調(diào)查委員會(huì)(Royal Commission on Coastal Erosion)啟動(dòng)一項(xiàng)對(duì)米草保堤護(hù)岸和造陸功能的研究以來,米草開始逐漸被廣泛引種和研究。同樣出于保灘護(hù)岸、促淤造陸等目的,我國(guó)于20世紀(jì)60年代初由南京大學(xué)的仲崇信教授等引進(jìn)大米草(spartina anglica),在20世紀(jì)70年代末又引進(jìn)互花米草(spartina.alterniflora)。米草屬植物引種后,廣泛推廣到廣東、福建、浙江、江蘇和山東等沿海灘涂上種植。

互花米草和大米草等鹽生草本植物對(duì)護(hù)岸和促淤等方面的作用研究多年來取得了豐碩的成果,特別是在鹽沼沉積動(dòng)力研究方面,除大量現(xiàn)場(chǎng)和模擬試驗(yàn)研究外,近年來還發(fā)表了不少很有價(jià)值的綜述(如時(shí)鐘等1995,時(shí)鐘、陳吉余,1995;Kennish M.J,2001),對(duì)鹽沼沉積動(dòng)力機(jī)制和模式、野外觀測(cè)和模擬方法以及鹽沼物理過程及其應(yīng)用等方面進(jìn)行了很好的概括和總結(jié)。

引種鹽生植被以起到防沖、促淤和護(hù)岸等效果的前提是保證鹽生植被能夠在灘涂上生長(zhǎng),然而這些鹽生植被的消長(zhǎng)受到波浪、潮流、底質(zhì)特征、潮侵頻率等諸多因素的影響(Wang Y.H.,2004)。在強(qiáng)烈侵蝕的淤泥質(zhì)岸段,由于動(dòng)力作用較強(qiáng)、表層泥沙粗化、潮灘高程較低(潮侵頻率大)等原因,人工鹽生植被的防護(hù)難以實(shí)施。在弱侵蝕岸段,盡管鹽生植被可以在一定范圍內(nèi)生長(zhǎng),但隨著鹽沼外側(cè)光灘侵蝕過程的進(jìn)行,鹽生植被外緣動(dòng)力逐漸加強(qiáng),甚至出現(xiàn)侵蝕退化的現(xiàn)象,特別是新的人工鹽沼尚未能形成聯(lián)合根系時(shí),特大風(fēng)浪更能造成致命沖擊,必須采取其他配套工程措施對(duì)植被退化加以保護(hù)。因此,對(duì)侵蝕性海岸鹽生植被本身的防護(hù)是實(shí)現(xiàn)鹽沼對(duì)海岸防護(hù)功能的重要前提。

以江蘇侵蝕性淤泥質(zhì)海岸為例,1985年在廢黃河口南側(cè)300m左右和廢黃河口凹岸部位栽種互花米草100多畝,草灘南側(cè)建有丁壩群,當(dāng)年米草長(zhǎng)勢(shì)良好并封灘,草灘同時(shí)平均淤高20cm以上。然而1986年1月一次寒潮(風(fēng)力9級(jí))便將草灘徹底摧毀,灘面最多下蝕達(dá)90cm;同期呂四侵蝕性海岸簡(jiǎn)單防護(hù)下(稀疏的丁壩保護(hù))種植大米草亦未取得成功,但在丁壩—離岸堤組合防護(hù)區(qū)的大米草得以保留,并起到良好的防沖固沙作用。筆者2005年6月在此調(diào)查時(shí),大米草依然在防護(hù)區(qū)內(nèi)成片分布,且分布區(qū)高程明顯高出周圍光灘。在弱侵蝕的射陽大喇叭口附近的貝殼堤以下潮灘,1987年栽種互花米草以來,互花米草不但長(zhǎng)勢(shì)良好,而且使潮灘上部轉(zhuǎn)沖為淤。此外,東灶港至團(tuán)結(jié)港、蒿枝港至塘蘆港等微沖岸段米草灘也有類似的轉(zhuǎn)沖為淤現(xiàn)象(陳才俊,1994;王艷紅等,2003)。

大米草和互花米草對(duì)于許多地區(qū)都屬于外來物種,由于適應(yīng)當(dāng)?shù)刈匀粭l件,長(zhǎng)勢(shì)迅猛。不適當(dāng)?shù)囊N可在很大程度上改變海岸環(huán)境和原有生態(tài)系統(tǒng),并對(duì)海灘養(yǎng)殖等造成一定的影響。目前已有不少批評(píng)意見,甚至被認(rèn)為是毒草(張征云等,2004)。

1.2.7　海岸防護(hù)措施的評(píng)價(jià)和總結(jié)

對(duì)海岸防護(hù)措施綜合的評(píng)價(jià)和總結(jié)的研究相對(duì)較少。Hardaway等(1999)通過對(duì)美國(guó)大量海岸防護(hù)工程設(shè)施的調(diào)查研究,根據(jù)各類工程的投資效益和環(huán)境影響等因素,定量評(píng)估了以下幾種防護(hù)工程(表1.1)。同時(shí)認(rèn)為,海堤、護(hù)岸和丁壩的建設(shè)成本較高,且可以削弱近岸水流,并對(duì)水質(zhì)和濕地環(huán)境有負(fù)面影響;離岸堤和人工岬灣同樣需要較高的投資,但對(duì)水質(zhì)、水流和濕地環(huán)境影響較小;人工鹽生植被投資最小,而且對(duì)水質(zhì)和濕地環(huán)境影響很小(甚至有改善作用)。

海岸防護(hù)措施研究現(xiàn)狀與工程實(shí)踐分析,可將各種海岸防護(hù)工程的主要作用、優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)及其應(yīng)用情況列于表1.2中。