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(xué) 水利工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264025; 2. 自然資源部第三海洋研究所 海洋與海岸地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361005; 3. 福建省海洋生態(tài)保護(hù)與修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361005)

海灘養(yǎng)護(hù)是指將異地與修復(fù)區(qū)海岸環(huán)境相適應(yīng)的沉積物通過人工手段搬運(yùn)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(hù)作為海岸侵蝕的軟性防護(hù)策略，不僅可以有效保護(hù)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(hù)技術(shù)起源于美國東海岸的“機(jī)會(huì)”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(hù)起步較晚[12]，但近年來，隨著我國對(duì)海岸保護(hù)修復(fù)工作的重視，不僅全國海灘養(yǎng)護(hù)的工程實(shí)例越來越多[13-14]，養(yǎng)護(hù)技術(shù)能力也取得了長足進(jìn)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(hù)過程中常用輔助工程[18]。在歐美成熟的海灘養(yǎng)護(hù)技術(shù)中，攔沙堤被廣泛應(yīng)用到眾多的海灘養(yǎng)護(hù)工程實(shí)踐中[8,19-21]。我國最早的海灘養(yǎng)護(hù)工程——香港淺水灣浴場亦采用了攔沙堤的設(shè)計(jì)[22]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，攔沙堤已成為我國最常用的海灘養(yǎng)護(hù)修復(fù)輔助構(gòu)筑物[16]。

盡管攔沙堤在海灘養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用已經(jīng)很普遍，但各地根據(jù)自己的動(dòng)力及地貌條件對(duì)攔沙堤的設(shè)計(jì)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(dú)立發(fā)揮作用[26]，有的攔沙堤組團(tuán)設(shè)計(jì)[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(xué)者研究了攔沙堤對(duì)相鄰沙質(zhì)海岸的影響機(jī)制[28-30]，總結(jié)了不同形式攔沙堤的設(shè)計(jì)依據(jù)[17, 23, 31-32]，但攔沙堤在海灘養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢還未有科學(xué)的總結(jié)。

鑒于海灘養(yǎng)護(hù)工程的日益盛行，以及攔沙堤在海灘養(yǎng)護(hù)工程中的廣泛作用，在統(tǒng)計(jì)我國海灘養(yǎng)護(hù)工程中攔沙堤應(yīng)用實(shí)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(hù)中攔沙堤的主要應(yīng)用創(chuàng)新，最后展望攔沙堤設(shè)計(jì)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(hù)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(kuò)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(hù)區(qū)擴(kuò)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(dāng)養(yǎng)護(hù)海灘沿岸輸沙方向有明顯的季節(jié)變化時(shí)，這類攔沙堤亦可布置在養(yǎng)護(hù)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(duì)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(duì)應(yīng)的沙灘形態(tài)見圖1，典型攔沙堤應(yīng)用實(shí)例見圖2。

表1 海灘養(yǎng)護(hù)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(shí)例Fig. 2 Typical application examples of groins

1.2 攔沙堤應(yīng)用現(xiàn)狀

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

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2020年12月，我國已完成或正在進(jìn)行的海灘養(yǎng)護(hù)修復(fù)工程共有113項(xiàng)(表2)，分布于全國38個(gè)城市，養(yǎng)護(hù)修復(fù)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(hù)修復(fù)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(hù)海灘中攔沙堤的功能，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)攔沙堤的設(shè)計(jì)以防擴(kuò)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(hù)海灘的動(dòng)力條件是適宜的[6]。而對(duì)于沿岸輸沙較強(qiáng)的岸段使用攔沙堤的情況，絕大部分養(yǎng)護(hù)工程采用了防浪+防輸沙的功能設(shè)計(jì)(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(diǎn)，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(hù)區(qū)域的動(dòng)力條件，也沒有改變養(yǎng)護(hù)區(qū)域的沿岸輸沙趨勢，而是對(duì)當(dāng)?shù)刈匀粍?dòng)力條件的被動(dòng)適應(yīng)。這種攔沙堤設(shè)計(jì)難度相對(duì)較大，需要結(jié)合設(shè)計(jì)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(hù)措施來減小對(duì)相鄰岸段的影響[61]。

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

進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)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(hù)數(shù)量的增加有了快速發(fā)展。在我國海灘養(yǎng)護(hù)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(hù)中才出現(xiàn)。這反映了我國海灘養(yǎng)護(hù)理念的轉(zhuǎn)換。在海灘養(yǎng)護(hù)初期，更加注重修復(fù)海灘的穩(wěn)定，因此海灘養(yǎng)護(hù)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(fù)理念的加強(qiáng)，對(duì)于存在沿岸輸沙的岸段，海灘養(yǎng)護(hù)不再刻意追求改變養(yǎng)護(hù)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(duì)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(hù)中攔沙堤的應(yīng)用創(chuàng)新

2.1 組合式攔沙堤設(shè)計(jì)

海灘養(yǎng)護(hù)修復(fù)過程中，位于輸沙下游攔沙堤的設(shè)計(jì)一直是個(gè)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(hù)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(yán)重改變了當(dāng)?shù)厮畡?dòng)力條件，且有可能造成下游海岸的強(qiáng)烈侵蝕[23]。

朱君等[62]將下游攔沙堤設(shè)計(jì)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(jì)灘肩頂高程，H3為養(yǎng)護(hù)后平衡灘面與原始灘面的交點(diǎn)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(yàn)[63]，確定了各段結(jié)構(gòu)的控制參數(shù)，達(dá)到了“聚沙而不斷沙”的沙量調(diào)控效果。該攔沙堤設(shè)計(jì)方法應(yīng)用到國內(nèi)多處海灘養(yǎng)護(hù)中，并將養(yǎng)護(hù)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(fù)的技術(shù)難題。

圖5 攔沙堤設(shè)計(jì)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(jì)中，采用了г型和Y型攔沙堤的設(shè)計(jì)[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(diǎn)，在攔沙堤內(nèi)側(cè)形成了一個(gè)較大的波影區(qū)，有效維持了養(yǎng)護(hù)沙灘的穩(wěn)定[33]。

圖6 浙江洞頭韭菜岙沙灘修復(fù)實(shí)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(jì)，達(dá)到了相同的養(yǎng)護(hù)效果。

2.3 攔沙堤堤群設(shè)計(jì)

在有明顯沿岸輸沙的岸段，單個(gè)攔沙堤往往會(huì)引起上游淤積，下游侵蝕的情況。若在整個(gè)岸段采用多個(gè)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(duì)于攔沙堤堤群而言，最重要的設(shè)計(jì)參數(shù)是攔沙堤之間的間距。間距過小，沉積物會(huì)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(huì)導(dǎo)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(hù)和海灘修復(fù)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(jìn)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(yùn)到閉合深度之外或繞過攔沙堤岬頭的風(fēng)險(xiǎn)，此時(shí)單純的攔沙堤設(shè)計(jì)無法有效地保護(hù)海灘。近年來，一些攔沙堤+潛堤的組合設(shè)計(jì)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(fù)工程[58]。

大陳島梅花灣海灘修復(fù)的平面設(shè)計(jì)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(hù)海灘的穩(wěn)定，而且減小了養(yǎng)護(hù)海灘在風(fēng)暴期間對(duì)鄰近航道的影響。目前，該海灘修復(fù)項(xiàng)目正在施工中。

圖8 浙江大陳島梅花灣海灘修復(fù)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(hù)

海灘修復(fù)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(yùn)到下游，用以恢復(fù)沿岸輸沙的工程措施；循環(huán)養(yǎng)護(hù)(sand recycling)通常是指將下游淤積的沉積物通過人工手段搬運(yùn)到上游侵蝕區(qū)域的海灘養(yǎng)護(hù)措施。盡管旁通輸沙和循環(huán)養(yǎng)護(hù)的采沙點(diǎn)都可以是沿岸輸沙的淤積區(qū)域(見圖9)，但其養(yǎng)護(hù)地點(diǎn)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(hù)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(hù)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?？趦蓚?cè)修建的導(dǎo)流堤或者為臨岸港口修建的防波堤)會(huì)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(hù)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(hù)起步較晚，尚沒有這類工程的養(yǎng)護(hù)實(shí)踐。2020年，自然資源部第三海洋研究所針對(duì)?？谖骱０度斯u影響下的岸灘綜合治理提出了循環(huán)養(yǎng)護(hù)的修復(fù)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(hù)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(hù)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(hù)理念的提升，海灘養(yǎng)護(hù)勢必迎來更蓬勃的發(fā)展[6]，攔沙堤作為海灘養(yǎng)護(hù)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(hù)修復(fù)工程實(shí)例以及自身相關(guān)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)未來海灘養(yǎng)護(hù)修復(fù)過程中攔沙堤的應(yīng)用趨勢進(jìn)行了梳理。

1) 攔沙量的精準(zhǔn)調(diào)控

針對(duì)第二類(F2)功能的攔沙堤實(shí)現(xiàn)攔沙量的精準(zhǔn)調(diào)控一直是工程界追尋的目標(biāo)。朱君等[62]通過對(duì)攔沙堤長度和高程的參數(shù)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了攔截沙量的量化，但其計(jì)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(fù)雜。帶缺口的攔沙堤曾被認(rèn)為是維持岸線穩(wěn)定、增加沿岸輸沙、減小對(duì)下游影響的不錯(cuò)方式[72]，但其開口位置、開口深度對(duì)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(dá)州大胡桃樹島海灘修復(fù)中采用了可調(diào)節(jié)面板的攔沙堤設(shè)計(jì)，攔沙堤高程可根據(jù)實(shí)際攔沙需要通過增減面板來進(jìn)行調(diào)節(jié)[75]，但其有效性仍需更多的工程來實(shí)踐。未來隨著工程技術(shù)水平的提升，攔沙堤對(duì)攔沙量的調(diào)控會(huì)更加精確，設(shè)計(jì)參數(shù)的選取也會(huì)更加簡單便捷。

2) 豐富多樣的形態(tài)設(shè)計(jì)

由于各地海岸特征、動(dòng)力條件差異較大，海灘養(yǎng)護(hù)中攔沙堤的應(yīng)用類型也多種多樣。目前，針對(duì)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(hù)[61,68]等設(shè)計(jì)；針對(duì)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(jì)。今后，隨著海灘養(yǎng)護(hù)技術(shù)的進(jìn)一步完善，以及攔沙堤與其他建設(shè)工程的交叉融合(如風(fēng)沙防護(hù)、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(jì)會(huì)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(hù)工程大多采用拋石或混凝土構(gòu)建，在滿足海岸防護(hù)需求的同時(shí)，對(duì)海岸帶生態(tài)環(huán)境會(huì)造成不同程度的影響[82]。隨著基于自然的海岸防護(hù)手段和理念日趨加強(qiáng)[83-84]，海灘養(yǎng)護(hù)修復(fù)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(jì)[33,86-87]逐漸興起。除此之外，對(duì)攔沙堤結(jié)構(gòu)的階梯化設(shè)計(jì)、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(qiáng)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(hù)過程中攔沙堤的功能分為3類，在海灘養(yǎng)護(hù)時(shí)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(shí)現(xiàn)的功能目標(biāo)開展攔沙堤的設(shè)計(jì)工作。但截至目前，攔沙堤的設(shè)計(jì)仍然是項(xiàng)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(dá)到了靜態(tài)岬灣的設(shè)計(jì)要求均需進(jìn)一步研究。因此，建議今后加強(qiáng)不同形式攔沙堤與復(fù)雜海岸地貌、變化動(dòng)力條件的耦合過程研究，從而為海灘養(yǎng)護(hù)中攔沙堤的科學(xué)合理設(shè)計(jì)提供更多技術(shù)支持。

對(duì)于我國來說，海灘養(yǎng)護(hù)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(shí)施了“藍(lán)色海灣”、“海岸帶保護(hù)修復(fù)”等多項(xiàng)海岸帶修復(fù)重點(diǎn)項(xiàng)目，海灘養(yǎng)護(hù)便是其中沙質(zhì)海岸生態(tài)修復(fù)的核心技術(shù)。隨著我國海灘養(yǎng)護(hù)的蓬勃發(fā)展，攔沙堤的應(yīng)用越來越廣泛，對(duì)其設(shè)計(jì)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(píng)價(jià)工作，并盡快啟動(dòng)不同功能的攔沙堤設(shè)計(jì)規(guī)范研制。

4 結(jié) 語

詳細(xì)分析了攔沙堤在我國海灘養(yǎng)護(hù)的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展規(guī)律，探討了海灘養(yǎng)護(hù)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(hù)修復(fù)的科學(xué)設(shè)計(jì)提供一定的參考。同時(shí)指出，攔沙堤與復(fù)雜地貌、動(dòng)力條件的耦合機(jī)制研究仍需深入，攔沙堤設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范研制也應(yīng)盡快啟動(dòng)。