1、图2地理位置图 l 姣海水域大型人工沙滩海滨浴场主尺璋 的设计模型验i正及优化 李松 刘征 大连理工大学土木建筑设计研究院有限公司 大连市星海湾开发建设管理中心 【摘 要】针对敞海水域大型人工沙滩海滨浴场设计的技术难点，结合景观和造价因素，阐述了设计理念和思路， 并从六个方面进行了设计优化和验证。在国内尚无设计规范的情况下，本工程主尺度的设计和优化内容可供类似 工程设计参考。 【关键词】平面布置类型；消浪结构形式；沙滩动态稳定；稳定砾径 AbstractAiming at key technique problems in the design oflarge bathing beach wi
2、th artificial sand in open seas，combing with requirements in landscape and engineering cost，design concenpts and ideas are illustrated in the paper，optimization and validation are also presented based on six factorsBecause there is no relative design criterias in China，the design and optimiza tion o
3、f main scale in this study can serve as a constructive reference to similar projects Key wordslayout type；style of wave dissipation structure；dynamic stability of beach；stable particle size 综合经济实力和海滨城市发展层次不断提高的今天，大型人工海滨浴场建设的需 求明显：良好的旅游效应，在原海岸环境净化、提升城市形象、改善周边城市交通状 况、后方陆域综合开发等多方面产生巨大综合效益，大连市星海湾改造建设工程就
4、是 一个范例(照片)。借鉴其成功经验，2007年，大连市计划将著名的星海公园建成海 滨大型人工浴场工程为亮点的主题公园区(见图1)，全面提升扩建。 2009年第9瑚 57 工程位于该市西部海岸敞海水域(图2)，外海有 效波高在此达4米以上，关键技术问题是如何保证沙滩 稳定、与景观休闲功能有机结合并节省工程投资。此类 设计尚无规范可循，技术难度很大。本文结合该工程设 计中重要内容、参数的分析确定过程和模拟试验(数模 和物模)优化结果，探讨和归纳技术难点，可供类似工 程设计参考。 7 工程设计的特有内容和参数 11人工沙滩稳定砾径级别 沙滩采用小砾径级别(细、中或粗沙)用料，游人 赤足踏触舒适度最
5、佳(公园现状天然海滩砂石平均砾径 为60mm，级别属中卵石，舒适度很差)，但首先要满 足沙滩稳定的砾径级别。首要决定因素是海域波要素： 波要素过大，即使设计采取综合措施也无法达到小砾径 舒适度效果，如强行采用过细的沙料，经常性的波浪作 用下，滩面沙料会很快流失，沙滩则需要经常性较大规 模维护，造成使用期重复、大量的维护费用。可行的思 路是：根据工程水域波要素，采取综合措施，使砾径级 别控制在稳定状态尺寸范围内，再根据地区料场的实际 供料砾径和价格，综合选取沙砾尺寸。本设计前5个优 化阶段始终贯穿这此思路。 12浴场消浪型式 合理型式可有效消减外海波浪对沙滩的动力作 用，使沙滩具备设计较小砾径级
6、别条件。其型式主要 有：丁坝、潜堤、局部环抱式(位于沙滩两端)消波 堤三种。 13与浴场沙滩护补标准相应的波浪重现期 重现期越长，沙滩维护次数越少。但工程造价较 高，且由于重现期长、使设计波要素大，稳定砾径偏大、 舒适度不易达到。因此重现期的确定是一个综合比选的 过程。 14浴场平面线型 根据海岸动力学原理，稳定型沙滩为凹型弧线。综 合消浪效果及沙滩纵向长度(建设岸线范围)、沙滩容 纳游客能力选取单弧形或双弧形线型。 15沙滩断面坡度 缓坡更接近于天然沙滩坡度，考虑经一定时段波 浪作用、沙滩变形后修复工作量等因素，确定坡度或变 坡度。 分析上述问题时，首先还要从宏观角度分析工程 建设对自身前方
7、水域，特别是临近海岸和水域旅游设施 是否会产生冲淤变化、影响整体海岸冲淤稳定。 两个设计重要参数的初步确定 21人工沙滩维护修补的波浪重现期控制标准 在防护设施结构50年设计年限标准前提下，综合 考虑，选取沙滩护补波浪重现期标准为25年一遇，即 25年内滩面大规模修补一次，此为前5个优化阶段统一 标准。 22人工沙滩的高程范围和坡度 沙滩高程范围，上限+25m(高于极端高水位 +242m)，游人可在沙滩顶部肩宽带安然憩息；下 限一15m(低于设计低水位一138m)，人工沙滩前 的护底不露出水面，保证景观视觉效果。沙滩坡度1：50， 模拟天然坡度。一15m以下为大块石沙滩护底结构 (图3)。 k
8、I涉潍 。 。 图3人工沙滩设计坡度方案 设计过程中具体分6个阶段优化 解决上述技术问题 31第一阶段：工程对自身及周边水域潮流的影 响分析 311工程平面布置方案 采用双弧形规划方案，消浪型式采用丁坝和潜堤 比选。 1)方案一(最初规划方案，图4)，人工浴场的650 余米岸线为双弧型(两个浴场)，两弧交接处设丁坝。 。58 2009年瓤9黼 2)方案二(改进方案，图5)，取消方案一的丁坝， 水域前设置潜堤，潜堤顶高程一2Om。 图4最初的规划方案 图5改进方案 312工程对自身及周边水域潮流的影响分析 公园位于海岸凹曲位置(图2)，本工程建设后凹 曲度减小，易于增大沿岸流速，若明显增大，将改
9、变周 边及工程自身冲淤条件，使岸滩稳定产生不利演变。但 因工程位于-7Om水深以内水域，最大沿岸流速仅为 l5cms。较大流速产生于一1Om水深以外水域，因此 初步判定工程处于天然弱流场，对流场流速无明显影 响。星海湾1、2号人工浴场(照片)使用效果也证明 了这一点。运用数模分析方法定量验证：采用大网格下 海域模拟计算(保证模型适用性、合理性)，然后采用 嵌套网格下工程海域潮流场模拟计算(使用MIKE2l国 际成熟软件，丹麦DHI水力研究所研制)。 313数模验证结论 1)沙滩附近大潮涨潮流流速最大：工程建设前最 大流速为l 5cms；方案一最大流速为22cms；方案二 最大流速为1 3cms
10、。两个方案对现状流速改变不大。 2)相比而言，潜堤方案最大流速量值上更接近于 现状情况，即对潮流影响略小，效果较好。 32第二阶段：平面布置方案中两种消浪型式的 比选优化 优化目标，削弱波高对沙滩坡面作用以利冲淤稳 定。平面方案及数模分析方法同上。 321规划方案和潜堤方案 模拟计算分析结果(表1)：规划方案在人工沙滩 岸线带位置出现的最大有效波高值为36m、潜堤方案 为24m；维持岸滩平衡所需的砾径分别为60film、 35ram，级别分别是中卵石、小卵石。潜堤方案在消浪 和砾径尺度上优势明显。丁坝方案效果甚微。 322潜堤优化方案 抬高潜堤顶标高改善削浪效果。考虑分别按 一15m、一1Om
11、、-05m进一步优化比较。结果 表明(表1)： 一05m方案沙滩岸线带最大有效波高 已消减到18m，平衡砾径为22ram(小卵石)，舒适 度已有明显改善。从景观效果评价，虽然-05m方案 潜堤顶露出水面(设计低水位一138m)，但低于平均 水位+019m，出露时间短，海上视觉效果尚可，可 作为进一步优化的基础方案。 323出水堤方案 为寻求最佳舒适度效果砾径级别，考虑顶高程取 到+3Om(表1)：虽然有效最大波高仅为06m、平衡 砾径减d,N 08ram粗沙级别，但堤顶高出极端高水位 (+242m)，景观视觉极差，方案不可取。表明公园所 处的敞海强浪水域若想达到中沙、细沙舒适度效果难度 极大。
12、 表1两类消浪型式比选及优化数值分析结果对比表 岸线附近最大 维持平衡岸滩所需 工程方案、消浪型式 有效波高(_) 的泥沙粒径(_) 土lli状地形 3 6 60 卵 ) 僦划方榘、r坝消浪 3 6 60( |卵石) 【 进方袈、满堤消浪、潜堤 2 0米 2 4 35 t小卵 ) 潜堤优化方繁一1 5水 2 2 30(小卵石) 潜堤优化方案一1 0米 2 O 27(小卵f ) 潜堤优化方案0 5水 1 8 22(小卵 ) =水堤方案+3 0米 O 6 0 8( i沙) 结论排除丁坝消浪，确定了潜堤消浪、优化后堤顶 标高为-05m。沙滩稳定砾径已达到小卵石级别，舒 适度较理想。 33第三阶段：沙
13、滩弧型比选优化、稳定可选砾 径分析 优化目标，浴场沙滩弧型。前述方案在直线长度 650余米范围布置双园弧形成两个浴场，前端向海侧 开口直线长度均为300余米。单个浴场规模、浴场弧 形纵深偏小，与后方陆域、东侧游艇港区规模相比不 够大气。现调整为开口直线650余米长度的单园弧布 置(参见图1、图6)，整体效果明显大气。由于浴场 规模、水域包容面积、曲弧段滩面长度增加，使入射 2009年第9蝴59 口 DIS CUSSION 波能量消散、波高衰减效果显著改进，导致沙砾稳定 砾径进一步减小、最终提高沙滩舒适度。具体优化验 证采用物模方法，在大连理工大学海岸和近岸工程国 家重点实验室进行。 331第一
14、轮优化的单园弧平面方案 1)单圆弧方案：将双园弧原改进方案(图5)改 为单园弧(图6)、潜堤顶标高改用-05m。 2)单园弧两侧局部环抱方案：单园弧方案园弧两 端增加局部环抱防护设施(参见图7)。 332关于两侧局部环抱防护设施 设置环抱消波堤(参见图l2)，其功能为：l。对沙 滩带因波浪作用产生沿岸输沙(详见第四阶段所述)时的 构造保护，即不同方向波浪作用使沙滩产生沿岸往复输 沙移动，即便沿岸往复输沙不平衡，净输沙量也能控制 在浴场范围内而不被携带至外海流失。当沙滩维护时即 可将堆积沙修复至原设计滩面。2可阻挡部分波浪进入 人工浴场范围，与潜堤结合可更有效削弱波浪、有利沙 滩稳定。由于景观通
15、视的要求，堤顶高程限定为+30m， 而不能按通常防波堤设计规范计算取值。 333第一轮物模试验结果(详见表2) 两种方案人工沙滩带作用有效波高分别降低到 10m19m、12m22m；稳定砾径也分别达到 较理想的选择范围：1 0 m Ill2 0 iTI m、1 2 m m 22ram。 表2各方案水域消浪、沙滩稳定砾径效果比较 (SE向25年重现期，H110-4 95m、-81s，设计高水位) 人工岸滩上 可选砾径 方案及特征 各注 的波高(m) (mm) l 吲弧，水域髓滞挺一0 5m 】O】9 】0 -20 址：化 2 州弧， 删没j 研 抱 l 2 2 2 1212 3优化改进，浴场JJ
16、iH,J矗芷转。 1 01 6 l2 一20 第轮优化 与双园弧方案也进行了类比验证：总体上单园弧 方案有效波高值、稳定砾径选择范围均降低约40。 334第二轮优化改进的单园弧平面方案 工程外海控制波向为SE，目前各方案与控制波向 夹角均为796。，本轮将环抱方案整体顺时旋转346 。成为正南向(图7)、控制波浪入射角减小到45。，进 一步减弱波浪对沙滩作用。 一i 芝 图6单园弧方案 图7优化改进后的单园弧方案 335第二轮物模试验结果(表2) 沙滩带作用有效波高上限降至16m、可选砾径上 限控制在20ram以内。与无局部环抱方案(表2中1方 案)相比，有效波高下限没改变、可选砾径下限增大
17、2ram。 方案的主要优点：局部环抱消波堤保证波浪长期 作用产生的沿岸净输沙量控制在浴场范围内而不被携带 至外海流失，当沙滩维护时即可将此沙量修复到原设计 滩面，这对后续优化十分重要。景观功能分析，局部环 抱消波堤位于浴场外沿水域，游客可漫步至堤顶，向岸 可观浴场和后方陆域景色、向外可远眺大海，饱览不同 的视觉效果，堤顶又增加了垂钓功能特色。优化后的主 要结论：1单曲弧为推荐弧型，并增加局部环抱消波 堤，改变平面布置方位、减小控制波浪入射角；2采用 潜堤消波型式，顶高程取-05m；3沙滩带的稳定砾 径控制在12ram20ram。 34第四阶段：沙砾冲淤平衡分析、最小稳定砾 径确定 1)优化目标
18、：始终以沙滩带的稳定为核心。由于 以敞海传人的控制波向SE作为波要素，故目前阶段性 成果是控制性的，为后续优化留下了空间。本阶段核心 目标不变，考虑其他综合因素的有利影响逐步优化达到 进一步减少稳定砾径、改善舒适度、适度降低工程造价 的综合目标。 2)优化思路：外海实际传来的主波向为SE、S及 SW，SE为强浪向、SW为常浪向(定量分析过程因篇 幅有限，不做繁述)。综合作用的有利影响：当稳定砾 径小于前述所定数值，一方面在强浪向作用下沙砾沿滩 面会产生向沙滩西侧的沿岸输沙，另一方面在常浪向作 用下会产生向东的沿岸回输。两个方向反复、综合作用 累积形成的沿岸净输沙量，为进一步减小稳定砾径提供 二
19、 一董l_ 墨 了可能：利用方向相抵的波浪动力条件，减小设计砾 径，使其“适度不稳”。选定设计砾径不同，在沿沙滩 纵向往复输沙过程中，向西(波浪值大、频率低)、向 东(波浪值小、频率高)综合作用累积形成的净输沙量 也不同，选用合理量值对应的“不稳定砾径”即为设计 砾径。如选用净输沙量为零对应的砾径，则达到了“动 态平衡”的稳定效果。因此上述思路由于考虑了双向波 浪对沿岸输沙的抵消作用，“适度不稳”的较小砾径作 为设计砾径是可行的。 3)优化方案及比选结论。分别选择沙粒中值 lmm、25ram和5mm为设计砾径进行数值计算沿岸 输沙量(采用软件和分析方法不变)。平面方案采用无 环抱单弧方案(图6
20、方案顺时旋转346。)、有环抱单 弧方案(图7)。结论如下： (1)两个方案lmm、25mm时均有沿岸输沙，但 年平均回淤强度不超过2cmy；5mm时基本无沿岸输 沙。 (2)两个方案年平均输沙率见表3， “适度不稳” 时，环抱方案输沙效果双向较均衡；而无环抱方案输沙 效果当lmm、25mm时，不均衡现象显著，虽然强度 不超过2cmy(2厘米年)，但明显堆积在岸滩西侧， 动态平衡效果不好。 (3)环抱方案对减小年平均输沙率、均衡双向输沙 效果十分明显。 表3沙砾冲淤平衡数值模拟分析表 中值粒径 岸滩年平均输沙率noym)、方向 方宴及特征 (ram) 西侧 束侧 有环抱单弧方案 1 0 5 9
21、9向岸 9 77向海 方位正南 Z 5 248向岸 4 88向海 5 0 O 0 0 0 无环抱单弧方案 1 0 84 0向岸 01 向海 方位正南 2 5 58 6向岸 约为零 5 0 0 0 0 0 35第五阶段：沙滩断面坡度对滩面冲淤变形的 影响分析 设计初选定沙滩断面坡度为l：50。本阶段优 化内容： 1选择不同的设计坡度方案，分析滩面稳定性； 2推算不同时段沙滩变形冲淤程度； 3确定人工沙滩合理坡度、填沙砾径。 根据海岸动力学理论和工程实例，顶部坡面当波 浪沿坡面上冲时冲击变形成陡坡；波浪回落时沿坡面 的回流使中部坡面变缓成缓坡。据此设计采用了三种 方案优化。 351设计坡面方案 坡
22、顶标高+25m，采用两个坡度组合：+25m一 05m夏季水位变化范围分别选用1：50、l：25的缓坡； 一05m天然海底范围采用l：10的陡坡，形成设计坡 度方案一、二。 坡顶标高+25m，采用三个坡度组合：+25m一 05m范围采用1：15陡坡、一05m-15m(低于设 计低水位)范围采用1：30缓坡、-15m天然海底范 围采用l：l0陡坡，形成设计坡度方案三。三个方案详 见图8。 方案 l 1 方案 方案三 图8人工岸滩设计坡面方案示意图 三个方案不同点在于方案三顶部、中部坡面分别 为陡坡和缓坡，而方案一、二顶部及中部坡面均为一个 缓坡。结合物模断面试验选择更趋于稳定合理的方案。 沙滩采用
23、5mm15mm沙料，天然海底采用块石 护底，前方设削波潜堤。分别采用极端高、设计高、一 05m、设计低及极端低5种水位交替变化模拟潮汐变 2009年第9期61 表4 不同年限内三种坡面方案的坡面变化描述(均自坡底起算) 方案一 方案二 方案三 年限 坡面 坡面冲淘 坡面堆积 坡面冲淘 坡面堆积 坡面冲淘范田和状态 范围和状态 萜围和状态 范围和状态 范围和状态 堆积 O30m，最大 022m，2243m 6075m，最大深度lm。 40625m，坡面有05m沙丘形成 095m，OlOm内最大深 1证 无 深度 。 22m 43m，65m处有3个平衡点 度18m。 O30m，最大 3060m，坡
24、面有 O40m、62575m，最大深度达1，5m 4062，5m，坡面有05m沙丘形成 095皿，O12m内最大深 5年 无 深度25m。 o6m沙丘形成 4ore、625m处有2个乎缅点 度18m。 O40m，最大 4585m，坡面有 O475m， 47575m，坡面有1Om沙丘形成 0975m，015m、69 无 l0年 深度25m。 08m沙丘形成 最大深度18m 95m内最大深度18In。 065m，最大 65115m，坡面形 0525m， 1：30坡段与l0年相同， 25年 52575m，坡面有14m沙丘形成 1 15坡段整个坡面冲淘， 无 深度25m。 成13m沙丘 最大深度18m
25、。 最大深度18m。 说明：1方案三在1年5年时段沙体总体移向上墟面但有移向下坡面坡瘫现象发生：2方案一 二各工况沙体向上坡面运动 化时间交替，波高也相应不同的水位变 化。其作用时段根据波浪长期观测统计资 料分析推算确定。 352物模实验结果 1)三种方案模拟使用期达到1年、5 表5：不同年限三种坡面方案沙料补给量(m。m)试验结果 年曩 培量 重直补持lF证 种蕾量 l * 种蕾重 重点 培Il怔 1年 墟底 25m萜围 垃底04 萜田 墟底。 、 陨 。I茌 年 垃赢O 、墟顶O1 藏皤 填蔗。 顶 。5_嚣 lO年 # 0 目 墟底04 箍圈 艟蒜。 I 职 恤器 2 年 垃底O日蒋曙
26、# 0 日 埴底。 。鱼 嘎。 蓓 年、l0年、25年的沙滩坡面变化见表4。达到25年时 三种方案坡面变形见图9、10、ll，显示了具有代表性 的上坡、中坡段滩坡累积变形(使用期1年、5年、l0 0 2 潮 i 豳 黼 0 豳 豳 。， a 鞠 -： -， 图9方案一人工岸滩滩面变形分布示意图 5 4 戳麟鞠麓 麟 戮黼耀瓣 l 疆豳黼 髓 强鳓豳麟 2 鞠 目 强 豳醴疆嘲 l 黼懿 目 蕊 疆瞪疆豳翳醯麟 瓣黼豳龋翟嘲麓_ 目强蛹鹚露秘戮麟糕麟粼黼黼麓鞫瓣懿黼 目目 O -l 籀豳强 豳 隧黼 潮 鞠疆黼疆暖隧霸 i二： 鞠 翳撼穗隧戮嬲 图10方案二、人工岸滩滩面变形分布示意图 图1 1
27、方案三、人工岸滩滩面变形分布示意图 年的过程坡面变形图因篇幅限制不再列出)。 实验中底坡淘空较明显，但重要的结论是坡面填 料变形堆积趋势向上，填料不会流失，经一定使用期 波浪作用，填料堆积于上坡面或坡顶，可在维修时将 堆沙恢复到设计断面，不需外部运沙补充，节省购沙 费用。 2)三种坡面方案沙料补给量试验结果见表5 试验过程还清晰表明滩面变形主要在前5年，之 后岸滩变形减弱：l025年间滩面变形量仅占25年 总量的1 62 8(方案一2 8，方案二和方案三 l6)。 353分析结论 1)方案一和二坡面范围小(+25m-05m)，方 案三坡面范围大(+25m一15m)，因此其补给量 相对最小。 2
28、)方案一冲淘深度最大、二和三大体相同；方案 三前10年冲淘仅在根部015m，而方案一、二冲淘范 围达040m、0475m，且方案二冲淘位置不只一殳b 3)方案三在1年、5年时段坡面变化绝对值小、相 对值几乎没有，滩面稳定。 4)三个方案中、匕部坡面底部淘刷均明显，不论选用 哪个方案，底部(O30m)填料厚度均需增加到2m以上。 5)少量向下坡面的沙体移动变形，减小了坡面 (尤其根部)的变形量。 622009年第9期 354优化结论 设计坡面选用方案三。并采用如下维护方案：由于 滩面堆积变形方向向上，不仅沙料不会流失、且修复滩 面多是陆上作业(利用低潮施工)，易操作、省费用，因 此在25年重现期
29、大修标准前提下，为保持滩面经常性 的平整，按25年一次简单整修标准维护。 355敞海水域大型人工沙滩海滨浴场主尺度设 计、优化的综合结论 1)浴场建设局部改变了海岸形状，需分析自身前 方水域、临近海岸及水域潮流变化，判断是否改变周边 潮流场冲淤稳定条件。 2)敞海强浪水域削波首要措施首选潜堤，顶高程 结合消浪、景观视觉效果综合确定，不高于夏季(旅游 旺季)最低水位为最佳。园弧两端局部环抱式消波堤与 潜堤结合消浪效果更佳，消波堤顶标高为满足景观通视 要求，低于普通堤设计顶标高。 3)浴场平面线型对消浪有明显影响：保证足够的 弧形尺度使波浪进入浴场后有足够水域空间和沙滩长度 消散波能、减小波高。选
30、择单园弧方案效果更佳、且整 体景观效果大气。 4)上述消波措施的核心：保证沙滩在波浪长期作 用下适度变形稳定、合理减小沙滩稳定砾径，最终提高 舒适度。前三个阶段优化确定稳定砾径为l 2mm 20ram。再结合本地强浪向SE、常浪向SW的有利特 征，选择达到“动态平衡”时的稳定砾径、进一步减小 砾径数值。然后根据当地实际可供沙源情况，最终确定 可行砾径范围。 5)遵循海岸动力学理论中顶坡陡、中坡缓的原则 设计沙滩坡度，优化达到滩坡面冲淤变形幅度小、沙料 堆积变形方向向上、避免沙料向海侧流失的目的。局部 环抱式防护保证了滩面沙料沿沙滩纵向运动不会流失 到端部外海、变坡坡面设计保证了滩面沙料沿坡面横
31、 向运动向上而不会流失到海底，综合效果是沙滩修复 不需外部运沙，无购沙费用。因修复滩面可利用低潮陆 上作业，为保证滩面平整美观，简单整修时段确定为 25年。 36第六阶段 尚可进一步优化的阶段 以节省造价为目标进一步优化潜堤位置和顶高 程。目前潜堤顶高程为一05m，位于浴场前方50米， 工程造价为2522万元(2007年4季度价格)，工程 费用较大。在滩面纵、横向输沙变形可控、定期修复 方便的条件下，如将潜堤后退至两端局部环抱堤连 线上，并将潜堤顶标高进一步压低使潜堤完全“潜 伏”在水中，景观效果完善、并可节省工程造价约为 1 808万元。可是这无疑在25年重现期大修标准波浪 作用下，使滩面冲
32、淤变形加剧。但根据前述各阶段定 量分析推断：如果将25年重现期标准降低到某一量 值(如5年)，一方面导致潜堤消浪效果降低，而一 方面因降低重现期使相对应的入射波高也降低，最 终使传到滩面的波高与前述试验值相当，则滩面变 形仍在可控范围，只是维修时段变短、次数增加。考 虑到维护简单省钱的特点，这一优化思路可行。本过 程因篇幅所限不再展开，最终优化后的设计平面布 置简图见图l2。 图1 2 最终优化后的设计总平面布置图 作者简介 李 松 男，高级工程师，现任大连理工大学土木建 筑设计研究院有限公司水运所所长，主要从事水运工 程设计、审核及审定以及项目管理工作。 刘 征 男，高级工程师，现在大连市星海湾开发建 设管理中心，主要从事沿岸及市政工程建设管理工作。 2009年第9期63
