8.1.1 海岸硬防护
岸滩侵蚀包括两种:
第一种是短期的或季节性的,主要是大风浪期间波浪将泥沙向离岸区搬运而使海滩上部甚至陆地遭到冲刷侵蚀,这种搬运通常是横向的,垂直于海岸方向发生的。
第二种是长期的,是由于沿海岸纵向输沙不平衡所引起,表现为整个海滩剖面遭到侵蚀,海岸线持续后退。
因此,对应着以上两种不同类型海岸侵蚀,海岸硬防护的功能和目的也可大致分为两类:一类是通过护岸、海堤等结构物隔断波浪的作用来阻止岸坡的横向侵蚀;二是利用丁坝、离岸堤、人工岬角等阻挡沿岸纵向的输沙,来阻止海岸泥沙流失,防止海岸整体侵蚀后退。常见的海岸硬防护如下。
1)护岸
护岸是直接与岸相贴的建筑物(图8-1),作为海滨陆域与海域的边界,其作用之一是使岸滩不能向其后侧蚀退,作用之二是保护其后侧岸滩的后滨部分或填筑陆地。护岸依据断面形式可分为斜面式、台阶式、混合式和直立式。各种形式的适用性及特征见表8-1。
图8-1 护岸
表8-1 护岸类型
(续表)
护岸各断面外形的优缺点:
(1)直立面或接近直立面(陡墙)的护岸有时称为海墙。海墙的优点是在无风浪时期可作为岸壁停靠小船;缺点是波浪反射大,波浪反射导致堤前水域波高是入射波的两倍,波浪能量加倍增大,会造成堤前海底和临近海岸冲刷较严重。
(2)凹曲线外形的护岸不但外形美观,也有利于降低越浪量。在海滨旅游区或护岸后侧有道路时,此种形式的护岸常为考虑的主要方案。
(3)斜坡式护岸可采用具有消波性能好的材料建造,如采用抛石结构、四角锥体或扭工字块体混凝土块体等。斜坡式护岸前岸滩的冲刷也较直立式时为小。
(4)台阶形护岸适宜于建造在海滨旅游区,在低潮时可利用台阶方便地从后方陆域到达海滩。台阶也有利于减弱波浪回落造成的冲刷。
2)海堤
海堤是与岸线平行的建筑物,其基底标高通常在平均低潮位以上。建造海堤的主要目的是在风暴潮和大浪期间,保护其后侧的陆域及陆上建筑物免遭海水浸淹和海浪破坏,使堤内低洼地为人们所利用。我国苏浙闽粤沿海有悠久的建造海堤的历史。海堤在浙江和苏南一带又称海塘,而在苏北一带又称海堰。最早的有关海堤工程的记载距今已近2000年。海堤通常用填土筑成,其内外坡及顶面用混凝土块体或块石保护。海堤的主要结构由堤体、胸墙、面层混凝土、基础保护抛石、消波块、基础等部分组成。
海堤的顶部标高要以能防止波浪越顶为标准。建筑物的基脚都应有抛石或异形块体保护,以防止基础被掏空而使建筑物破坏。在平面定线时要尽可能避免突然的内折角,以免波能集中发生严重的冲刷。海堤只能对海岸起到消极的保护作用。在侵蚀性海岸上,这种建筑物不能防止建筑物前面的海滩被继续侵蚀。相反地,建筑前面会形成反射波,常常会加重侵蚀。为了减小反射波,可在直立墙前抛筑抛石棱体和人工块体,并使其顶面与墙顶面基本齐平,以减弱波浪对墙的作用,降低越浪量和减少墙前冲刷的有效措施。
3)丁坝
丁坝为垂直于岸线布置、突入海中的堤坝。丁坝断面构造类型类似于海堤。丁坝的作用是使泥沙在坝格内淤积,从而使海滩增宽,达到保护海滩的目的。丁坝还广泛用在淤积性海滩上,以加速海滩的淤积,达到围滩造地的目的。丁坝的坝格内犹如一个小型的滩头湾,在斜向波的作用下,坝格内的岸线倾向于与波峰线交成较小的角度,使沿岸输沙率减小,达到与上游来沙相平衡,从而使坝格内的岸线趋于稳定。丁坝用在斜向波浪为主的海岸上有较好的淤积效果。但是对于正向波浪的效果很差,当正向波浪来袭时,丁坝不能保护海岸免遭冲刷。
丁坝可依透水性的功能分类为非透水性丁坝与透水性丁坝。非透水性丁坝使漂沙无法透过堤体,原则上可由长度来控制漂沙量,但须注意堤基掏刷问题;而透水性丁坝虽难以估计漂沙量,但在施工及维护上较前者简单。建造丁坝的用材有木头、天然块石及混凝土消波块等。
丁坝在平面形态上,根据实际情况需要,可设置成直线型、T型、L型、Z型等形式(图8-2)。另外,近年来,丁坝的平面形式渐趋弧形化和多样化,如鱼尾型、船锚型及半圆弧形等。
图8-2 丁坝平面类型
丁坝的设计和建造需要注意以下关键问题:第一、丁坝长度对沿岸输沙率的拦截率影响最大;第二、因为沿岸输沙率几乎全部发生在碎波带内,所以对沿岸输沙的拦截率起决定作用的是丁坝长度与碎波带宽度的比值;第三、在决定丁坝长度时应充分考虑对下游的允许冲刷程度。依据实验研究,丁坝淤沙的效果以其在海中的长度为滩线至破波点间距离的40%~60%时为最佳。
为保护一整段海岸,丁坝很少单个使用,常常用多个丁坝组成建筑群。丁坝群中丁坝的长度与丁坝的间距有关,美国《海滨防护手册》中推荐的确定丁坝间距的一般规定为:丁坝的间距应等于丁坝总长度(包括自滩肩前缘线伸入岸侧的部分)的2~3倍。堤顶宽度通常为能抵抗波力的作用为原则,越宽效果越佳,但越不合乎经济效益,一般最小宽度为1~2 m,该宽度还应考虑施工时作为通道等要求。丁坝坝身的边坡一般为1∶1.5~1∶2,坝头的边坡宜放缓至1∶3~1∶5。
丁坝群适宜于建造在以沿岸输沙为主,且输沙主导方向明显为单向输沙的情况,丁坝群对横向泥沙运动为主的海岸基本无效。
4)离岸堤
离岸堤是建造在离岸水域中平行于海岸的堤坝(图8-3),其与岸保持一定距离,用以消减波能、保护海岸。
图8-3 离岸堤
离岸堤后面海岸常常发生淤积,逐渐形成沙嘴,这主要是因为当波浪传播到离岸堤之后发生绕射,在离岸堤与岸线间的掩护区内波高减小,方向偏向掩护区,导致沿岸和横向两方向输沙改变,沿岸输沙能力将减弱,促使上游进入波影区的泥沙淤积下来,并形成沙嘴或连岛坝,因此可有效保护该段海滩免遭海浪侵蚀。
当离岸堤的长度相对其离岸距离足够大时,沙嘴将发展成为与堤相连的连岛沙坝。在上游有足够来沙的情况下,粗略地说,当单道离岸堤的离岸距离与堤长的比值在1~2时,堤后将形成由岸伸向海的沙嘴;当离岸堤的长度相对其离岸距离足够大时,沙嘴将发展成连岛坝。
离岸堤的长度及间隔由绕射效果决定,为使在遮蔽区内沉淀,堤长最短不得小于波长。一般离岸堤的堤顶,在高潮累积频率10%的潮位或大潮平均高潮位以上,应有1.0 m左右的高度。实际中由于海岸线较长,且需要考虑堤内外的水体交换,离岸堤多采用分段式形式,如图8-4所示。
日本是世界上建造离岸堤最多的国家,资料统计表明,最常用的堤长为100~110 m;建堤水深90%在5 m以内,最常见的水深为3~4 m;堤顶高程在平均海平面以上1~2 m者占总数的65%;最常用的离岸距离为20~80 m,占总数的63%;堤后形成连岛坝的实例占总数的60%。每一段堤长可取为2~6倍波长,相当于60~200 m;堤与堤间的口门宽度可取为20~50 m。
图8-4 分段离岸堤
5)潜堤
潜堤是指突出海底且潜没于水面下的离岸堤。由于其堤顶水深小,可强制波浪提早破碎,减弱入射波能量。顶部允许部分波浪通过,其消能效果不如离岸堤,但因潜堤其阻挡的水流断面积较离岸堤有限,对海水循环和生态环境影响较小。特别是结构物不露出水面,无损于视觉景观,因此在日益重视海岸景观与生态环境的维护与创造的今天,逐渐被推广采用。
潜堤的形式大致分为单列式与系列式潜堤。单列式潜堤仅有一道潜堤,属于“线”防御。波浪经潜堤碎波后波能降低,水流流速减缓有助于海滩稳定。
6)人工岬角
人工岬角是海岸防护新的设施,主要建造于有海湾的海域。建立人工岬角目的是使入射的主要波浪最后能相对岸线正向入射到达湾岸内各点(海岸线与波峰线几乎平行),从而把沿岸漂沙量降低到最低。因此,在湾岸上游零输沙的条件下,该湾岸仍能保持平衡。
由于人工岬角基本不拦截上游来沙,因此通常不会加剧下游岸滩的侵蚀。因岬角内的岸线为稳定海岸,其仍有沿岸输沙。只是对某一海岸地段而言,从沿岸输沙方向的上游进入该地段的泥沙量,与输向下游的泥沙量相等,因而不会使海岸泥沙亏空。