人工岸線生態改造對岸坡穩定性影響分析

陳少青

摘要：指出了圍海造陸等工程建設活動形成的人工岸線形式單一平直，改變了海岸原有水動力條件，破壞了海洋生態環境，對現有人工岸線進行生態型堤岸改造可以減弱人工岸線對生態環境產生的不良影響。針對天津地區常見岸線結構形式和軟土地基特點，提出了緩坡式岸線生態改造方案，同時利用PLAXIS有限元軟件以半圓體形式岸線生態改造為例，分析了不同坡比下生態緩坡式堤岸的地基穩定性，為天津地區人工岸線乃至其它地區人工岸線緩坡式生態改造提供研究思路。

關鍵詞：人工岸線；生態改造；緩坡式岸坡；岸坡地基穩定性

中圖分類號：X55

文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2017）14-0205-04

1 引言

海岸線是海洋生態系統和陸地生態系統的結合部分，沿海區域資源豐富、環境適宜，歷來都是社會、經濟、文化發展最先進的地域。沿海地區經濟快速發展與土地資源、空間短缺之間矛盾越來越突出，近年來通過圍海造陸提供了廣闊的土地資源和空間，天然海岸線也隨之被開發利用，導致天然岸線銳減。渤海灣大部分岸線已成為人工岸線，天津市158 km自然岸線已經全部消失，海岸線均為海擋、堤壩、碼頭等人工岸線；大連有1900 多km海岸線，其中圍海造陸成為人工岸線占比已達71%；山東省人工岸線已接近總岸線的40%；河北省20多年來，平均每年減少海岸線8 km[1]。然而人工岸線明顯區別于天然岸線的地形、地貌，結構型式單一、岸線平直，不僅破壞了原有的自然景觀，而且對海洋生態等產生了嚴重的影響，高強度圍海造陸開發使得渤海灣已成為全國近岸海域環境污染最嚴重的海灣之一。

圍海造陸也是荷蘭、日本、美國等發達國家為了增加土地最常用的手段，但填海造成的負面影響日益凸顯，部分國家已不允許圍海造陸，甚至開始將圍海造陸的土地恢復成原來的濕地面貌，以挽救急劇惡化的海洋生態環境。對于海岸帶生態功能的恢復和構建，國內外已經開展過大量研究并取得了一些成果。20世紀70年代，美國開始將袋裝砂袋使用在岸堤修復重建中，利用袋裝砂袋碎波作用降低波浪對海灘的沖刷[2]。人工養灘也是一種新興的生態型護岸技術，可大大緩解海岸帶地形和環境的變化，防止海水對海岸帶侵蝕，人工養灘也可以結合種植耐鹽堿植物進行，日本學者篩選出抗風沙、耐鹽性和耐潮性強的樹種用于減少水土流失以及風、沙、潮等多種災害的發生[3]。20 世紀 70 年代，日本提出建造新型人工魚礁保護水生動物以提高海岸帶生物量。20世紀90年代，在馬爾代夫和塞舌爾等國家在人工魚礁上通入低壓直流電，使海水電解析出碳酸鈣、氫氧化鎂等礦物附著在人工魚礁上形成類似于天然珊瑚礁的礁體，在魚礁增長的同時吸引生物聚集，促進魚礁周圍生物量種類和數量增長，從而起到海岸帶生物種群恢復和海岸帶保護的功能[4]。天津大學季靜應用抗鹽堿植物生物培育技術培育出了可在高鹽堿地生長的植物，這些植物具有美化環境的景觀功能，可用于構建抗鹽堿植物花園式生態海岸帶，促進海岸帶生態恢復[5]。

盡管國內外對海岸帶生態環境的保護越來越重視，但多數技術成果往往注重于海岸灘地的保護，對于人工建造的岸線生態改造研究還很少。筆者將結合天津地區圍海造陸常見人工岸線結構形式和獨特的區域軟土地質條件特點，分析人工岸線生態改造后形成的緩坡式生態堤岸的地基穩定性。

2 生態堤岸改造形式

2.1 天津地區常見人工岸線形式

天津地區常見人工岸線形式有斜坡式、混合式和直立式堤岸，各種堤岸根據自身特點和所處區域環境在使用上都有各自的適用范圍。

斜坡式堤岸根據使用材料可分為拋石堤岸（圖1）和充灌袋堤岸（圖2），其優點是對地基不均勻沉降和地基承載力要求不高且施工簡單，但缺點是材料用量相對較大。主要用于淺水區及軟土地基、海域波浪較小的情況。

混合式堤岸港區最常見的是半圓形輕型混合結構（圖3），上部為預制半圓體構件，構件下方為基床塊石，基床兩側布置塊石護肩。該堤岸優點是受力合理，抗波浪性好，安放后能保持自身穩定，砂石材料用量少；缺點就是后期后方吹填造陸需作堵漏特殊處理，若后方存在景觀河之類造成銜接困難。主要適用于地基承載力比較低的軟土地基。

直立式堤岸的結構斷面內外兩側均為直立或接近直立的墻面，如大圓筒形堤岸。其優點是當水深較大時，建筑材料較斜坡堤用量少，能抵御較大波浪；其缺點

是波浪遇到直立墻面幾乎全部反射使水動力增大，結構自重大，安裝工作量大，堤身整體性差，對地基不均勻沉降敏感，一旦破壞修復困難。適用于水深較深、現場起重設備能力大和地基基礎堅實區域。

上述形式堤岸在天津地區都有實際應用工程，針對本地區堤岸建造砂石來源困難、軟土深厚等特點，在水深較淺時斜坡式和半圓體結構因在使用功能、工程造價和施工進度方面具有優勢而應用最廣。

2.2 岸線生態修護重建

過往岸線建設中往往只考慮工程作用，岸線采用混凝土砌筑硬防護的方法以避免海浪、岸線侵蝕等問題。但從生態的角度來講硬質護岸隔斷了土體與水體的交換和循環，引起生態退化，破壞海岸自然生態環境。發達國家提出了一些生態型護坡技術，目前在美國以及歐洲一些國家，較為常用的是土壤生物工程（Soil-Bioengineering）護岸技術（圖4）。對人工岸線生態設計時，水體岸線以自然升起的濕地基質的土壤沙礫代替人工砌筑，還可建立一個水與岸自然過渡的區域種植濕地植物。這樣做可使水面與岸呈現一種生態的交接親水效果，既能加強濕地的自然調節功能，又能為鳥類、兩棲爬行類動物提供生活的環境，還能充分利用濕地的滲透及過濾作用，從而帶來良好的生態效應[6]。

天津地區現有岸線多為人工岸線，對其進行生態修復改造可借鑒土壤生物工程護岸技術。首先對當前堤岸前方進行加載形成緩斜坡式斷面，但必須計算形成緩坡時此部分加載對岸線地基穩定性的影響，并進一步分析改造為不同坡比緩坡式岸坡地基的安全系數，為確定生態岸坡斷面提供依據。

3 緩坡式岸坡地基穩定性分析

3.1 地層參數及計算斷面的選取

以天津地區某半圓體岸線工程地質勘察鉆孔指標為例進行計算分析，取計算斷面土層參數如表1。

岸線的斷面沿長度方向幾乎不變，數值模擬計算中可以按平面應變問題選擇任意剖面的進行計算分析，改造前半圓體岸線形式如圖5所示。

3.2 半圓體岸線生態緩坡改造計算方案

半圓形岸線生態緩坡改造按不同邊坡比和形式形成3種方案進行計算，岸線后方需要形成陸域所以在計算時各方案均考慮堤后將吹填3.09m厚吹填淤泥質土。半圓形岸線堤前緩坡堆土邊坡坡比示意僅為理論數值計算，使用未考慮實際工程做法，具體方案見表2和圖6～8所示。

3.3 PLAXIS有限元計算結果分析

按實際工程施工設置計算分析，第一步計算堤后吹填3.09 m厚淤泥質土后岸坡地基安全系數，得出吹填后岸坡地基安全系數為1.939，土體滑移云圖如圖9所示。

第二步計算堤前生態緩坡按3種方案改造，岸坡堤前形成加載，加載后岸坡地基最大位移增量和安全系數具體結果匯總如表3所示。

堤前生態緩坡改造加載后土體的階段土體位移云圖和滑移面云圖以方案三為例示意，如圖10，11所示。

從計算結果看，在堤前生態緩坡改造加載后堤岸地基穩定安全系數相較加載前1.939均有所下降，坡比1∶2安全系數降低最小，坡比1∶3時且加擋土墻次之，坡比1∶3且無擋土墻最為不利。

4 結語

（1）人工岸線生態改造能夠減弱海岸生態環境繼續惡化狀況，在已有人工岸線堤前進行緩坡式生態改造是當前比較流行的改造方式。

（2）以半圓體岸線為例進行了3種改造方案計算，表明堤前緩坡坡比越小，安全系數降低越多；緩坡生態改造放坡形式中設置擋土墻對岸坡地基穩定有利。

（3）緩坡式生態改造坡比越大，緩坡越陡，會使生態岸線親水效果大打折扣，且坡比越大海浪沖刷水動力最強，不利于為接岸自然過渡的區域動植物提供合適生存環境。

（4）人工岸線緩坡生態改造坡比和形式應結合原有人工岸線形式、岸坡地基穩定性、施工可行性以及海洋水動力學等多方面統籌分析。

參考文獻：

[1]郭江泓.天津人工海岸生態功能構建機理研究[D].天津：天津大學，2011.

[2]Fowler J， Geotextile Tubes and Flood Control[J]. Geotechnical Fabrics Report， 1997，15（5）：28～37.

[3]葉功富，羅美娟，盧昌義.海岸帶退化生態系統的恢復與海岸帶綜合管理[J].世界林業研究，2006，4（1）：5～10.

[4]李紅柳， 李小寧，侯曉珉等.海岸帶生態恢復技術研究現狀及存在問題[J].城市環境與城市生態，2003，16（6）：36～37.

[5]崔海燕，季靜.鹽地堿蓬研究現狀[J].天津農業科學，2009，15（4）：13～16.

[6]宋伯年，天津濱海新區海岸帶景觀的生態化建設[D].天津：天津大學，2007.