人工岸線生態(tài)改造對岸坡穩(wěn)定性影響分析

陳少青

摘要：指出了圍海造陸等工程建設(shè)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(tài)環(huán)境，對現(xiàn)有人工岸線進(jìn)行生態(tài)型堤岸改造可以減弱人工岸線對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的不良影響。針對天津地區(qū)常見岸線結(jié)構(gòu)形式和軟土地基特點，提出了緩坡式岸線生態(tài)改造方案，同時利用PLAXIS有限元軟件以半圓體形式岸線生態(tài)改造為例，分析了不同坡比下生態(tài)緩坡式堤岸的地基穩(wěn)定性，為天津地區(qū)人工岸線乃至其它地區(qū)人工岸線緩坡式生態(tài)改造提供研究思路。

關(guān)鍵詞：人工岸線；生態(tài)改造；緩坡式岸坡；岸坡地基穩(wěn)定性

中圖分類號：X55

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-9944（2017）14-0205-04

1 引言

海岸線是海洋生態(tài)系統(tǒng)和陸地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)合部分，沿海區(qū)域資源豐富、環(huán)境適宜，歷來都是社會、經(jīng)濟(jì)、文化發(fā)展最先進(jìn)的地域。沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)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(fā)利用，導(dǎo)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(jīng)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(dá)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(qū)別于天然岸線的地形、地貌，結(jié)構(gòu)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(tài)等產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響，高強度圍海造陸開發(fā)使得渤海灣已成為全國近岸海域環(huán)境污染最嚴(yán)重的海灣之一。

圍海造陸也是荷蘭、日本、美國等發(fā)達(dá)國家為了增加土地最常用的手段，但填海造成的負(fù)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(fù)成原來的濕地面貌，以挽救急劇惡化的海洋生態(tài)環(huán)境。對于海岸帶生態(tài)功能的恢復(fù)和構(gòu)建，國內(nèi)外已經(jīng)開展過大量研究并取得了一些成果。20世紀(jì)70年代，美國開始將袋裝砂袋使用在岸堤修復(fù)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(yǎng)灘也是一種新興的生態(tài)型護(hù)岸技術(shù)，可大大緩解海岸帶地形和環(huán)境的變化，防止海水對海岸帶侵蝕，人工養(yǎng)灘也可以結(jié)合種植耐鹽堿植物進(jìn)行，日本學(xué)者篩選出抗風(fēng)沙、耐鹽性和耐潮性強的樹種用于減少水土流失以及風(fēng)、沙、潮等多種災(zāi)害的發(fā)生[3]。20 世紀(jì) 70 年代，日本提出建造新型人工魚礁保護(hù)水生動物以提高海岸帶生物量。20世紀(jì)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(jìn)魚礁周圍生物量種類和數(shù)量增長，從而起到海岸帶生物種群恢復(fù)和海岸帶保護(hù)的功能[4]。天津大學(xué)季靜應(yīng)用抗鹽堿植物生物培育技術(shù)培育出了可在高鹽堿地生長的植物，這些植物具有美化環(huán)境的景觀功能，可用于構(gòu)建抗鹽堿植物花園式生態(tài)海岸帶，促進(jìn)海岸帶生態(tài)恢復(fù)[5]。

盡管國內(nèi)外對海岸帶生態(tài)環(huán)境的保護(hù)越來越重視，但多數(shù)技術(shù)成果往往注重于海岸灘地的保護(hù)，對于人工建造的岸線生態(tài)改造研究還很少。筆者將結(jié)合天津地區(qū)圍海造陸常見人工岸線結(jié)構(gòu)形式和獨特的區(qū)域軟土地質(zhì)條件特點，分析人工岸線生態(tài)改造后形成的緩坡式生態(tài)堤岸的地基穩(wěn)定性。

2 生態(tài)堤岸改造形式

2.1 天津地區(qū)常見人工岸線形式

天津地區(qū)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(jù)自身特點和所處區(qū)域環(huán)境在使用上都有各自的適用范圍。

斜坡式堤岸根據(jù)使用材料可分為拋石堤岸（圖1）和充灌袋堤岸（圖2），其優(yōu)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(qū)及軟土地基、海域波浪較小的情況。

混合式堤岸港區(qū)最常見的是半圓形輕型混合結(jié)構(gòu)（圖3），上部為預(yù)制半圓體構(gòu)件，構(gòu)件下方為基床塊石，基床兩側(cè)布置塊石護(hù)肩。該堤岸優(yōu)點是受力合理，抗波浪性好，安放后能保持自身穩(wěn)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(jié)構(gòu)斷面內(nèi)外兩側(cè)均為直立或接近直立的墻面，如大圓筒形堤岸。其優(yōu)點是當(dāng)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(jié)構(gòu)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(fù)困難。適用于水深較深、現(xiàn)場起重設(shè)備能力大和地基基礎(chǔ)堅實區(qū)域。

上述形式堤岸在天津地區(qū)都有實際應(yīng)用工程，針對本地區(qū)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(jié)構(gòu)因在使用功能、工程造價和施工進(jìn)度方面具有優(yōu)勢而應(yīng)用最廣。

2.2 岸線生態(tài)修護(hù)重建

過往岸線建設(shè)中往往只考慮工程作用，岸線采用混凝土砌筑硬防護(hù)的方法以避免海浪、岸線侵蝕等問題。但從生態(tài)的角度來講硬質(zhì)護(hù)岸隔斷了土體與水體的交換和循環(huán)，引起生態(tài)退化，破壞海岸自然生態(tài)環(huán)境。發(fā)達(dá)國家提出了一些生態(tài)型護(hù)坡技術(shù)，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(hù)岸技術(shù)（圖4）。對人工岸線生態(tài)設(shè)計時，水體岸線以自然升起的濕地基質(zhì)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(qū)域種植濕地植物。這樣做可使水面與岸呈現(xiàn)一種生態(tài)的交接親水效果，既能加強濕地的自然調(diào)節(jié)功能，又能為鳥類、兩棲爬行類動物提供生活的環(huán)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(tài)效應(yīng)[6]。

天津地區(qū)現(xiàn)有岸線多為人工岸線，對其進(jìn)行生態(tài)修復(fù)改造可借鑒土壤生物工程護(hù)岸技術(shù)。首先對當(dāng)前堤岸前方進(jìn)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(wěn)定性的影響，并進(jìn)一步分析改造為不同坡比緩坡式岸坡地基的安全系數(shù)，為確定生態(tài)岸坡斷面提供依據(jù)。

3 緩坡式岸坡地基穩(wěn)定性分析

3.1 地層參數(shù)及計算斷面的選取

以天津地區(qū)某半圓體岸線工程地質(zhì)勘察鉆孔指標(biāo)為例進(jìn)行計算分析，取計算斷面土層參數(shù)如表1。

岸線的斷面沿長度方向幾乎不變，數(shù)值模擬計算中可以按平面應(yīng)變問題選擇任意剖面的進(jìn)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(tài)緩坡改造計算方案

半圓形岸線生態(tài)緩坡改造按不同邊坡比和形式形成3種方案進(jìn)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(zhì)土。半圓形岸線堤前緩坡堆土邊坡坡比示意僅為理論數(shù)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(jié)果分析

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

第二步計算堤前生態(tài)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(shù)具體結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

堤前生態(tài)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(jié)果看，在堤前生態(tài)緩坡改造加載后堤岸地基穩(wěn)定安全系數(shù)相較加載前1.939均有所下降，坡比1∶2安全系數(shù)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(jié)語

（1）人工岸線生態(tài)改造能夠減弱海岸生態(tài)環(huán)境繼續(xù)惡化狀況，在已有人工岸線堤前進(jìn)行緩坡式生態(tài)改造是當(dāng)前比較流行的改造方式。

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

（3）緩坡式生態(tài)改造坡比越大，緩坡越陡，會使生態(tài)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(qū)域動植物提供合適生存環(huán)境。

（4）人工岸線緩坡生態(tài)改造坡比和形式應(yīng)結(jié)合原有人工岸線形式、岸坡地基穩(wěn)定性、施工可行性以及海洋水動力學(xué)等多方面統(tǒng)籌分析。

參考文獻(xiàn)：

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