“多功能生態(tài)海堤構(gòu)架體系”技術(shù)應(yīng)用實踐

陳俊昂，王 帥，鐘 興，熊江瑋

(廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 510635)

1 概述

中國大陸岸線超過1.8萬km，海堤的建設(shè)使海岸帶防災(zāi)減災(zāi)能力得到很大提升，但基于防災(zāi)減災(zāi)單一功能建設(shè)的海堤一般存在工程化、界面生硬等問題，對海陸過渡帶的動植物群落生境、生態(tài)廊道和生態(tài)緩沖帶造成不利影響。隨著社會對生態(tài)環(huán)境的重視，近年來我國已開展了生態(tài)海堤技術(shù)研究和實踐，如《圍填海工程海堤生態(tài)化建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》(T/CAOE1—2020)[1]、范航清[2-3]等，一般通過減緩邊坡，灘涂植綠與消浪[4]，營造生境和提高表面粗糙程度等技術(shù)手段實現(xiàn)，但眾多的技術(shù)手段如何在海堤空間載體實現(xiàn)融合，尚有廣闊的技術(shù)創(chuàng)新空間。國家重點研發(fā)計劃水資源高效開發(fā)利用專項項目(2016YFC0402607)研發(fā)成果之一“多功能生態(tài)海堤構(gòu)架體系”[5]技術(shù)，實現(xiàn)了防潮減災(zāi)、生態(tài)服務(wù)、景觀營造、游憩構(gòu)建等復(fù)合功能的系統(tǒng)融合，符合當(dāng)前生態(tài)文明建設(shè)需求，為可推廣的生態(tài)海堤技術(shù)之一，本文基于該新技術(shù)，結(jié)合實踐案例分析與介紹，為生態(tài)海堤建設(shè)提供可借鑒的技術(shù)解決方案。

2 新技術(shù)原理與核心摘要

“多功能生態(tài)海堤架構(gòu)體系”技術(shù)包括分帶設(shè)防、堤頂后置，二道防浪系統(tǒng)，蓄浪平臺，斷面標(biāo)高體系等創(chuàng)新要素組成，該技術(shù)原理與核心創(chuàng)新點如下。

1)分區(qū)設(shè)防：在確保海堤自身結(jié)構(gòu)安全的前提下，根據(jù)景觀帶受損可承受的風(fēng)險，確定景觀帶各分區(qū)的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，利于形成富有層次的、開放的、親水的濱水空間。

2)二道防浪：設(shè)置一道略高于設(shè)計潮位的防浪結(jié)構(gòu)，風(fēng)浪經(jīng)此道防浪結(jié)構(gòu)的消減，越浪水流由于慣性繼續(xù)前流沖往第二道防浪結(jié)構(gòu)時，其爬高將明顯降低。若第一道防浪結(jié)構(gòu)距離第二道防浪結(jié)構(gòu)較遠(yuǎn)，也可出現(xiàn)越浪前流時因沿程損失而無法到達(dá)第二道防浪結(jié)構(gòu)。因此，若采用二道防浪，將可明顯降低堤頂標(biāo)高。

3)蓄浪空間：由于風(fēng)浪的第一道防浪結(jié)構(gòu)越浪水體無法越過第二道防浪結(jié)構(gòu)，第一道防浪結(jié)構(gòu)的越浪水體將暫蓄于與第二道防浪結(jié)構(gòu)之間的區(qū)域，使二道防浪結(jié)構(gòu)之間的形成蓄浪空間。考慮到風(fēng)浪的不連續(xù)性，若蓄浪空間標(biāo)高高于設(shè)計潮位，暫蓄于蓄浪空間中的越浪，將能夠利用風(fēng)浪的間斷時間，通過排水設(shè)施自排回海域中，避免越浪流入堤后城市排水系統(tǒng)，可減少城市排水系統(tǒng)的排水量。

4)斷面標(biāo)高體系：多功能生態(tài)海堤斷面中，為達(dá)到或形成分帶設(shè)防、堤頂后置，二道防浪系統(tǒng)，蓄浪平臺的架構(gòu)特征，各部位標(biāo)高的選取均有考究，按從低到高的次序，標(biāo)高體系包括特征標(biāo)高，其取值應(yīng)進行研究(見圖1所示)。

圖1 多功能生態(tài)海堤構(gòu)架體系技術(shù)剖面示意

3 應(yīng)用實踐

3.1 項目概況

南沙新區(qū)靈山島尖南段海岸及濱海景觀帶建設(shè)工程[6]位于靈山島尖南岸，工程內(nèi)容包括按200年一遇的防洪(潮)標(biāo)準(zhǔn)達(dá)標(biāo)改建1級[7-9]海堤長為 3.66 km，結(jié)合海岸布置的濱海景觀帶建設(shè)以及沿岸的水閘、泵站、碼頭等設(shè)施建設(shè)。靈山島尖位于南沙新區(qū)明珠灣區(qū)起步區(qū)，是廣東自貿(mào)區(qū)南沙片區(qū)的重要組成，處于粵港澳大灣區(qū)的幾何中心，規(guī)劃總用地面積約為 3.55 km2，城市功能定位為面向世界的粵港澳全面合作高端商務(wù)示范區(qū)。

項目地處深厚軟土地區(qū)(淤泥層深約20～35 m)，用地寬度為20～80 m，保護區(qū)原地面高程約為4.5～6.0 m，城市豎向規(guī)劃地面高程約為6.5～8.5 m，200年一遇設(shè)計洪(潮)水位為7.93 m。鑒于項目所在區(qū)位的重要性及高端定位，要求項目建設(shè)與城市發(fā)展、生態(tài)保護協(xié)同，綜合防洪(潮)、生態(tài)環(huán)境、城市景觀、游憩休閑等功能，實現(xiàn)集合功能、集約用地。項目設(shè)計主題為嶺南水岸、鉆石水城，以具備前瞻性和現(xiàn)代性的景觀規(guī)劃，滿足南沙新區(qū)“高端商貿(mào)、科技創(chuàng)新、優(yōu)質(zhì)生活”的世界先進水平功能定位。景觀設(shè)計依據(jù)土地使用性質(zhì)以及不同的使用人群，將項目分成3段，分別為生活社區(qū)段、碼頭段、商務(wù)辦公區(qū)段，各分段各具特色，生活社區(qū)段營造嶺南風(fēng)格的生活濱水帶，碼頭段營造現(xiàn)代都市風(fēng)格的公共碼頭景觀，商務(wù)區(qū)段強調(diào)空間綠色科技、現(xiàn)代都市概念的屬性。

因傳統(tǒng)工程化海堤建設(shè)技術(shù)難以達(dá)成上述目標(biāo)，經(jīng)比選論證，項目除碼頭段以外，采用了“多功能生態(tài)海堤架構(gòu)體系”技術(shù)。

3.2 技術(shù)應(yīng)用

項目設(shè)計通過場地條件、功能分析，結(jié)合保護區(qū)產(chǎn)業(yè)布局，通過合理擬定海堤各特征豎向標(biāo)高，利用生態(tài)護坡技術(shù)，結(jié)合生態(tài)環(huán)境修復(fù)、城市景觀營造、游憩系統(tǒng)構(gòu)建，運用“多功能生態(tài)海堤架構(gòu)體系”技術(shù)，形成各種豐富的海堤斷面形式，其中3種典型斷面如圖2～4所示。其中斷面一應(yīng)用于現(xiàn)狀舊堤岸可利用且場地寬度大于25 m的堤段，斷面二應(yīng)用于現(xiàn)狀舊堤岸不可利用且場地寬度大于25 m的堤段，斷面三應(yīng)用于場地寬度小于25 m的堤段。海堤位于深厚淤泥地基上，主要采用塑料排水板進行排水固結(jié)的地基處理方式。

圖2 多功能生態(tài)海堤典型斷面一(多級臺階式斷面)

圖3 多功能生態(tài)海堤典型斷面二(多級臺階與斜坡結(jié)合式斷面)

圖4 多功能生態(tài)海堤典型斷面三(多級矮墻式斷面)

各斷面從臨水側(cè)至背水側(cè)結(jié)構(gòu)依次如下。

1)堤腳灘涂生態(tài)帶：堤腳灘涂生態(tài)帶寬約5 m，高程選取多年平均低高潮位，使堤腳平臺在高潮時位于水下，低潮時出露，以營造與自然灘涂類似的生境，本項目結(jié)合潮汐特征取5.0～5.5 m。堤腳灘涂生態(tài)帶利用原有拋石為基底，表層新增約0.5 m厚干砌石進行修坡，形成1：10的緩坡，以利于退潮時水體中的漂浮物退回水域中。面層鋪設(shè)植生袋、土工蜂巢框格等生態(tài)技術(shù)進行生態(tài)修復(fù)與植綠。

2)堤岸及親水平臺：對于現(xiàn)狀存在舊堤擋墻的堤段利用舊堤砌石擋墻進行改造，拆除上部結(jié)構(gòu)降低舊擋墻高度，并在外側(cè)新增混凝土護面進行修復(fù)形成新堤岸；對于現(xiàn)狀無舊堤擋墻的堤段，新建沉箱結(jié)構(gòu)形成堤岸。堤岸頂高程與親水平臺相同，取值接近多年平均高高潮位或年均受淹10～20次的高程，本項目結(jié)合潮汐特征取6.5～6.8 m。親水平臺寬約6 m，面層鋪設(shè)條石，以抵御波浪襲擊并為市民游憩提供舒適、美觀的路面。

3)迎水帶：迎水帶結(jié)合用地條件，采用多級臺階式、緩坡式或矮墻式等結(jié)構(gòu)，布置生態(tài)、景觀、游憩[10]等設(shè)施。迎水帶護坡材料采用在項目中首次運用的新技術(shù)“自嵌式瓶孔磚”[11]，“自嵌式瓶孔磚”大樣如圖5，可采用混凝土或生態(tài)混凝土材料預(yù)制，自嵌式瓶孔磚有以下的6個特點：① 深窄的磚孔及縮頸的開口猶如瓶子，即使孔口上部水流紊動，也可在孔內(nèi)形成靜水區(qū)域，防止孔底土體受到風(fēng)浪的淘刷而流失；② 自嵌式的設(shè)計可增強鋪裝后護坡的整體性，增強護坡的抗沖刷能力；③ 互嵌騎縫的結(jié)構(gòu)可避免形成通縫，導(dǎo)致磚底土體從縫中流失；④ 孔內(nèi)可種植植物，使護坡面得到綠化，磚孔也可成為海岸洞居動物的洞穴，改善護坡的生態(tài)性及景觀性；⑤ 孔內(nèi)下部可根據(jù)需要填充碎石作為反濾層，防止水位降落時的滲透破壞；⑥ 可機械化預(yù)制，適合工業(yè)化大批量生產(chǎn)，降低成本。

圖5 自嵌式瓶孔磚示意

4)第一道“防浪墻”：第一道“防浪墻”位于迎水帶頂部，高程為8.4 m，此處“防浪墻”為廣義概念，結(jié)合生態(tài)景觀需求，可采用花池、座凳、微地形等。

5)蓄浪平臺：蓄浪平臺位于第一道“防浪墻”后方，蓄浪平臺用于收集第一道“防浪墻”的越浪，以便越浪自排回海域中，故蓄浪平臺高程應(yīng)高于設(shè)計潮位，本項目結(jié)合設(shè)計潮位情況，平臺高程為8.2 m。平臺最小寬度應(yīng)滿足越浪水流由于慣性繼續(xù)前流沖往第二道“防浪墻”并越過第二道“防浪墻”的要求，本項目經(jīng)風(fēng)浪模型試驗驗證為8 m。平臺中設(shè)有越浪收集系統(tǒng)與自排系統(tǒng)，利用風(fēng)浪的間斷時間，通過排水設(shè)施自排回海域中，避免越浪流入堤后城市排水系統(tǒng)，可減少城市排水系統(tǒng)的排水量。該平臺可作為景觀綠地或者活動平臺，因該平臺緊靠第一道“防浪墻”，越浪跌落時對平臺有一定的沖刷，故作為綠地時，對坡面應(yīng)采取合適的防沖刷措施，在本項目采用了抗沖植草墊植草。

6)第二道“防浪墻”：第二道“防浪墻”位于蓄浪平臺后方，也為廣義概念，結(jié)合生態(tài)景觀需求，可采用花池、座凳、微地形等，頂部高程為8.80 m。

7)堤頂：堤頂結(jié)合城市慢行系統(tǒng)、跑步道設(shè)置，寬為5 m，高程為8.5 m。

8)堤后銜接帶：堤后帶位于堤頂與城市保護區(qū)之間，采用緩坡綠化過渡銜接。

本案例中，堤腳灘涂生態(tài)帶、堤岸及親水平臺、迎水帶構(gòu)成了“多功能生態(tài)海堤架構(gòu)體系”中的第一景觀帶，該景觀帶遭遇設(shè)計洪(潮)水位時為可淹沒分區(qū)，表面分別采用能經(jīng)受對應(yīng)風(fēng)浪侵蝕程度的結(jié)構(gòu)，并種植能經(jīng)受對應(yīng)風(fēng)浪侵蝕和海水浸泡程度的植物。第一道“防浪墻”、蓄浪平臺構(gòu)成了第二景觀帶，該景觀帶不被設(shè)計洪(潮)水位淹沒，但處于風(fēng)浪影響區(qū)。第二道“防浪墻”、堤頂、堤后銜接帶構(gòu)成了第三景觀帶，該帶已達(dá)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的安全區(qū)域。

上述各部位特征高程的擬定過程可參考文獻[12]。通過合理擬定各部位的特征高程，有利于形成富有層次的、開放的、親水的濱水空間，同時也有利于海堤的消浪效果。

在本實踐案例中尚發(fā)現(xiàn)在同等條件下(如寬度、堤前水深、風(fēng)浪強度、第一道防浪墻高度等)，多級臺階式斷面比多級臺階與斜坡結(jié)合式斷面的消浪效果更優(yōu)，在本案例中減少約23%的越浪量。蓄浪平臺所需寬度與第一道防浪墻頂高程呈反向關(guān)系，與風(fēng)浪強度呈正向關(guān)系。但因采用本技術(shù)時堤防斷面復(fù)雜，目前尚無針對該復(fù)雜斷面的風(fēng)浪計算公式，應(yīng)用該技術(shù)時宜采用物理模型進行驗證。

3.3 應(yīng)用效果

項目應(yīng)用“多功能生態(tài)海堤架構(gòu)體系”技術(shù)，解決了以下技術(shù)難題：一是解決了海堤“圍城”問題，采用該技術(shù)較常規(guī)海堤降低堤頂(或防浪墻墻頂)高程約1.5 m，使堤頂高程接近保護區(qū)地面高程，避免海堤“圍城”；二是解決了海堤迎水坡防護結(jié)構(gòu)與生態(tài)、景觀之間的矛盾；三是解決了濱水空間利用問題，可利用豐富的斷面層次形成高品質(zhì)的城市濱海空間，有利濱水空間與城市空間的相互融合。

工程基本建成時在2017年遭遇了臺風(fēng)“天鴿”、工在2018年遭遇了臺風(fēng)“山竹”，2次臺風(fēng)暴潮堤前實測水位分別為8.14 m及8.19 m，均高于設(shè)計水位(7.93 m)，但得益于海堤的消浪及防浪體系，未發(fā)生海堤漫頂及破壞的現(xiàn)象，越浪順暢自排未進入保護區(qū)，有效的保障了島內(nèi)安全(遭遇“山竹”時實景如圖6)。目前項目區(qū)生態(tài)良好、景觀優(yōu)美、游憩設(shè)施多樣，已成為南沙乃至廣州對外宣傳的新名片之一，成為當(dāng)?shù)鼗蛑苓吺忻裥蓓哪康牡刂弧?/p>

4 結(jié)語

“多功能生態(tài)海堤構(gòu)架體系”技術(shù)通過對海堤斷面標(biāo)高體系的分析，結(jié)合多功能需求，采用分帶設(shè)防、堤頂后置的理念，布設(shè)二道防浪系統(tǒng)，有效降低海堤堤頂高程，在海堤空間載體實現(xiàn)了防潮減災(zāi)、生態(tài)服務(wù)、景觀營造、游憩構(gòu)建等復(fù)合功能的系統(tǒng)融合。在靈山島尖項目中結(jié)合城市定位、場地條件等因素，因地制宜的擬定斷面形式和特征高程，實踐效果良好，符合當(dāng)前生態(tài)文明建設(shè)需求，為可推廣的生態(tài)海堤技術(shù)之一。

圖6 遭遇臺風(fēng)“山竹”時實景與日常對比示意