粵港澳大灣區防風暴潮生態海堤核心技術研究及應用

曹春頂 王盟 唐樂

摘 要：在大灣區靈山島北岸防風暴潮生態海堤工程的設計中，為解決城市防洪潮和濱海景觀生態海堤親水性的矛盾，在技術理念上由傳統單一的防潮海堤向多元化濱海景觀生態海堤轉變，創新提出了多級消浪平臺技術和濱海景觀帶迎水面系統排水技術來解決消浪與排水的問題，在實踐中提出“橫向換縱向”“外水外排，內水內排”的理念，打破傳統海堤對海浪的“擋”和“抗”硬對硬模式，采用橫向多級消浪平臺技術消減越浪，并設置多級排水系統實現越浪自排，對迎水面海浪采用“通”和“排”的柔性銜接，可有效降低縱向堤頂高程以破解“堤防圍城”的難題，實現海堤成為濱海生態景觀的目的。研究成果已應用在該項目中，經過數次風暴潮檢驗證明達到了預期效果，靈山島在韌性城市方面尤其是生態堤設計上，以寬度換高度，既能防洪同時又滿足親水、休閑、景觀要求，為嶺南地區的生態建設乃至中國濱海河口地區同類型建設提供了經驗和參考。

關鍵詞：生態海堤；多級消浪平臺；錐孔自嵌集成砌塊；迎水面系統排水

中圖分類號：TV139.2+9 文獻標識碼：A 文章編號：1001-9235（2024）05-0019-09

Research and Application of Core Technology of Storm Surge Prevention Ecological Seawall in Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area

CAO Chunding， WANG Meng， TANG Le

（China Water Resources Pearl River Planning， Survey & Designing Co.， Ltd， Guangzhou 510610， China）

Abstract： In the design of the ecological seawall project for storm surge prevention on the north coast of Lingshan Island in the Greater Bay Area， to solve the contradiction between urban flood tide prevention and the hydrophilicity of the coastal landscape ecological seawall， the design is transformed from the traditional single tidal wave prevention seawall to the diversified coastal landscape ecological seawall by the concept of innovative technology. This paper innovatively proposes the following two technologies： the multi- stage wave dissipation platform technology and the upstream drainage system technology of coastal landscape belts to solve the problem of wave dissipation and drainage. In practice， the paper proposes the concepts of "horizontal for vertical" and "external drainage of external water and internal drainage of internal water" to break the traditional "blocking" and "resisting" of seawalls to the waves. It adopts the horizontal multi-stage wave dissipation platform technology to eliminate the waves and sets up a multi-stage drainage system to realize the self-exhaustion of the waves. The flexible articulation of "pass" and "discharge" for the waves on the waterfront can effectively reduce the vertical dike top elevation to solve the problem of "dike surrounding the city" and realize the purpose of coastal landscape ecological seawall. The research results have been applied to the project and have been tested by several storm surges to prove that the expected results have been achieved. In terms of the resilient city， especially in the design of the ecological dike， Lingshan Island exchanges the width for the height， which can not only prevent floods but also meet the requirements of water， leisure，and landscape. It provides experience and reference for the Lingnan region of ecological construction， and even the same type of construction in China's coastal estuarine areas.

Keywords： seawall; multi-stage wave dissipation platform; cone-hole self-embedded integrated block; upstream drainage system

1研究背景

近年來，提升新形成海堤岸線的公眾開放程度和景觀生態效果，構建自然化、生態化、綠植化的新海岸，是生態海堤建設的大方向［1］。

生態海堤項目需要營造開放的濱水空間景觀，而防風暴生態海堤波浪要素計算內容是復雜的，季永興等［2］針對海堤防御標準確定的重要性及復雜性，引入超越概率理論確定海堤防御標準，紀巧玲［3］應用數值模型對越浪引起的越浪流及堤后波況進行了定量研究，而按現行海堤設計規范［4］中的傳統理論計算時，若采用允許越浪標準，可適當將堤頂高程降低，景觀性和親水性良好，但同時越浪有可能對堤頂和堤后坡造成沖刷破壞，危及海堤整體安全。

因此對越浪量的控制是生態海堤設計中的關鍵，提供一種既能夠消減越浪，又能合理設置縱向堤頂高程，破解“堤防圍城”難題的堤身結構，是生態海堤結構設計上的關鍵問題。唐巨山等［5］分析比較了現行的國家、行業、地方不同設計標準之間海堤堤頂高程確定及越浪量控制上的差異，而在大灣區海堤工程的理論研究中，河海大學［6］對南沙區風暴潮下的防洪標高進行專題研究，南京水利科學研究院［7］對蕉門及洪奇門水道泄洪綜合整治及灘涂利用開展研究，采用1∶20的模型比例尺模擬了靈山島北側防洪堤及堤后的布置，而黃岳文［8］在關于廣州珠江堤防堤頂超高的探討的研究中，建議采用超級堤方案降低堤頂高程。

針對上述問題，在大灣區靈山島北岸防風暴潮生態海堤工程的設計過程中，技術理念由傳統單一的防潮海堤向多元化濱海景觀生態海堤進行轉變，設計團隊創新使用了2項技術——多級消浪平臺技術、濱海景觀帶迎水面系統排水技術來解決消浪與排水的問題；在結構上提出對消浪措施的優化。技術成果在該項目建設中應用后，靈山島北岸經濟效益、防洪潮效益、生態效益顯著，項目區生態環境優美，已成為明珠灣對外展示的一張靚麗的名片。

2多級消浪平臺技術的研究及應用

2.1技術原理

防風暴潮生態海堤波浪要素及堤頂高程計算復雜，按現行規范中的傳統理論計算時，堤頂高程往往高出生態海堤的堤后城市景觀用地高程，造成“堤防圍城”的境況；為解決城市防洪和濱海生態海堤親水性在設計上的矛盾，本創新技術是通過“多級消浪平臺技術”來降低生態海堤的堤頂高程及親水平臺高程；為此提出“橫向換縱向”“外水外排，內水內排”的理念，打破傳統海堤對海浪的“擋”和“抗”硬對硬模式，采用橫向多級消浪平臺技術消減越浪，并設置多級排水系統實現越浪自排，對迎水面海浪采用“通”和“排”的柔性銜接，可有效降低縱向堤頂高程以破解“堤防圍城”的難題，實現濱海景觀生態海堤的目的。

2.2數值模型建立

主要原理是采用橫向多級消浪平臺技術消減越浪，并設置多級排水系統實現越浪自排，目前國內外對越浪問題的研究成果主要有3個方面：一是平均越浪量的研究；二是堤頂及后坡越浪流參數的研究；三是越浪流對后坡沖刷過程的研究［4］。研究的方法主要有經驗公式及模型試驗2種方法，不同經驗公式計算結果差別很大，表明計算結果可靠性差，不穩定，也表明了越浪量計算的復雜性。

在靈山島北岸防風暴潮生態海堤的研究及應用中，使用水力學數值仿真法，分析海堤斷面的消浪特性，并根據地形和功能要求，初步提出海堤斷面設計方案；運用物理模型和數學模型相結合方法，定量分析各方案的消浪特性和消浪效果，并對設計提出優化建議。目前工程上使用廣泛的流場數值計算方法是原始變量法中的壓力修正法。其基本思路是：①假定初始壓力場；②利用壓力場求解動量方程，得到速度場；③利用速度場求解連續方程，使壓力場得到修正；④根據需要，求解紊流方程及其他標量方程；⑤判斷當前時間步上的計算是否收斂。若不收斂，返回到第2步，迭代計算。若收斂，重復上述步驟，計算下一時間步的物理量。本次使用壓力修正法進行流場數值分析計算。

2.3越浪過程流場分析

根據具體條件，海堤斷面常規型式可選擇斜坡式、陡墻式等型式，這些海堤型式在中國沿海省份使用均較多，在廣州靈山島北岸防風暴潮生態海堤的設計過程中，在堤身結構的設計中創新采用“多級消浪平臺技術”來降低生態海堤的堤頂高程及親水平臺高程。為對這幾種堤防型式的優缺點進行分析比較，從越浪海水與海堤相互作用后的能量守恒出發，建立了不同堤型對消能效果影響的數值模型，對不同海堤斷面形式的波浪爬高、越浪量進行了對比。

以靈山島北岸防風暴潮生態海堤項目為例，200年一遇潮水位7.90 m，波浪要素為 H13%=0.98 m，Tp=3.22 s，吹程 F=150 m，風速 V=30.2 m/s，數模越浪中根據現場實際地形和觀景視野等需要，對各級消浪平臺取不同寬度、不同高度的情況進行研究和比選，對堤頂高程8.2～8.5 m 各級消浪平臺取不同寬度（3～20 m）的情況進行研究。

經大量優化后，確定了靈山島北岸防風暴潮生態海堤項目多級消浪平臺寬高初步取值。堤頂高程8.2 m，部分堤頂越浪過程曲線見圖1、2；堤頂高程8.5 m，部分堤頂越浪過程曲線見圖3、4。

根據上述數模分析，堤頂高程一定時，隨著消浪平臺寬度的增加，越浪量下降速度先快后慢，說明隨著消浪平臺寬度的增加，橫向尺度對于降低越浪量效果逐漸減弱。消浪平臺寬度存在最優值。

堤頂高程一定時，堤防越浪量對第二級消浪平臺寬度敏感。延長第二級平臺寬度比延長第一級寬度消浪效果好，同時延長一二級平臺寬度相比單一延長第一級或第二級平臺寬度的消浪效果略好。對于三級消浪平臺而言，第三級消浪平臺寬度對越浪量影響較小，設計中不宜考慮通過增加第三級消浪平臺寬度降低越浪量。

根據表1—3數模計算成果，結合該項目的實際地形及用地因素制約，靈山島北岸防風暴潮生態海堤項目多級消浪平臺的平臺寬度取值為：一級消浪平臺寬度 B1取8.0 m，二級消浪平臺寬度 B2取8.0m，三級消浪平臺寬度 B3取6.0 m。多級消浪平臺的平臺高程取值為：一級消浪平臺高度 Z1取6.8 m，二級消浪平臺高度 Z2取7.5 m，三級消浪平臺高度 Z3取8.5 m，并采用該模型與其他不同海堤形式進行比選。

因模型造波邊界為不規則波，流速、壓力等瞬時物理量不具有可比性，而越浪量具有時均概念，具有可比性，本次主要對越浪量做對比，不同堤型越浪過程數值仿真模型見圖5—7。

通過流場分析，當堤防為陡墻式和斜坡式的設計條件下，消浪方式較為單一，且在陡墻式堤型的設計模型流場中，波浪對陡墻式堤身直墻上沿產生較大影響，該模型造波邊界離堤腳位置為40 m，但堤防在直墻位置仍表現出負壓力，且波浪爬高較高，越浪量較大。

堤防在多級消浪平臺的流場模型中，迎水面水流遇一級、二級消浪平臺坎，會形成與運動旋轉方向相反的漩渦，抵消了水流對三級消浪平臺的沖擊力，減少了對堤頂的沖擊，越浪量得到削減，對堤后用地影響微弱。不同堤型越浪量對比見表4。

2.4模型驗證及結論

根據模擬廣州南沙新區靈山島防洪堤北側提供的陡墻式堤岸、混合式堤岸、斜坡式堤岸的斷面物理模型試驗（2013年11月），成果驗證了各試驗斷面在200年一遇水位波浪作用下斷面結構的穩定性和測量各斷面堤頂越浪量以及觀測越浪對后方陸域的影響。

根據實際工程地形，采用1∶20的模型比例尺模擬靈山島北側防洪堤及堤后的布置，對于堤頂高程選擇 H=8.5 m 和采取消浪措施的情況下，得出以下主要結論：①北側陡墻式堤岸防浪墻和排水溝等結構均滿足穩定性要求，防浪墻頂后的越浪量為3.6×10-3 m?/（m ·s），最遠能到達排水溝，對后方景觀帶用地作用微弱；②北側混合式堤岸防浪墻和排水溝以及迎水面消浪設施等結構均滿足穩定性要求，在景觀帶頂部路面處測得堤頂越浪量為5.0×10-4 m?/（m · s），此時越浪量相對較小，對后方景觀帶用地作用微弱；③北側斜坡式堤岸親水臺階作為整體滿足穩定性要求，波列中個別大波能作用到臺階后方平臺頂部，但水量較少，測不出越浪量，對后方景觀帶用地作用微弱。

根據上述對越浪過程的流場分析和物理模型驗證結果可知，當多級消浪平臺堤岸和排水溝以及迎水面消浪設施等結構均滿足穩定性要求時，相較斜坡式堤型和陡墻式堤型，多級消浪平臺越浪量明顯減小，在多級消浪平臺三級平臺頂部（堤頂路面）處得堤頂越浪量為0.019 m?/（m ·s），此時越浪量相對較小；波列中個別大波能作用到堤頂上方平臺頂部，但水量較少，越浪量較微弱，對后方景觀帶用地、道路用地等作用微弱。

根據 GB/T 51015—2014《海堤工程設計規范》［4］規定，當海堤按允許部分越浪設計時，在確定堤頂高程后，應進行越浪量復核，海堤的越浪量不得大于海堤的允許越浪量。當堤頂三面均有保護，堤頂及背海側均為混凝土保護時，允許越浪量不大于0.05 m?/s。

根據數模流場分析結論及物模結論的驗證，相較斜坡式和陡墻式海堤，選取多級消浪平臺斷面作為堤身結構、堤頂高程取8.50 m 是安全可靠的，該段堤防堤頂三面均有保護，越浪量也滿足規范要求不大于0.05 m?/s 的要求。

2.5實踐應用效果

2.5.1典型規模下的技術方案

多級消浪平臺技術在靈山島的應用中，堤身是由多級消浪平臺組成的階梯型迎水面防浪結構，靈山島北岸防風暴潮生態海堤項目中多級消浪平臺分為三級設計，分別是可作為親水步道的第一級消浪平臺、可作為景觀梯步的第二級消浪平臺和可作為景觀休閑綠道使用的第三級消浪平臺［9］。為了更好地結合景觀布置，在設計中將第三級平臺改為平臺加景觀休閑綠道的布置型式，將第二級平臺優化為景觀步道和活動廣場，第一級平臺用作親水步道，使海岸形成觀景效果良好的濱水景觀帶。

在第一級消浪平臺前設置有堤腳潮間帶，通過拋石、石籠、預制混凝土等剛性材料固腳，種植了多種本土植物，對現有潮間帶濕地植被加以保護，提高了濱水區的生物多樣性。迎水面設置混凝土預制塊擋墻，平臺頂面鋪條石或方磚防止波浪對堤身造成破壞。

多級消浪平臺設置有完善排水系統，通過堤岸的坡度、堤上的排水溝以及地下埋藏的集水井讓越浪海水自然排出。多級消浪平臺迎水坡面朝外海側設置一定的排水坡度和凹槽，排水系統首先對坡面越浪進行外排，對于坡面排水無法排完的越浪，在每級消浪平臺后側的堤身內部設置完善的排水溝井系統，收集后進行內排。靈山島北岸防風暴潮生態海堤項目中多級消浪平臺設計斷面見圖8。

2.5.2應用效益

a）經濟效益。依托該技術的靈山島北岸生態堤防長約3 km，若采用普通堤防的堤頂高程經計算后將達到10.5 m，平均高出堤后規劃地塊2 m，因填方巨大，會顯著增加堤防造價；該工程采用多級消浪平臺技術后，使堤頂高程降低了約2 m，大大減少了堤頂及堤后填方量，避免了建設高大防浪墻而造成的工程浪費。

b）防洪潮效益。工程經受住了臺風“天鴿”“山竹”的考驗（2次臺風對應的風暴潮水位分別為8.14、8.19 m，均高于靈山島北岸200年一遇的設計風暴潮位7.90 m），工程的安然無恙得益于堤身結構設計中采用的先進技術具有良好的抗風暴潮特性，防災減災效果明顯，與本地區其他海岸損毀的嚴重程度相對比，廣州靈山島北岸防風暴潮生態海堤的工程運行及護面結構情況良好。

c）生態效益。多級平臺的設置滿足了景觀空間層次感及觀海視線通透的要求，解決了城市堤圍的觀景視野及生態和諧的問題。

3濱海景觀帶迎水面系統排水技術的研究及應用

3.1技術原理

與傳統海堤相比，生態海堤對景觀性、親水性要求較高，堤頂設計高程較低，多采用允許越浪標準設計。且生態海堤多采用寬度換高度的設計理念，迎水面范圍大，寬度大。當遭遇臺風風暴潮時，越浪水體對海堤迎水坡坡面造成沖刷破壞，并且海浪作用具有周期性，疊加容易造成生態海堤漫頂，危及生態海堤整體安全。故對迎水坡越浪區的越浪水體如何實現快速自排，是生態海堤設計中需要解決的關鍵問題［10-13］。

為了解決海堤迎水面的越浪排水問題，在設計中通過多種排水構筑物聯合作用，實現了迎水坡越浪區的越浪水體自排，提高排水效率，有效降低了海浪周期性作用疊加海堤漫頂的風險，同時通過迎水坡坡面多級排水系統及堤身集水排水系統聯合作用來分散越浪水體，達到了減輕迎水坡坡面沖刷的目的。

3.2技術方案

濱海景觀帶迎水面系統排水結構由迎水坡坡面排水系統和堤身集水排水系統兩部分組成，見圖9。

迎水坡坡面排水系統主要用于實現外水外排，設置有梯級平臺，分別是一級排水平臺、二級排水平臺、三級排水平臺，各級排水平臺逐級抬高，為傾斜外海側的寬緩坡形態。通過設置三級寬緩坡形態的橫向排水平臺，增加了生態海堤迎水坡橫向寬度，海堤逐級抬高，以達到逐級降低波浪強度和波浪爬高、減少越浪量的目的。通過傾斜外海側設置一定坡降，實現越浪水體在重力作用下自流漫坡回退至外海。

堤身集水排水系統主要用于實現內水內排，設置有錐孔騎縫自嵌生態砌塊、碎石盲溝、排水溝、堤身集水井、排水涵管、拍門等結構；錐孔騎縫自嵌生態砌塊設置在二級排水平臺表面，底部設置碎石盲溝，連接堤身集水井。碎石盲溝平行堤軸線縱向通長設置，橫向垂直堤軸線每隔50～100 m 等距設置，碎石盲溝厚度為50～100 cm，將錐孔騎縫自嵌生態砌塊收集的越浪水體導向堤身集水井。

排水溝設置在三級排水平臺邊緣，平行堤軸線通長布置，底部傾斜與堤身集水井相連通。排水溝采用漿砌石、混凝土砌筑，排水溝能夠攔蓄三級排水平臺表面的部分越浪水體，并將越浪水體匯集到堤身集水井。

堤身集水井平行堤軸線等距分布，具有一定容納空間，底部連接排水涵管。堤身集水井平行堤軸線每隔50～100 m等距設置，集水井尺寸根據排水流量計算確定；堤身集水井與碎石盲溝、排水溝連接位置設置開口，并在開口位置設置生態透水砌塊，攔擋水中的碎石、垃圾，防止集水井淤積。

排水涵管傾斜外海側設置一定坡降，出口端設置拍門，具有防止海水倒灌功能。排水涵管與堤身集水井一一對應，沿堤線每隔50～100 m 等距設置，傾斜外海側坡降為3%，拍門需滿足抗海水腐蝕的基本要求。

3.3技術應用

該技術通過在迎水坡設置寬緩坡形態的多級排水平臺，能夠逐步降低波浪強度和波浪爬高，減少越浪量，還能夠將大部分越浪水體通過寬緩坡自流排向外海；對于剩余小部分越浪水體，通過多級排水平臺表面的錐孔騎縫自嵌生態砌塊、排水溝收集后，匯集至堤身埋置的集水井，最終通過排水涵管自流排向外海。該技術及結構實現了迎水坡越浪區的越浪水體自排，提高了排水效率，有利于提升生態海堤防御臺風風暴潮能力。

4應用效益

a）技術。在靈山島北岸防風暴潮生態海堤工程的設計中，采用“多級消浪平臺技術”“濱海景觀帶迎水面系統排水技術”的濱海景觀新型生態海堤，解決了城市防洪和濱海生態海堤親水性在設計上的矛盾，對迎水面海浪采用“通”和“排”的柔性銜接，有效降低縱向堤頂高程，破解了“堤防圍城”的難題，實現了濱海景觀生態海堤的目的。

b）經濟。國內傳統海岸堤防結構不但造成堤防“圍城”的境況，更增加了堤防造價。因多級消浪平臺對堤頂高程進行了降低，用于堤防堆填的堤后填土方量將顯著下降，避免了建設高大防浪墻而造成的工程浪費。

c）管理。在靈山島北岸防風暴潮生態海堤多元化濱海景觀創新技術得到應用后，生態海堤豐富了岸線結構，其設計考慮了城市景觀、休閑和生態等多功能要求，所以在管理上要比單一防洪功能的傳統堤防要復雜，在“名片效益”顯著的同時，需要加強景觀養護和安全管理。

5結語

在靈山島北岸防風暴潮生態海堤工程的設計 中，為解決城市防潮和濱海景觀生態海堤親水性的 矛盾，從技術理念上由傳統單一的防潮海堤向多元 化濱海景觀生態海堤轉變，創新使用了多級消浪平 臺技術和濱海景觀帶迎水面系統排水技術，解決了 消浪與排水的問題。在實踐中提出“橫向換縱向”“外水外排，內水內排”的理念，打破傳統海堤對海 浪的“擋”和“抗”硬對硬模式，采用橫向多級消浪平 臺技術消減越浪，并設置多級排水系統實現越浪自 排，對迎水面海浪采用“通”和“排”的柔性銜接，可 有效降低縱向堤頂高程以破解“堤防圍城”的難題，實現海堤成為濱海生態景觀的目的。

工程結構設計減免了洪水淹沒損失，增加了土地利用價值，減輕了防洪救災的人力、財力、物力負擔，保障了島內安全。工程于2018年12月投入運行，到目前經過數次風暴潮檢驗，證明其達到了預期效果，無論是土建結構、機電設備還是金屬結構，均安全可靠、運行良好。

靈山島北岸防風暴潮生態海堤工程的實踐應用，證明上述技術可廣泛用于構建自然化、生態化、綠植化的新海岸，其技術成果可為嶺南地區的生態建設乃至中國濱海河口地區同類型海堤建設提供經驗和參考。

參考文獻：

［1］國家海洋局.圍填海工程生態建設技術指南（試行）［A］.

［2］季永興，張燎軍，盧永金.基于超越概率的海堤防御標準理論探討［J］.水電能源科學，2011，29（1）：37-39，60.

［3］紀巧玲.允許越浪海堤的環境設計參數確定及越浪流與堤后波況計算［D］.青島：中國海洋大學，2012.

［4］海堤工程設計規范：GB/T 51015—2014［S］.北京：中國計劃出版社，2014.

［5］唐巨山，袁文喜，曾甄.海堤堤頂高程確定中若干問題的探討［J］.水力發電，2008，34（2）：39-42.

［6］河海大學.南沙區風暴潮專題研究及防洪標高論證技術報告［R］.2014.

［7］南京水利科學研究院.蕉門及洪奇門水道泄洪綜合整治及灘涂利用研究［R］.2014.

［8］黃岳文.關于廣州市珠江堤防堤頂超高確定的探討［J］.人民珠江，2004，25（3）：24-25.

［9］中水珠江規劃勘測設計有限公司.廣州市南沙區靈山島尖北段海岸及濱海景觀帶建設工程（一期）初步設計報告［R］.2014.

［10］李麗鳳，劉文愛，蔡雙嬌，等.廣西北海濱海國家濕地公園生態海堤建設模式研究［J］.濕地科學，2019，17（3）：277-285.

［11］NANDASENA N A K，SASAKI Y，TANAKA N. Modeling field observations of the 2011 Great East Japan tsunami ：efficacy of artificial and natural structures on tsunami mitigation［J］. Coastal Engineering，2012，67（3）：1-13.

［12］SELLA I，SHIMRIT P F． Blue is the new green：ecological enhancement of concrete based coastal and marine infrastructure ［J］. Ecological Engineering，2015，84（2）：260-272.

［13］BUGNOT A B，MAYER-PINTO M，JOHNSTON E L，et al. Learning from nature to enhance Blue engineering of marine infrastructure［J］. Ecological Engineering，2018，120（9）：611-621.

（責任編輯：向 飛）