生態(tài)海堤在杭州灣海岸防護中的應(yīng)用

田鵬，隋偉濤，孫鵬，陳海英

（中交上海航道勘察設(shè)計研究院有限公司，上海 200120）

海堤是為防御風暴潮水和波浪對防護區(qū)的危害而修筑的堤防工程[1]。目前，我國沿海地區(qū)已建成海堤約1.45萬km[2]。已建海堤大多采用傳統(tǒng)的物理防護，即人們所謂的鋼筋混凝土或拋石的硬防護，鮮有考慮海岸的生態(tài)功能。為滿足堤防達標建設(shè)需要，海堤堤身越建越高，阻隔了堤后陸地與海洋的能量交換，妨礙人們親海親水的需求，也造成海岸帶生態(tài)系統(tǒng)的破壞。

為貫徹落實《中共中央國務(wù)院關(guān)于加快推進生態(tài)文明建設(shè)的意見》，在海岸帶整治修復(fù)工程中提出了一些新理念，其中“生態(tài)海堤”作為實現(xiàn)海岸防護能力提升和海洋生態(tài)文明建設(shè)的重要舉措在工程中開始應(yīng)用。本文將結(jié)合國內(nèi)外生態(tài)海堤研究和實踐，根據(jù)近期國家自然資源部發(fā)布的相關(guān)文件指南，就杭州灣某海岸防護工程中海堤生態(tài)化建設(shè)進行探討。

1 國內(nèi)外生態(tài)海堤研究和實踐

1.1 國內(nèi)現(xiàn)狀

早在2006年劉琦波等[3]通過對沿海省市海堤建設(shè)現(xiàn)狀分析指出了我國海堤建設(shè)中存在的景觀生態(tài)問題主要有：缺乏景觀性，破壞了海岸的自然形態(tài)，破壞了濕地系統(tǒng)，缺乏沿海防護林體系建設(shè)，缺乏綠地系統(tǒng)規(guī)劃，環(huán)境污染日趨嚴重。2009年劉琦波等[4]在舟山市東港灘涂開發(fā)二期工程中綜合考慮防洪安全、生態(tài)景觀、城市交通和休閑旅游等因素，采用寬平臺海堤結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有堤體低矮、結(jié)構(gòu)安全、景觀好、親水性強、綜合成本低等特點。2012年嚴飛等[5]在上海市的長江吳淞口炮臺灣濕地公園海堤達標工程中提出了充分利用堤前的灘地資源設(shè)置多個生態(tài)島（景觀拋石護面和植物消浪），營造大面積的濕地景觀的同時還消減了堤前波浪，為海堤的生態(tài)化建設(shè)（迎水側(cè)1頤5緩坡+景觀拋石護面+抗風植物種植）提供基礎(chǔ)條件。2013年王文雙等[6]結(jié)合洞頭縣環(huán)島西片圍涂工程對灘涂圍墾海堤空間的景觀設(shè)計原則，海堤設(shè)計要把握的岸堤線平面形態(tài)、斷面形態(tài)進行了探討。2016年阮學成等[7]在長江南京以下12.5 m深水航道整治工程提出了“護灘+保護原有植物，鋪設(shè)生態(tài)排+人工種植水生植物”的設(shè)計方案，對生態(tài)護灘技術(shù)進行了有益的研究與實踐。2017年范航清等[8]提出了集物理、生態(tài)和文化功能于一體的生態(tài)海堤概念，并成功指導(dǎo)廣西防城港市西灣紅沙環(huán)生態(tài)海堤整治創(chuàng)新示范工程一期工程的規(guī)劃和建設(shè)。2018年張瑋等[9]通過對青黃帶的現(xiàn)象研究分析，提出“宜植則植，宜防則防”的指導(dǎo)思想，探討了長江中下游河段不同區(qū)域適宜的生態(tài)護岸形式。

1.2 國外現(xiàn)狀

沙引擎[10]是歐洲應(yīng)用于岸灘保護的典型案例，該項目位于荷蘭海牙市斯海弗寧沙灘和近鹿特丹的霍克·范·浩蘭德之間。2011年3月正式開始施工，首先在代爾夫特高地海岸帶中心處向海側(cè)吹填出長約2 km、寬約1 km的“沙島”，吹填砂量為2 150萬m3。利用波浪、風和流等自然的力量，沙灘逐漸地向兩側(cè)蔓延，經(jīng)過7 a后形成了保護影響區(qū)域已達到6 km的海岸。

一個被稱作“生物海岸線”項目，由美國聯(lián)邦政府批準，耗資6 000萬美元，在斯塔滕島2 km的海岸邊種植牡蠣，形成牡蠣礁，取代原本混凝土結(jié)構(gòu)的防洪堤來防范風暴潮，并利用每只牡蠣可以凈化190升（50加侖）水體的特性，在凈化水質(zhì)的同時為生物提供了棲息地[11]。

目前國內(nèi)生態(tài)海堤的研究和實踐主要集中于海堤的堤身結(jié)構(gòu)，國外在實踐中考慮項目的建設(shè)條件，人工防護與自然相結(jié)合。根據(jù)國內(nèi)外的研究和實踐成果，生態(tài)海堤應(yīng)在優(yōu)先考慮海堤的防潮擋浪功能基礎(chǔ)上，采用人工修復(fù)和自然恢復(fù)相結(jié)合的方法，形成具有抵御海洋自然災(zāi)害的海岸帶生態(tài)防護體系，實現(xiàn)了岸線的自然化、生態(tài)化、綠植化的目標。

2 杭州灣生態(tài)海堤案例

濱海綜合會展中心等圍填海項目位于上海市金山區(qū)，杭州灣北岸灘涂（位置如圖1）。項目范圍為滬杭公路以南、龍泉港出海閘以西、金山城市沙灘以東灘涂，南邊界至規(guī)劃駁岸線，成陸面積約2.6 km2。新建海堤4 820 m，分西側(cè)堤、順堤、東側(cè)堤三段，防潮擋浪標準為重現(xiàn)期200 a高潮位（6.78 m）加12級風下限（風速32.7 m/s）。

圖1 工程位置示意圖Fig.1 The schematic of site location

項目的建設(shè)條件比較惡劣，主要表現(xiàn)在以下方面：1）潮差大，多年平均潮差4.07 m，實測最大潮差6.56 m，重現(xiàn)期200 a高潮位6.78 m（基面為上海吳淞零點，下同）；2）設(shè)計波浪西側(cè)堤1.9~2.3 m（控制浪向S向），順堤3.6~3.9 m（控制浪向SE向），東側(cè)堤1.6~3.6 m（控制浪向E向）；3）漲潮流大于落潮流，漲潮最大流速為1.26耀1.60 m/s；4）順堤沿堤線為6 m等深線，側(cè)堤沿線灘面為-6~+4.0 m；5）堤基淺層為10~20 m的淤泥質(zhì)土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，土體的含水率高、承載力低[12]。

根據(jù)原國家海洋局對工程區(qū)域用海的批復(fù)，圍填海項目區(qū)域功能定位為集生態(tài)觀光、休閑度假、商務(wù)會展和戶外運動為一體的生態(tài)型城市濱海旅游度假區(qū)，因此要求規(guī)劃新形成的岸線充分考慮自然和生態(tài)景觀因素，做到自然化、生態(tài)化和綠植化。開展生態(tài)海堤的專題研究，并在施工階段實施結(jié)構(gòu)預(yù)留。

3 生態(tài)海堤設(shè)計

主要設(shè)計原則為：

1）安全第一。包括了海堤的防汛安全和自身安全。新建海堤為上海市一線海塘，承擔著金山濱海新區(qū)防汛安全，大堤的堤頂高程、堤頂寬度、外側(cè)護面防護等須滿足規(guī)范要求；生態(tài)海堤屬于新結(jié)構(gòu)，要滿足堤身整體穩(wěn)定、沉降變形和滲流穩(wěn)定等要求。

2）因地制宜。結(jié)合當?shù)刈匀毁Y源現(xiàn)狀、水文動力、地形地貌和海洋災(zāi)害等自然條件，必要時分區(qū)分段選用不同的方案。

3）技術(shù)可行。新結(jié)構(gòu)須經(jīng)過試驗驗證，施工方便。

設(shè)計時按原國家海洋局2017年10月印發(fā)的《圍填海工程生態(tài)建設(shè)技術(shù)指南（試行）的通知》[13]中對“生態(tài)化海堤建設(shè)”提出的要求，重點從堤型設(shè)計、建筑材料、海堤生態(tài)帶構(gòu)建等提升新形成岸線的生態(tài)景觀效果。

堤型設(shè)計和筑堤材料在設(shè)計階段均進行了技術(shù)經(jīng)濟性比選。通過對斜坡式、直立式和混合式等3種常用堤型進行比較，斜坡式略有經(jīng)濟優(yōu)勢，考慮斜坡式可緩坡入海，且在坡面上可增加綠化，生態(tài)性更佳，推薦選擇斜坡式堤型。堤身材料選用長江口砂源和附近塊石，向海側(cè)護面在潮間帶和潮下帶區(qū)域采用混凝土塊體和塊石等適宜當?shù)睾Ｓ蛏鷳B(tài)系統(tǒng)的建筑材料，有利于藻類、貝類附著，促進生物多樣性恢復(fù)。海堤生態(tài)帶主要包括新形成岸線的坡面、堤頂和坡腳，以下將重點展開生態(tài)海堤設(shè)計方案。

3.1 海堤生態(tài)帶構(gòu)建

1）堤頂綠植化：在防浪墻內(nèi)側(cè)與路面設(shè)置綠化種植池，種植草皮和矮灌木，并在靠近防浪墻處種植爬山虎，使其攀爬在鋼筋混凝土防浪墻上，長期效果可以將防浪墻覆蓋，防浪墻堤頂綠化見圖2所示。

圖2 防浪墻堤頂綠化Fig.2 The planting on top of parapet

2）背海側(cè)坡面綠植化：內(nèi)坡護面為彩道磚拱肋草皮護坡，即采用預(yù)制彩色道磚形成拱圈防止暴雨沖刷草皮；內(nèi)側(cè)青坎上種植草皮、小灌木，起綠化保土作用。灌木種植選紫穗槐、海桐、單葉蔓等，草皮地被植物選高羊茅、大穗結(jié)縷草、狗牙根等，見圖3。

圖3 內(nèi)坡和內(nèi)側(cè)青坎草皮綠化效果Fig.3 The planting effects on leeward slope and berm

3）向海側(cè)坡面綠植化：由于本項目潮差大、風浪條件惡劣，向海側(cè)坡面綠化種植難度大、維護成本高，因此選擇在受金山城市沙灘潛堤掩護的西側(cè)堤設(shè)置示范段，設(shè)計提出了一種新型生態(tài)護面結(jié)構(gòu)。

3.2 新型生態(tài)護面結(jié)構(gòu)

1）結(jié)構(gòu)設(shè)計

本項目的平均高潮位為3.84 m，歷史最高潮位為6.57 m，汛期1%歷時保證率潮位5.0 m，非汛期1%歷時保證率潮位4.8 m。因此，在堤頂高程滿足防潮擋浪安全的前提下，在6 m平臺以上的向海側(cè)坡面上設(shè)置景觀綠化是合理和可行的，如果遭遇大風浪，允許耕植土和綠化植物有損失，待臺風過后進行維護修復(fù)，但護面結(jié)構(gòu)不允許有破壞。

新型護面采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，由底板、前墻和側(cè)墻組成整體澆筑而成。底板厚度0.4 m；前墻和側(cè)墻厚度均為0.35 m，墻身高度1.4~1.6 m。前墻將上坡面分隔為4個種植池，每個池內(nèi)覆種植土，覆土厚度為0.55~0.95 m。在前墻和側(cè)墻均設(shè)置排水孔，保證池內(nèi)積水可以排出。

新型生態(tài)護面結(jié)構(gòu)圖和斷面圖如圖4、圖5所示。

圖4 新型生態(tài)護面結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The structural schematic of novel ecological revetment

圖5 新型生態(tài)護面斷面圖Fig.5 The cross sectional view of novel ecological revetment

本項目西側(cè)堤示范段向海側(cè)上坡護面采用了柵欄板與新型生態(tài)護面結(jié)構(gòu)間隔布置，即12 m長度為一倉，每兩倉柵欄板布置一倉新型生態(tài)護面。生態(tài)護面內(nèi)種植池覆土后構(gòu)建灌草結(jié)合、多群落交錯的梯度布局，灌木種植選紫穗槐、海桐、單葉蔓等，草皮地被植物選高羊茅、大穗結(jié)縷草、狗牙根等。

2）室內(nèi)物理模型試驗

由于生態(tài)護面為新型結(jié)構(gòu)，沒有相關(guān)規(guī)范可以計算結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和消浪效果，因此須采用室內(nèi)物理模型試驗驗證。

試驗采用正態(tài)模型，按重力相似模型設(shè)計，斷面試驗?zāi)Ｐ捅瘸邽?頤20。驗證試驗條件：波浪要素Hs=2.3 m、T=8.15 s，水位6.78 m，墻頂高程11.0 m，消浪平臺高程6.15~6.30 m，消浪平臺寬度約9 m，護面形式為下坡扭王字塊體上坡生態(tài)護面結(jié)構(gòu)，斜坡坡度m=3.0。試驗采用的不規(guī)則波浪譜為JONSWAP譜。

穩(wěn)定性試驗，無論規(guī)則波或不規(guī)則波，每一波況累計試驗持續(xù)時間不小于原型作用時間3 h，每組試驗中波數(shù)不少于120個，每組試驗重復(fù)至少3次。越浪量采用接水箱稱取水重。

試驗驗證了新型生態(tài)護面結(jié)構(gòu)種植池內(nèi)填土和不填土兩種工況，在12級風波浪作用下斷面各部位滿足穩(wěn)定要求；在重現(xiàn)期200 a高潮位及相應(yīng)不規(guī)則波加風作用下，只有部分水花被吹向堤后，滿足不越浪設(shè)計要求。

3.3 生態(tài)化岸灘建議

海堤堤身生態(tài)化建設(shè)與堤前岸灘灘涂塑造相輔相成，堤前穩(wěn)定的岸灘系統(tǒng)、豐富的植物群落，可以減少風浪對海岸的沖擊，為堤身的生態(tài)化建設(shè)提供有利條件。由于本項目順堤直面外海且堤前灘面低，現(xiàn)階段在堤身上實施綠化維護成本太高，平臺對公眾開放有一定的風險。因此，建議在遠期考慮通過堤前實施丁格壩等促淤保灘工程，在保證后方大堤的安全穩(wěn)定前提下，塑造堤外濕地、營造海洋生物生境、提高海洋生物多樣性，實現(xiàn)公眾親海、海堤外護面的生態(tài)化和綠植化[14]。

4 結(jié)語

1）生態(tài)海堤需結(jié)合當?shù)刈匀毁Y源現(xiàn)狀、水文動力、地形地貌和海洋災(zāi)害等自然條件，在優(yōu)先考慮海堤的防潮擋浪功能基礎(chǔ)上，采用人工修復(fù)和自然恢復(fù)相結(jié)合的方法，形成具有抵御海洋自然災(zāi)害能力的海岸帶生態(tài)防護體系，實現(xiàn)岸線的自然化、生態(tài)化、綠植化的目標。

2）生態(tài)海堤重點從堤型設(shè)計、筑堤材料、海堤生態(tài)帶等方面建設(shè)。海堤生態(tài)帶構(gòu)建應(yīng)綜合考慮生態(tài)、景觀、親水和防災(zāi)減災(zāi)等要素，在新形成岸線的坡面、堤頂和坡腳等實施生態(tài)設(shè)計措施，以達到海堤的防護功能與生態(tài)化建設(shè)協(xié)調(diào)統(tǒng)一，實現(xiàn)人海和諧。

3）海堤堤身生態(tài)化建設(shè)與堤前岸灘灘涂塑造相輔相成，因此生態(tài)海堤建設(shè)時宜統(tǒng)籌考慮。