田鵬，隋偉濤，孫鵬，陳海英

（中交上海航道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200120）

海堤是為防御風(fēng)暴潮水和波浪對(duì)防護(hù)區(qū)的危害而修筑的堤防工程[1]。目前，我國(guó)沿海地區(qū)已建成海堤約1.45萬(wàn)km[2]。已建海堤大多采用傳統(tǒng)的物理防護(hù)，即人們所謂的鋼筋混凝土或拋石的硬防護(hù)，鮮有考慮海岸的生態(tài)功能。為滿(mǎn)足堤防達(dá)標(biāo)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(shí)《中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于加快推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的意見(jiàn)》，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(shí)現(xiàn)海岸防護(hù)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(kāi)始應(yīng)用。本文將結(jié)合國(guó)內(nèi)外生態(tài)海堤研究和實(shí)踐，根據(jù)近期國(guó)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(hù)工程中海堤生態(tài)化建設(shè)進(jìn)行探討。

1 國(guó)內(nèi)外生態(tài)海堤研究和實(shí)踐

1.1 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

早在2006年劉琦波等[3]通過(guò)對(duì)沿海省市海堤建設(shè)現(xiàn)狀分析指出了我國(guó)海堤建設(shè)中存在的景觀生態(tài)問(wèn)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(hù)林體系建設(shè)，缺乏綠地系統(tǒng)規(guī)劃，環(huán)境污染日趨嚴(yán)重。2009年劉琦波等[4]在舟山市東港灘涂開(kāi)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(tái)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(qiáng)、綜合成本低等特點(diǎn)。2012年嚴(yán)飛等[5]在上海市的長(zhǎng)江吳淞口炮臺(tái)灣濕地公園海堤達(dá)標(biāo)工程中提出了充分利用堤前的灘地資源設(shè)置多個(gè)生態(tài)島（景觀拋石護(hù)面和植物消浪），營(yíng)造大面積的濕地景觀的同時(shí)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(hù)面+抗風(fēng)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(duì)灘涂圍墾海堤空間的景觀設(shè)計(jì)原則，海堤設(shè)計(jì)要把握的岸堤線(xiàn)平面形態(tài)、斷面形態(tài)進(jìn)行了探討。2016年阮學(xué)成等[7]在長(zhǎng)江南京以下12.5 m深水航道整治工程提出了“護(hù)灘+保護(hù)原有植物，鋪設(shè)生態(tài)排+人工種植水生植物”的設(shè)計(jì)方案，對(duì)生態(tài)護(hù)灘技術(shù)進(jìn)行了有益的研究與實(shí)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(guò)對(duì)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(zhǎng)江中下游河段不同區(qū)域適宜的生態(tài)護(hù)岸形式。

1.2 國(guó)外現(xiàn)狀

沙引擎[10]是歐洲應(yīng)用于岸灘保護(hù)的典型案例，該項(xiàng)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(kāi)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(zhǎng)約2 km、寬約1 km的“沙島”，吹填砂量為2 150萬(wàn)m3。利用波浪、風(fēng)和流等自然的力量，沙灘逐漸地向兩側(cè)蔓延，經(jīng)過(guò)7 a后形成了保護(hù)影響區(qū)域已達(dá)到6 km的海岸。

一個(gè)被稱(chēng)作“生物海岸線(xiàn)”項(xiàng)目，由美國(guó)聯(lián)邦政府批準(zhǔn)，耗資6 000萬(wàn)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(lái)防范風(fēng)暴潮，并利用每只牡蠣可以?xún)艋?90升（50加侖）水體的特性，在凈化水質(zhì)的同時(shí)為生物提供了棲息地[11]。

目前國(guó)內(nèi)生態(tài)海堤的研究和實(shí)踐主要集中于海堤的堤身結(jié)構(gòu)，國(guó)外在實(shí)踐中考慮項(xiàng)目的建設(shè)條件，人工防護(hù)與自然相結(jié)合。根據(jù)國(guó)內(nèi)外的研究和實(shí)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(hù)體系，實(shí)現(xiàn)了岸線(xiàn)的自然化、生態(tài)化、綠植化的目標(biāo)。

2 杭州灣生態(tài)海堤案例

濱海綜合會(huì)展中心等圍填海項(xiàng)目位于上海市金山區(qū)，杭州灣北岸灘涂（位置如圖1）。項(xiàng)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(xiàn)，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(biāo)準(zhǔn)為重現(xiàn)期200 a高潮位（6.78 m）加12級(jí)風(fēng)下限（風(fēng)速32.7 m/s）。

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

項(xiàng)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(shí)測(cè)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(diǎn)，下同）；2）設(shè)計(jì)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(xiàn)為6 m等深線(xiàn)，側(cè)堤沿線(xiàn)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(guó)家海洋局對(duì)工程區(qū)域用海的批復(fù)，圍填海項(xiàng)目區(qū)域功能定位為集生態(tài)觀光、休閑度假、商務(wù)會(huì)展和戶(hù)外運(yùn)動(dòng)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(xiàn)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(kāi)展生態(tài)海堤的專(zhuān)題研究，并在施工階段實(shí)施結(jié)構(gòu)預(yù)留。

3 生態(tài)海堤設(shè)計(jì)

主要設(shè)計(jì)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(xiàn)海塘，承擔(dān)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(hù)面防護(hù)等須滿(mǎn)足規(guī)范要求；生態(tài)海堤屬于新結(jié)構(gòu)，要滿(mǎn)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(dāng)?shù)刈匀毁Y源現(xiàn)狀、水文動(dòng)力、地形地貌和海洋災(zāi)害等自然條件，必要時(shí)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(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，施工方便。

設(shè)計(jì)時(shí)按原國(guó)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(duì)“生態(tài)化海堤建設(shè)”提出的要求，重點(diǎn)從堤型設(shè)計(jì)、建筑材料、海堤生態(tài)帶構(gòu)建等提升新形成岸線(xiàn)的生態(tài)景觀效果。

堤型設(shè)計(jì)和筑堤材料在設(shè)計(jì)階段均進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比選。通過(guò)對(duì)斜坡式、直立式和混合式等3種常用堤型進(jìn)行比較，斜坡式略有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，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(zhǎng)江口砂源和附近塊石，向海側(cè)護(hù)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(dāng)?shù)睾Ｓ蛏鷳B(tài)系統(tǒng)的建筑材料，有利于藻類(lèi)、貝類(lèi)附著，促進(jìn)生物多樣性恢復(fù)。海堤生態(tài)帶主要包括新形成岸線(xiàn)的坡面、堤頂和坡腳，以下將重點(diǎn)展開(kāi)生態(tài)海堤設(shè)計(jì)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(zhǎng)期效果可以將防浪墻覆蓋，防浪墻堤頂綠化見(jiàn)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(hù)面為彩道磚拱肋草皮護(hù)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(jiàn)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(xiàng)目潮差大、風(fēng)浪條件惡劣，向海側(cè)坡面綠化種植難度大、維護(hù)成本高，因此選擇在受金山城市沙灘潛堤掩護(hù)的西側(cè)堤設(shè)置示范段，設(shè)計(jì)提出了一種新型生態(tài)護(hù)面結(jié)構(gòu)。

3.2 新型生態(tài)護(hù)面結(jié)構(gòu)

1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)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(shí)保證率潮位5.0 m，非汛期1%歷時(shí)保證率潮位4.8 m。因此，在堤頂高程滿(mǎn)足防潮擋浪安全的前提下，在6 m平臺(tái)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(fēng)浪，允許耕植土和綠化植物有損失，待臺(tái)風(fēng)過(guò)后進(jìn)行維護(hù)修復(fù)，但護(hù)面結(jié)構(gòu)不允許有破壞。

新型護(hù)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(gè)種植池，每個(gè)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(hù)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(hù)面結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The structural schematic of novel ecological revetment

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

本項(xiàng)目西側(cè)堤示范段向海側(cè)上坡護(hù)面采用了柵欄板與新型生態(tài)護(hù)面結(jié)構(gòu)間隔布置，即12 m長(zhǎng)度為一倉(cāng)，每?jī)蓚}(cāng)柵欄板布置一倉(cāng)新型生態(tài)護(hù)面。生態(tài)護(hù)面內(nèi)種植池覆土后構(gòu)建灌草結(jié)合、多群落交錯(cuò)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(yàn)

由于生態(tài)護(hù)面為新型結(jié)構(gòu)，沒(méi)有相關(guān)規(guī)范可以計(jì)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(yàn)驗(yàn)證。

試驗(yàn)采用正態(tài)模型，按重力相似模型設(shè)計(jì)，斷面試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅瘸邽?頤20。驗(yàn)證試驗(yàn)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(tái)高程6.15~6.30 m，消浪平臺(tái)寬度約9 m，護(hù)面形式為下坡扭王字塊體上坡生態(tài)護(hù)面結(jié)構(gòu)，斜坡坡度m=3.0。試驗(yàn)采用的不規(guī)則波浪譜為JONSWAP譜。

穩(wěn)定性試驗(yàn)，無(wú)論規(guī)則波或不規(guī)則波，每一波況累計(jì)試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間不小于原型作用時(shí)間3 h，每組試驗(yàn)中波數(shù)不少于120個(gè)，每組試驗(yàn)重復(fù)至少3次。越浪量采用接水箱稱(chēng)取水重。

試驗(yàn)驗(yàn)證了新型生態(tài)護(hù)面結(jié)構(gòu)種植池內(nèi)填土和不填土兩種工況，在12級(jí)風(fēng)波浪作用下斷面各部位滿(mǎn)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(fēng)作用下，只有部分水花被吹向堤后，滿(mǎn)足不越浪設(shè)計(jì)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(fēng)浪對(duì)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(xiàng)目順堤直面外海且堤前灘面低，現(xiàn)階段在堤身上實(shí)施綠化維護(hù)成本太高，平臺(tái)對(duì)公眾開(kāi)放有一定的風(fēng)險(xiǎn)。因此，建議在遠(yuǎn)期考慮通過(guò)堤前實(shí)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(yíng)造海洋生物生境、提高海洋生物多樣性，實(shí)現(xiàn)公眾親海、海堤外護(hù)面的生態(tài)化和綠植化[14]。

4 結(jié)語(yǔ)

1）生態(tài)海堤需結(jié)合當(dāng)?shù)刈匀毁Y源現(xiàn)狀、水文動(dòng)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(hù)體系，實(shí)現(xiàn)岸線(xiàn)的自然化、生態(tài)化、綠植化的目標(biāo)。

2）生態(tài)海堤重點(diǎn)從堤型設(shè)計(jì)、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(xiàn)的坡面、堤頂和坡腳等實(shí)施生態(tài)設(shè)計(jì)措施，以達(dá)到海堤的防護(hù)功能與生態(tài)化建設(shè)協(xié)調(diào)統(tǒng)一，實(shí)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(shí)宜統(tǒng)籌考慮。