低成本的海堤迎潮面护面结构生态化改造方法探讨

陈振华，臧振涛，许 沿

（1.浙江省钱塘江管理局勘测设计院水院分院，浙江 杭州 310018；2.浙江水院勘测设计研究有限公司，浙江 杭州 310018；3.杭州河口水利科技有限公司，浙江 杭州 310012）

1 问题的提出

河口、海岸地区的海堤，也称海塘或海挡，根据设防标准下波浪动力等工程条件的不同，迎潮面一般采用混凝土、混凝土灌砌块石等刚性护面结构，或部分采用四脚空心块、栅栏板、扭王字块、抛理大块石、插砌条石等柔性护面结构。传统的海堤往往功能单一，一定程度上影响了海岸原有动植物群落，中断了陆海过渡带的生物通道和生态缓冲带，降低了生物多样性[1-2]，随着人们对于海岸生态环境保护意识的增强，海堤作为一种人工建筑物，生态化或近生态化必然成为未来发展趋势[3]。国家发展与改革委员会2017 年制定的《全国海堤建设方案》提出“注重沿海地区生态环境保护…使海堤工程与沿海生态保护相协调”，2018 年10 月习近平总书记在中央财经委员会第三次会议上提出“实施海岸带保护修复工程，建设生态海堤，提升抵御台风暴潮等海洋灾害能力”，为我国海堤工程建设指明了新的方向。

20 世纪70 — 80 年代，国外学者逐渐认识到应将生态要素纳入海堤工程建设中，海岸应构建更宽的缓冲带和新的生境[4-6]；欧盟1999 年发布了《欧洲海岸带环境行为守则》，明确海堤工程建设应使用天然环保材料，并为滨海湿地留出足够空间；美国陆军工程师团于2002 年发布了《海岸工程手册》，强调海堤建设应保护并修复当地物种的栖息地。在欧美、日本、港台地区，海堤迎潮面护面结构材料大比例地使用单边尺寸接近或超过1 m 的立方体状巨型块石或混凝土预制异型块体。

我国最早于20 世纪70 年代末开始研究采用生物措施进行堤前保滩的研究（张宏漠，1987 年）[5]，但对海堤堤身生态化建设的研究较少。季子修（1996 年）[6]提出综合采取护坡与保滩相结合、工程措施与生物措施相结合等综合防护对策是海堤建设的方向；严飞（2012 年）[7]总结建成于2007 年的上海长江口炮台湾湿地公园生态海堤的设计思路与建设成效，堤脚外采用大小生态岛+人工水系营造11 万m2湿地，生态岛与海堤外坡采用1:5 缓坡的块石护面，安全度过4 个年度的台风期；蔡奉祥（2017 年）[8]报道在广东汕头一海堤开展的覆绿试验成果，四脚空心块空隙适合采用植生袋辅助马鞍藤插扦方式繁殖覆绿，但该方法致使四脚空心块基本失去消浪功能；范航清（2017 年）[9]总结广西防城港西湾红沙环生态海堤的设计与建设经验，海堤护坡全面绿植，部分岸段缓坡入海，坡脚外增建用于营造红树林的潜坝，该海堤成功经受正面登陆的2014 年强台风“威马逊”的考验，并指出生态海堤虽然建造成本比传统海堤高出50% ～ 100%，且涉及跨学科合作，适合于经济发达地区对人文与生态景观有需求的海岸。

国家海洋局于2017 年颁布《围填海工程生态建设技术指南（试行）》[10]，规定“生态化海堤”堤型设计应在保障防洪潮安全的前提下尽可能缓坡入海，迎海侧应采用生态混凝土和当地块石等建筑材料；中国海洋工程咨询协会于2020 年1 月颁布《围填海工程海堤生态化建设标准》[11]，推荐堤身断面优选型式为斜坡式，护面材料的选取顺序为生物类、天然石料类、人工块体类，规定迎海侧护坡空隙率不低于40%（天然块石干砌或植被护面时不考虑此指标），迎海侧采用植物、天然块石、多孔隙混凝土人工块体（与“生态混凝土”不同）的生态材料护面表面积占比不低于30%。

从前人研究进展与我国现有标准来看，目前人们对既有海堤迎潮面护面结构生态化标准的认识不尽统一，生态化改造设计方法不够明确，文献11 对迎海侧护坡“空隙率不低于40%”与“生态材料护面表面积占比不低于30%”的规定存在矛盾，且“生态材料护面表面积占比不低于30%”的标准偏低（按此标准，现有浙东一线海塘基本上已经满足，无需改造）。为此，自2016 年开始从海堤迎潮侧护面结构的生态化改造角度开展相应研究，提出若干低成本的生态化改造方法和相关技术指标，本文进行回顾总结，以供类似工程借鉴。

2 迎潮侧护面结构受力分析

2.1 力学模型

将伸缩缝为边界的单幅刚性护面或块状的柔性护面块体视为单块块体，考虑块体之间的摩擦力和嵌卡力，并假定块体为规则的长方体、中间无孔，嵌卡力与块体厚度成正比，则在波浪水流作用下的受力简图（见图1），块体临界稳定平衡方程[12-13]如下：

图1 块体受力简图

式中：W′为块体浮重（kN）；Fμ为块体间的摩擦力（kN）；Ft为块体间的嵌卡力（kN）；Fn为法向的波浪产生的合力（kN）；γ′ 为块体浮容重（kN/m3）；S为块体上表面积（m2）；t为块体厚度（m）；ft为单位块体厚度上的嵌卡合力（kN/m）；fn为单位面积上的波浪力（kN/m2）；α为护面与水平面之间的夹角（°）；μ为块体间的摩擦系数（无量纲）。

2.2 受力特点及破坏机理

由力学模型可知，波浪力是影响海堤迎潮面护面结构稳定的最大的外力，以浙东沿海为例，台汛大潮期间护面结构受到的波浪力一般为30 ～ 80 kN/m2（即波压30 ～ 80 kPa），强台风期间则会高达80 ～ 120 kN/m2，地处深水且无限风区的海堤还会更大。

单块护面结构体受到的力存在下列特点：①波浪力的作用位置、作用方向不固定，这是因为波浪力在波峰时为波压力、在波谷时为波吸力，且因波浪到达坡面时基本已破碎，波浪水流有时会以各种可能方向的、能量集中的“射流”作用在护面结构上；②块体间摩擦力与嵌卡力的大小与方向也不固定，这与波浪力不固定相对应。

分析力学平衡公式并结合工程实际，表面尺寸小于或略大于厚度的块体护面结构主要破坏形式可以分为“翻动型”与“坍落型”[13]，相应机理为：①“翻动型”，个别薄弱部位的块体在法向向上合力大于法向向下合力的情况下发生向坡外“跳脱”现象，继而在相邻块体“跳脱”或块体受力不均匀时发生“侧翻”或“平移”或“滚动”的现象，翻动破坏时堤芯料暴露；②“坍落型”，当堤身不均匀沉降超过护面自身变形能力、护面结构下部土石料流失引起部分护面结构脱空时，护面在自重作用下或在波压力、波浪射流冲击下下沉坍落。表面尺寸明显大于厚度的护面结构还有另一种破坏型式“击碎型”，发生于护面结构抗剪、抗折性能不足以抵抗波浪力特别是集中射流的偏心冲击的情况下。

另外，单块护面块体间的缝隙，受波浪进出渗流、射流的作用，水流集中、流速较大，直径小于缝隙宽度的小颗粒料进出较为频繁。

综上分析，海堤迎潮面护面结构生态化改造时，应充分考虑结构的受力特点，避免一味追求生态化功能而削弱结构的安全性。迎潮面护面结构生态化改造除了尽量“就地取材”外必然要求结构体“透”（透空），而透空性能高的材料难以成为一种防护面积较大的“刚性结构”，必然要求具备一定的柔性（“柔”），然而既“透”又“柔”的材料最大的弱点就是难以单个个体抵抗作用力位置与方向都不定的台风暴浪，所以，采取措施尽量发挥块体间的嵌卡力（Ft）是提高生态化护面结构抗风浪能力的关键途径。总之，护面结构生态化改造应以“透空消能（透）、柔性吸能（柔）、嵌卡借能（卡）”及“就地取材”为设计理念。

3 既有海堤常见护面结构型式及其生态性

3.1 刚性护面结构

常见的刚性护面结构包括：混凝土面板、钢筋混凝土面板、混凝土灌砌块石护面、埋石混凝土护面、砂浆砌块（条）石护面等。该类护面结构除少量排水孔、板间伸缩缝外，基本不透水且表面光滑，护面结构内外的水、气、土基本被隔绝，中断陆海过渡带的生物通道，附着型海洋生物、蟹或贝类较为少见，对海岸生态环境的影响明显。

3.2 柔性护面结构

常见的柔性护面结构包括2 类：一类由人工预制的混凝土材料修筑而成，如四脚空心块、栅栏板、扭王字块、扭工字块、螺母块、四脚锥体、混凝土方块，其中以前3种最为常用，一般统称为异形消浪块体或异型块体；根据文献11 的计算方法，最常见的异型消浪块体的空隙率计算结果见表1。根据文献11 第6.2.1.4 的规定，异型消浪块体空隙率较大，属“多孔隙混凝土预制件”，可列为“生态材料”。另一类由天然的或经解小、切凿等加工后的石料修筑而成，如散抛块石、抛理大块石、干砌块石、插砌条石等。目前此类结构所用材料，均被视为“生态材料”。但此类结构抵抗风浪能力与块石材料的大小、形状、平整度、砌筑方式有关，且由于个体差异明显，易由个别薄弱块体的失稳而导致整个护面的失稳，整体性不如刚性护面结构和异型块体护面结构。

柔性护面空隙率大、表面粗糙，附着型海洋生物、蟹或贝类较为多见，对生态环境影响小。

表1 常见护面块体空隙率计算结果表

4 刚性护面结构生态化改造

刚性护面结构生态化改造的方法有：①拆除后换成满足同等设计标准的柔性护面结构；②拆除后换成具有一定空隙率的生态混凝土护面；③在利用原护面的基础上增建柔性护面结构，原护面通过钻孔或切割、凿裂等方式增加空隙率、放缓坡度后作为垫层。

生态混凝土，是指存在一定空隙率（10% ～ 20%）、无细骨料、具有一定抗压抗折性能的混凝土，单方造价比普通混凝土高20% ～ 30%，目前在内河堤防护坡中已有较多应用，但罕见应用于海堤工程的案例报道。一般情况下，由于大量空隙的存在可以起到减压作用，相同抗压抗折性能的护面板，生态混凝土抵抗风浪能力比常规混凝土略强，但由于生态混凝土中孔隙直径较小，经多年运行后，孔隙容易被淤泥、杂质、海洋附着生物所填塞，因此，实际应用时可参考常规混凝土面板设计方法进行面板厚度的设计，或通过断面波浪物理模型试验进行厚度优化。

上述3 种方法中，第3 种方法充分利用了原有护面材料、成本最低（约节省50 元/m2以上）、对环境负面影响最小。因此，低成本的刚性护面结构生态化改造方法推荐采用“原护面增加空隙率+增建柔性护面结构”。

5 柔性护面结构提高设防标准的生态化改造

柔性护面结构本身基本满足生态要求，本文仅讨论海堤护面结构提高设防标准时的生态化改造方法。

5.1 针对砌石（块石）类护面结构

针对砌石（块石）类护面结构的提高设防标准改造，改造方案一般为：①拆除后换成刚性护面结构；②不拆除，增建异型消浪块体护面，原砌石类结构作为异型块体的垫层。方案①不符合生态理念，方案②改造成本显然很高。为此，提出低成本的其它非常规改造方法：

（1）方法1（规整巨石）：拆除后换成满足更高设计标准的砌石类柔性护面结构，比如将原块石更换为单边尺寸特别是厚度更大（接近或大于1 m）、更规整、更接近立方体形状的巨石料，原块石作为巨石护面的垫层，称为“规整巨石护面”（见图2）；一般来说，爆破后能形成规整的、尺寸较大且接近立方体形状巨石的常见岩体为花岗岩或节理间距大、软化系数高且非爆破开采的凝灰岩、沉积岩，为获得此类石料，可结合地质条件合适地区的“地下蓄水洞库”“水库扩容”等工程建设，将开采的巨石用于海堤护面；无规整巨石料源时，还可考虑采用高标号混凝土将数块原护面块石胶结成类似规整巨石的空隙率可达30% ～40%的“仿巨石”[14]。此类护面结构成本为异型块体护面的 30% ～ 50%。

图2 “规整巨石”护面结构实例图

（2）方法2（半灌混凝土块石）：不拆除或坡度减缓（原护面材料不变），块石紧靠砌筑，部分块石厚度不满足设计要求时可以侧砌或竖砌，并在1/2 左右块石缝隙之间灌注1/2 结构厚度的高强度混凝土，形成一种“半灌混凝土块石”护面结构[15]，以“透空消能、柔度吸能、嵌卡借能”（简称“透、柔、卡”）的技术思想，通过利用10% ～ 20%的混凝土（混凝土占护面结构体积的比例）作为块体间的“嵌卡体”，保留约1/2 的缝隙作为透水孔，在保证块体护面结构具有较好的透水性、消浪性能的同时，增加块体间的嵌卡力、提高块体护面的单体稳定性和整体稳定性。该结构是一种半刚性结构，与常规混凝土灌砌块石主要有4 大区别：①砌筑工艺不同（紧靠砌筑、不再人为留出灌混凝土的宽缝，且允许侧砌与竖砌以增加砌筑厚度）；②混凝土灌注量很少（1/2 左右缝隙不灌，灌注厚度也只在块石设计厚度的1/2 左右，比常规灌砌块石节省混凝土用量60% ～80%）；③具有10% ～ 15%透空率（垂直于坡面的空隙而言）、30% ～ 40%的空隙率；④灌缝混凝土不仅将块石胶接成一个整体，还起到嵌卡作用，混凝土采用高标号。为减少混凝土流淌对空隙率的影响，还可采用可降解生态袋装混凝土塞填缝隙，或灌注前先用小生态袋灌混凝土堵在灌注位置的两侧、确保拟保留的空隙不被流淌的混凝土覆盖[16]。该方法在平阳西湾围垦一期工程中得到了成功应用[17]，图3 为半灌混凝土改造区与常规抛理块石区在经历2017 年台风“泰利”时的对比（实测波高1.70 m），此后在多例围垦工程中推广应用。上述改造方法单位面积成本约120 元/m2，约为异型块体护面成本的20%。

图3 台风侵袭后“半灌混凝土改造区”与常规抛理块石区比较图

（3）方法3：不拆除，在堤脚外增建一道类似于桩式防波堤的特殊构造的消浪墙，消浪墙顶与老海堤堤顶增建较宽的框架式观景平台（一般可达20 ～ 60 m），以增加景观性、亲海性，该结构与常见的框架式海塘的区别在于，最外一道由普通的“桩”改为具有消浪功能的“桩式消浪墙”；消浪墙消减波浪，可使原护面结构仍能承受消减后的波浪动力[18]，此时的老堤堤顶因波浪爬高的降低而基本不加高。

上述3 种非常规方法，均充分利用现有护面材料，符合生态理念。相对而言，方法3 改造成本相对较高、适合征地成本高的城区段海堤。因此，低成本的砌石类柔性护面结构生态化改造方法首推方法1 或方法2。

5.2 针对异型消浪块体类护面结构

针对异型消浪块体类护面结构的提高设防标准改造，技术人员往往废弃原异型块体而拆建成抗风浪能力更强的异型消浪块体，这样不仅大幅增加工程投资也造成不必要的资源浪费，并且不符合生态理念。关于如何充分利用原有异型块体、低成本地提高海堤迎潮面护面结构的设防标准，提出2 种非常规改造方法：

（1）方法1：不拆除，在相邻的四脚空心块、栅栏板之间，增建一道“高强弹性嵌卡块”，以大幅提高块体间在风浪作用下的“嵌卡”能力，也即大幅提高块体间相互协同抵抗风浪的能力[19]，同样体现了“柔、透、卡”的技术思想；四脚空心块的凸脚采取“削角”处理，以避免因堤身不均匀沉降或风浪作用下块体间挤撞等原因引起的凸脚掉脚、块体断裂现象[20]，削角后块体空隙率相应提高约3%。该方案的造价不到更换新的异型块体方案的20%；

（2）方法2：不拆除，在堤脚外增建一道类似于桩式防波堤的特殊消浪墙，消浪墙顶与老海堤堤顶增建框架式观景平台（同5.1 节方法3）；消浪墙消减波浪，使得原护面结构仍能承受消减后的波浪动力，详见文献18，不考虑征地时，造价略超更换新的异型块体的方案。

显然，方法1 改造成本明显低，因此，低成本的异型块体类柔性护面结构生态化改造方法首先推荐采用“嵌卡四脚块（栅栏板）”，方法2 适合征地成本高的城区段海堤。

5.3 增加迎海侧绿植覆盖率与改善岸线平面形状的措施

增加绿植与改善岸线平面形状是海堤生态化的需求之一。由于迎海侧坡面特殊的波浪动力条件，常规的绿植手段不可行，而文献8 记述广东汕头在异型块体空隙间填塞植生袋覆绿的试验将使异型块体失去消浪功能，不宜推广，因此，增加绿植需要采取特殊的措施。现状海堤形成的岸线基本上都是直线，改变了原自然岸线的生境，需要采取一定的措施尽量进行恢复。可行的思路有2 个：①结合堤顶宽度特别宽的“超级堤”设计，在设计潮位以上或大潮平均高潮位 ～ 1 a 一遇高潮位以上，设置超宽的带弧状平面设计的宽顶平台，既作为消浪平台、大幅降低堤顶高程（原海堤即使沉降明显，也基本不用加高），又作为绿植覆盖率高的观景平台，台风警报期再行封闭（禁止防汛无关的人和车辆的通行），平台可种植一些根系深、耐咸水短时浸没的绿色植物；②在堤脚镇压层外增建低矮丁顺潜坝，通过潜坝促淤作用，改善中潮位以下岸线的平面形状、改善镇压层一带的生境，为种植红树林、芦苇等护滩植物提供条件，从而增加绿植覆盖率。另外，通过潜坝与消浪植物的消浪作用，还可以有效降低堤身高度，从而减缓外坡综合坡比、增加亲海性。

考虑到“促淤潜坝”建成后需经多年淤积方可开展防浪植物种植和用海审批的时间，建议，防浪植物种植或潜坝、防浪植物种植作为二期工程实施。

6 关于相关技术指标的讨论

文献11 规定了迎海侧护坡“空隙率不低于40%”和“生态材料护面表面积占比不低于30%”2 项指标。两者存在矛盾且2 项指标均不尽合理，因为，既然规定护坡空隙率不低于40%，那么护坡的材料必须都采用超多孔隙的“生态材料”，此时的护坡生态材料护面表面积占比已经是100%，而不是30%，在实际工程中很难做到，且空隙率不低于40%的可用于海堤迎潮面护坡的生态材料基本只能采用异型块体。建议护面结构生态化指标主要以“生态材料护面占比”“迎潮面综合坡比”进行控制，“生态材料空隙率”“绿植覆盖率”“曲线岸段占比”可视各地实际情况进行控制，具体如下。

6.1 生态材料空隙率

为抵御台风暴潮的侵袭，迎潮侧护坡转角等一些波能易集中的位置，不得不采用刚性材料。另外，条石类护坡、生态混凝土护坡的空隙率一般在10% ～ 20%，非条石的块石类护坡、除四脚块外异型块体护坡的空隙率一般在30% ～ 40%。因此，要求所有迎海侧护坡“空隙率不低于40%”显然偏严。建议此项指标只限于“部分护坡”，并与生态材料占比一起进行规定。

6.2 生态材料占比

以浙东海塘（即“海堤”）现状情况来看，迎潮面较多地采用多孔隙的四脚空心块、扭王块等异型块体，宽度较大的镇压平台大多采用抛理块石，经初步测算，迎潮面采用生态材料的护面表面积占比基本上都不低于30%，有的都已达到50%以上，但这些海堤采用硬质的、白化的、无孔隙的混凝土材料占比过高、外观看上去生硬，不太符合生态化海堤的理念。因此认为“生态材料的护面表面积占比不低于30%”的指标要求过低、规定过于简单。

建议此项指标与生态材料的空隙率指标结合，根据常见生态材料空隙率情况，建议规定：“空隙率大于20%”的生态材料护面表面积占比不低于80%，“空隙率大于40%”的生态材料护面表面积占比不低于30%”。

6.3 迎潮面综合坡比

放缓坡比能改善迎潮面护面结构的生境，改善亲海性，根据近年来浙东新建海塘综合坡比接近甚至缓过1:5 的工程经验，建议生态海堤的综合坡比按“不宜陡于1:5”控制，对于原堤为直立式的位于城区等场地条件确实有限的堤段，经过论证后则至少按不陡于1:3 控制。

6.4 迎潮面绿植覆盖率

对于绿植覆盖率，迎海侧的坡面常年经受波浪冲击、原则上不作要求；高程接近堤顶的消浪平台和促淤顺坝以内至镇压层段，考虑到宽度较大（接近或超过20 m），建议按“不低于30%”控制，以便明显改善生态环境。

6.5 曲线岸段占比

“直线”状的岸线不利于岸滩多样化的生境形成，为尽量多地改造成自然的曲线，建议以每1 km 为评价岸段，曲线岸段占比不低于30%（通过在迎海侧增建景观盘头等措施，这一指标容易达到）。

7 结 语

（1）既有海堤迎潮面常见护面结构的生态化改造应以“透、柔、卡”及“就地取材”为设计理念，重点从“放缓坡度”“增加护面空隙率”2 个方面改善生态环境，其次考虑“增加绿植覆盖率”“增加曲线岸段占比”；

（2）低成本的刚性护面结构生态化改造方法推荐采用“原护面增加空隙率+增建柔性护面结构”；“增建柔性护面结构”则首先推荐“规整巨石”（推荐花岗岩材质或节理间距大、软化系数高且非爆开采的凝灰岩、沉积岩，石材缺乏时可结合地下蓄水洞库、水库扩容建设），其次推荐异型消浪块体；

（3）低成本的柔性护面结构生态化改造方法首先推荐采用基本不拆除原有护面结构的“规整巨石”“半灌混凝土块石”“嵌卡削角四脚空心块（嵌卡栅栏板）”，在其它方案需要新征土地且征地成本高的城区则推荐“架空式消浪观景平台”（即常规框架式海堤的最外一排“桩”改为“桩式消浪墙”）；

（4）护面结构生态化指标主要以“综合坡比不宜陡于1:5，场地条件受限时不陡于1:3”和“空隙率大于20%、40%的生态材料护面的表面积占比分别不低于80%、30%”进行控制；

（5）为增加迎海侧绿植覆盖率和改善岸线平面形态，可采取在设计潮位附近设置超宽弧形消浪观景平台和在堤脚镇压层外增建丁顺潜坝等措施，指标则按“高程接近堤顶的消浪平台和促淤顺坝以内至镇压层段不低于30%”“曲线岸段占比不低于30%”控制；

（6）考虑到本文推荐的改造方法应用案例不多，各地在“海塘安澜”等实际工程应用时宜先实施试验段，总结经验后推广应用，考虑到“潜坝”建成后需经多年淤积方可开展防浪植物种植和用海审批的时间，建议“防浪植物种植”或“潜坝+防浪植物种植”作为二期工程实施。