“多功能生态海堤构架体系”技术应用实践

陈俊昂，王 帅，钟 兴，熊江玮

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广东 广州 510635)

1 概述

中国大陆岸线超过1.8万km，海堤的建设使海岸带防灾减灾能力得到很大提升，但基于防灾减灾单一功能建设的海堤一般存在工程化、界面生硬等问题，对海陆过渡带的动植物群落生境、生态廊道和生态缓冲带造成不利影响。随着社会对生态环境的重视，近年来我国已开展了生态海堤技术研究和实践，如《围填海工程海堤生态化建设标准》(T/CAOE1—2020)[1]、范航清[2-3]等，一般通过减缓边坡，滩涂植绿与消浪[4]，营造生境和提高表面粗糙程度等技术手段实现，但众多的技术手段如何在海堤空间载体实现融合，尚有广阔的技术创新空间。国家重点研发计划水资源高效开发利用专项项目(2016YFC0402607)研发成果之一“多功能生态海堤构架体系”[5]技术，实现了防潮减灾、生态服务、景观营造、游憩构建等复合功能的系统融合，符合当前生态文明建设需求，为可推广的生态海堤技术之一，本文基于该新技术，结合实践案例分析与介绍，为生态海堤建设提供可借鉴的技术解决方案。

2 新技术原理与核心摘要

“多功能生态海堤架构体系”技术包括分带设防、堤顶后置，二道防浪系统，蓄浪平台，断面标高体系等创新要素组成，该技术原理与核心创新点如下。

1)分区设防：在确保海堤自身结构安全的前提下，根据景观带受损可承受的风险，确定景观带各分区的设防标准，利于形成富有层次的、开放的、亲水的滨水空间。

2)二道防浪：设置一道略高于设计潮位的防浪结构，风浪经此道防浪结构的消减，越浪水流由于惯性继续前流冲往第二道防浪结构时，其爬高将明显降低。若第一道防浪结构距离第二道防浪结构较远，也可出现越浪前流时因沿程损失而无法到达第二道防浪结构。因此，若采用二道防浪，将可明显降低堤顶标高。

3)蓄浪空间：由于风浪的第一道防浪结构越浪水体无法越过第二道防浪结构，第一道防浪结构的越浪水体将暂蓄于与第二道防浪结构之间的区域，使二道防浪结构之间的形成蓄浪空间。考虑到风浪的不连续性，若蓄浪空间标高高于设计潮位，暂蓄于蓄浪空间中的越浪，将能够利用风浪的间断时间，通过排水设施自排回海域中，避免越浪流入堤后城市排水系统，可减少城市排水系统的排水量。

4)断面标高体系：多功能生态海堤断面中，为达到或形成分带设防、堤顶后置，二道防浪系统，蓄浪平台的架构特征，各部位标高的选取均有考究，按从低到高的次序，标高体系包括特征标高，其取值应进行研究(见图1所示)。

图1 多功能生态海堤构架体系技术剖面示意

3 应用实践

3.1 项目概况

南沙新区灵山岛尖南段海岸及滨海景观带建设工程[6]位于灵山岛尖南岸，工程内容包括按200年一遇的防洪(潮)标准达标改建1级[7-9]海堤长为 3.66 km，结合海岸布置的滨海景观带建设以及沿岸的水闸、泵站、码头等设施建设。灵山岛尖位于南沙新区明珠湾区起步区，是广东自贸区南沙片区的重要组成，处于粤港澳大湾区的几何中心，规划总用地面积约为 3.55 km2，城市功能定位为面向世界的粤港澳全面合作高端商务示范区。

项目地处深厚软土地区(淤泥层深约20～35 m)，用地宽度为20～80 m，保护区原地面高程约为4.5～6.0 m，城市竖向规划地面高程约为6.5～8.5 m，200年一遇设计洪(潮)水位为7.93 m。鉴于项目所在区位的重要性及高端定位，要求项目建设与城市发展、生态保护协同，综合防洪(潮)、生态环境、城市景观、游憩休闲等功能，实现集合功能、集约用地。项目设计主题为岭南水岸、钻石水城，以具备前瞻性和现代性的景观规划，满足南沙新区“高端商贸、科技创新、优质生活”的世界先进水平功能定位。景观设计依据土地使用性质以及不同的使用人群，将项目分成3段，分别为生活社区段、码头段、商务办公区段，各分段各具特色，生活社区段营造岭南风格的生活滨水带，码头段营造现代都市风格的公共码头景观，商务区段强调空间绿色科技、现代都市概念的属性。

因传统工程化海堤建设技术难以达成上述目标，经比选论证，项目除码头段以外，采用了“多功能生态海堤架构体系”技术。

3.2 技术应用

项目设计通过场地条件、功能分析，结合保护区产业布局，通过合理拟定海堤各特征竖向标高，利用生态护坡技术，结合生态环境修复、城市景观营造、游憩系统构建，运用“多功能生态海堤架构体系”技术，形成各种丰富的海堤断面形式，其中3种典型断面如图2～4所示。其中断面一应用于现状旧堤岸可利用且场地宽度大于25 m的堤段，断面二应用于现状旧堤岸不可利用且场地宽度大于25 m的堤段，断面三应用于场地宽度小于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进行排水固结的地基处理方式。

图2 多功能生态海堤典型断面一(多级台阶式断面)

图3 多功能生态海堤典型断面二(多级台阶与斜坡结合式断面)

图4 多功能生态海堤典型断面三(多级矮墙式断面)

各断面从临水侧至背水侧结构依次如下。

1)堤脚滩涂生态带：堤脚滩涂生态带宽约5 m，高程选取多年平均低高潮位，使堤脚平台在高潮时位于水下，低潮时出露，以营造与自然滩涂类似的生境，本项目结合潮汐特征取5.0～5.5 m。堤脚滩涂生态带利用原有抛石为基底，表层新增约0.5 m厚干砌石进行修坡，形成1：10的缓坡，以利于退潮时水体中的漂浮物退回水域中。面层铺设植生袋、土工蜂巢框格等生态技术进行生态修复与植绿。

2)堤岸及亲水平台：对于现状存在旧堤挡墙的堤段利用旧堤砌石挡墙进行改造，拆除上部结构降低旧挡墙高度，并在外侧新增混凝土护面进行修复形成新堤岸；对于现状无旧堤挡墙的堤段，新建沉箱结构形成堤岸。堤岸顶高程与亲水平台相同，取值接近多年平均高高潮位或年均受淹10～20次的高程，本项目结合潮汐特征取6.5～6.8 m。亲水平台宽约6 m，面层铺设条石，以抵御波浪袭击并为市民游憩提供舒适、美观的路面。

3)迎水带：迎水带结合用地条件，采用多级台阶式、缓坡式或矮墙式等结构，布置生态、景观、游憩[10]等设施。迎水带护坡材料采用在项目中首次运用的新技术“自嵌式瓶孔砖”[11]，“自嵌式瓶孔砖”大样如图5，可采用混凝土或生态混凝土材料预制，自嵌式瓶孔砖有以下的6个特点：① 深窄的砖孔及缩颈的开口犹如瓶子，即使孔口上部水流紊动，也可在孔内形成静水区域，防止孔底土体受到风浪的淘刷而流失；② 自嵌式的设计可增强铺装后护坡的整体性，增强护坡的抗冲刷能力；③ 互嵌骑缝的结构可避免形成通缝，导致砖底土体从缝中流失；④ 孔内可种植植物，使护坡面得到绿化，砖孔也可成为海岸洞居动物的洞穴，改善护坡的生态性及景观性；⑤ 孔内下部可根据需要填充碎石作为反滤层，防止水位降落时的渗透破坏；⑥ 可机械化预制，适合工业化大批量生产，降低成本。

图5 自嵌式瓶孔砖示意

4)第一道“防浪墙”：第一道“防浪墙”位于迎水带顶部，高程为8.4 m，此处“防浪墙”为广义概念，结合生态景观需求，可采用花池、座凳、微地形等。

5)蓄浪平台：蓄浪平台位于第一道“防浪墙”后方，蓄浪平台用于收集第一道“防浪墙”的越浪，以便越浪自排回海域中，故蓄浪平台高程应高于设计潮位，本项目结合设计潮位情况，平台高程为8.2 m。平台最小宽度应满足越浪水流由于惯性继续前流冲往第二道“防浪墙”并越过第二道“防浪墙”的要求，本项目经风浪模型试验验证为8 m。平台中设有越浪收集系统与自排系统，利用风浪的间断时间，通过排水设施自排回海域中，避免越浪流入堤后城市排水系统，可减少城市排水系统的排水量。该平台可作为景观绿地或者活动平台，因该平台紧靠第一道“防浪墙”，越浪跌落时对平台有一定的冲刷，故作为绿地时，对坡面应采取合适的防冲刷措施，在本项目采用了抗冲植草垫植草。

6)第二道“防浪墙”：第二道“防浪墙”位于蓄浪平台后方，也为广义概念，结合生态景观需求，可采用花池、座凳、微地形等，顶部高程为8.80 m。

7)堤顶：堤顶结合城市慢行系统、跑步道设置，宽为5 m，高程为8.5 m。

8)堤后衔接带：堤后带位于堤顶与城市保护区之间，采用缓坡绿化过渡衔接。

本案例中，堤脚滩涂生态带、堤岸及亲水平台、迎水带构成了“多功能生态海堤架构体系”中的第一景观带，该景观带遭遇设计洪(潮)水位时为可淹没分区，表面分别采用能经受对应风浪侵蚀程度的结构，并种植能经受对应风浪侵蚀和海水浸泡程度的植物。第一道“防浪墙”、蓄浪平台构成了第二景观带，该景观带不被设计洪(潮)水位淹没，但处于风浪影响区。第二道“防浪墙”、堤顶、堤后衔接带构成了第三景观带，该带已达设计标准的安全区域。

上述各部位特征高程的拟定过程可参考文献[12]。通过合理拟定各部位的特征高程，有利于形成富有层次的、开放的、亲水的滨水空间，同时也有利于海堤的消浪效果。

在本实践案例中尚发现在同等条件下(如宽度、堤前水深、风浪强度、第一道防浪墙高度等)，多级台阶式断面比多级台阶与斜坡结合式断面的消浪效果更优，在本案例中减少约23%的越浪量。蓄浪平台所需宽度与第一道防浪墙顶高程呈反向关系，与风浪强度呈正向关系。但因采用本技术时堤防断面复杂，目前尚无针对该复杂断面的风浪计算公式，应用该技术时宜采用物理模型进行验证。

3.3 应用效果

项目应用“多功能生态海堤架构体系”技术，解决了以下技术难题：一是解决了海堤“围城”问题，采用该技术较常规海堤降低堤顶(或防浪墙墙顶)高程约1.5 m，使堤顶高程接近保护区地面高程，避免海堤“围城”；二是解决了海堤迎水坡防护结构与生态、景观之间的矛盾；三是解决了滨水空间利用问题，可利用丰富的断面层次形成高品质的城市滨海空间，有利滨水空间与城市空间的相互融合。

工程基本建成时在2017年遭遇了台风“天鸽”、工在2018年遭遇了台风“山竹”，2次台风暴潮堤前实测水位分别为8.14 m及8.19 m，均高于设计水位(7.93 m)，但得益于海堤的消浪及防浪体系，未发生海堤漫顶及破坏的现象，越浪顺畅自排未进入保护区，有效的保障了岛内安全(遭遇“山竹”时实景如图6)。目前项目区生态良好、景观优美、游憩设施多样，已成为南沙乃至广州对外宣传的新名片之一，成为当地或周边市民休憩的目的地之一。

4 结语

“多功能生态海堤构架体系”技术通过对海堤断面标高体系的分析，结合多功能需求，采用分带设防、堤顶后置的理念，布设二道防浪系统，有效降低海堤堤顶高程，在海堤空间载体实现了防潮减灾、生态服务、景观营造、游憩构建等复合功能的系统融合。在灵山岛尖项目中结合城市定位、场地条件等因素，因地制宜的拟定断面形式和特征高程，实践效果良好，符合当前生态文明建设需求，为可推广的生态海堤技术之一。

图6 遭遇台风“山竹”时实景与日常对比示意