南沙地区海堤迎海侧堤岸生态防护结构体系研究

陈佳鹏，王 艳，秦茂洁

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广州 510635)

1 概述

我国大陆岸线超过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。传统的海堤主要为硬质海堤，其海堤防护结构主要以满足抵抗风浪、保障海堤稳定功能为主，一般采用砌石、混凝土板、预制混凝土异型块体(如扭工块体、扭王块体、四脚空心块等)、混凝土栅栏板等形式[1]，缺乏对生态环境保护的考虑。目前已建海堤工程中，绝大部分均为传统海堤。生态海堤则是在考虑防潮安全的基础上，注重生态系统需求，采用生态理念设计手法，利用生态结构材料，形成以抵御风暴潮、海岸侵蚀等灾害为主，兼顾景观绿化、生物多样性保护等需求的立体海岸防护体系[2]。

自20世纪90年代以来，我国学者陆续开展生态海堤建设研究[3-4]，建成了广州市南沙区灵山岛尖超级堤工程、上海市崇明岛生态海堤工程、广西壮族自治区防城港西湾红沙环海堤工程、辽宁省兴城河口湿地整治工程、山东省白浪河海岸带修复工程等一大批生态海堤工程。工程通过针对性的工程规划和设计，充分利用自然资源条件和生态防护结构等不同生态单元的相互作用，抵御海平面上升和极端气候导致的风暴潮等海洋灾害，同时获得固碳、污染治理和生境改善等重要生态效益。

2 南沙区海堤建设现状及存在的问题

南沙区位于珠三角的河网地带、珠江三大出海口门，东临狮子洋，南入南海，根据地形、水系特点，南沙区划分成13个以外江水道为界的独立联围，截至“十三五”期末，全区421 km堤防中，防洪(潮)标准达50年一遇以上约374 km，占比88.8%；达100年一遇以上约142 km，占比34%；达200年一遇约127 km，占比30%，其中明珠湾灵山岛尖、慧谷东片区等重点城市区域建成了200年一遇的生态堤，全区整体防洪(潮)体系基础骨干框架已形成。但除了灵山岛尖和慧谷东片区局部建设了生态海堤外，其他堤防均为传统海堤，堤型以直墙式和两级直墙式为主，还有单级斜坡堤、多级斜坡堤、直斜复式堤等形式，其迎海侧护岸结构，一般情况下，自下而上分为抛石护脚、钢筋砼框格填块石消浪平台(或钢筋砼护面)、直立钢筋砼护面及钢筋砼防浪墙，虽然基本满足了防灾减灾需求，但破坏了海岸原有自然形成的动植物群落和自然景观，中断了陆海过渡带的生物廊道和生态缓冲带，导致海堤结构功能单一、生态性差、景观生硬单调，强度有余而韧性不足[5]。

南沙地区属珠江出海口，各水道均同时受洪水和潮汐影响，洪潮交互，呈现明显的感潮河口堤岸特征，一方面，在多条河道水流交汇影响下，局部堤岸水流会较为湍急，形成水流的紊流和涡流，造成堤岸垮塌、堤岸后移和堤脚掏空等情况；另一方面，河道水系水面变宽，同时受潮汐顶托，水流缓慢，造成泥沙沉积，堤岸向外生长，形成滩涂。由此，决定了南沙地区海堤堤岸结构需因地制宜的按照堤段所处位置的水文、地形、地质情况等实际条件采取不同的设计方案。与此同时，南沙地区洪潮水位又呈现一定的水文规律性，可以按照设计洪潮水位、多年平均高潮位、多年平均低潮位等特征洪潮水位，以及区域动植物群落分布与堤岸的相对竖向关系进行生态结构分层，不同的分层采用不同的生态防护结构。

3 南沙区感潮河段洪潮水位特征

南沙地区属珠江出海口，各水道均同时受洪水和潮汐影响，属不规则混合潮型区。河口属弱潮型河口，潮汐属不规则半日潮，即在一个太阴日(约24 h 50 min)出现两次高潮两次低潮，日潮不等现象显著，潮位过程线的形状表现为涨潮历时短，落潮历时长，呈不对称正弦曲线，根据南沙区1963—2019年共57 a的长系列实测水文资料，统计南沙站多年平均高高潮、多年平均低高潮、多年平均低低潮等特征值(见表1所示)。

表1 南沙站潮汐特征值(单位：m，珠基，下同)

同时，参考南沙地区相关规划和工程设计成果，对主要水文站点的多年平均高潮位、多年平均低潮位和200年一遇的设计潮位进行统计(见表2所示)。

表2 南沙区主要潮位站高潮、低潮位均值统计[6] m

4 分层生态防护结构方案

根据南沙地区感潮河段洪潮水位特征，将护岸结构迎水侧与洪潮水位的相对竖向关系进行分层，分层采用适宜的生态防护结构。

4.1 防护结构竖向分层

生态海堤护岸结构主体为迎海侧的护岸结构，根据与洪潮水位的相对关系，自下而上将海堤临水侧治导线至堤顶的生态防护结构分为4层：潮下层、低潮层、高潮层和潮上层，不同的分层采用不同的设计方案或护岸结构，各层相对竖向关系如图1所示。

图1 防护结构竖向分层示意

1)潮下层：指多年平均低潮位以下部分，基本常年处于水下，主要受河道洪水冲刷和浪蚀等作用，局部堤前有滩涂。

2)低潮层：指多年平均低潮位以上，多年平均高潮位以下部分。南沙为感潮地区，每天有两次潮水涨落，本层为洪潮水主要的感潮变幅区，亦是行船波浪主要淘刷区。

3)高潮层：指多年平均高潮位以上，设计洪潮水位以下部分。当河道洪潮水位较高或遇天文大潮时方出现，出现几率较小，但作用强烈。

4) 潮上层：指设计洪潮水位以上部分，主要为抵抗波浪作用。

4.2 各分层生态防护结构设计

4.2.1潮下层

南沙海堤现状潮下层结构以抛石为主，根据调研了解结合南沙地区工程经验，堤前抛石被水流冲走的现象较为普遍。根据南沙区2021—2023年度汛维修加固项目中统计显示，该项目2021—2023年间，共有堤脚补充抛石项目62宗，补抛堤岸总长度约4 200 m。究其原因，一方面是抛石粒径、质量不足、施抛不当，受洪潮水和行船波浪淘刷，抛石冲走流失；另一方面是堤前淤泥深厚，在长期的洪潮水淘刷中，块石底部淤泥淘刷随水流流走导致块石沉陷。因此，应根据地形、地质、水文情况，选用满足抗冲刷稳定需要的结构单体质量大、抗冲刷性能更好、不易于淘刷沉陷的护脚结构，同时考虑本层作为近岸水生动物主要生息之所，采用多孔隙结构，如网兜抛石、预制桩夹抛石、预制生态护脚体等。

4.2.2低潮层

本层是洪潮水主要作用区，其生态护岸结构一是要具有一定强度等级、耐久性和抗海水腐蚀性，可抵抗长时间的洪潮水循环交互作用；二是要具备良好的生态性，可形成良好的动植物生境。结构面层可采用格宾网垫、预制生态护岸(如瓶孔砖、生态框等)、钢筋砼框格、干砌石等抗冲刷性能良好的柔性结构[7]，结构内部和基层可生长本乡本土根系发达的亲水植物，通过植物根系和结构联合作用，达到消浪、稳固效果，同时又可作为动植物栖息生息之地[8]。

4.2.3高潮层

本层护岸结构主要承受洪潮水位较高或遇天文大潮时的风、水作用，此时往往伴随较为强烈的天气作用，洪潮水淘刷，波浪拍打等作用强烈。需在具有足够应对风、水作用的更高结构强度基础上，加以生态化，根据实际条件，采用多级消浪、预制生态框格、预制生态护岸等[9]，种植本土宜生低维护滨水耐旱植物，局部设置生物通道，达到防护性和生态性统一[10-11]。

4.2.4潮上层

本层主要为极端工况下的防护，根据堤防实施条件，一般海堤堤顶安全加高按不允许越浪选取时，采用钢筋砼结构，外表面做成反弧面；按允许越浪选取的，在有条件的，可放缓坡采用植物防护结构，同时应做好堤顶和背水坡的越浪排水设计，如生态堤堤顶。

5 生态防护结构体系

生态防护结构方案设计中，关键技术为以新型防护结构为单元，结合水位竖向分层，形成适用于南沙地区的独特海堤生态防护结构体系。以下为推荐使用的海堤生态防护结构体系表，在不同的海堤建设条件、不同的水位条件下，可以组合运用，形成南沙独特的海堤生态风貌风格(见表3所示)。

表3 生态防护结构体系

6 典型设计案例

以正在开展设计的南沙区某防洪潮安全系统提升工程的生态堤断面为例，在不同层设计采用不同的防护结构，如预制生态护岸、多级消浪台阶、消浪挡块、多级反浪弧、预制护脚体等。

方案1：本方案运用于堤前有较大的滩涂，用地条件宽裕的情况，迎水坡场地空间宽度>15 m，滩涂高潮高于多年平均低潮位。采用“以宽度换高度，以空间提生态”的理念设计生态防护结构。临水侧自下而上护脚采用抛石、砌石结构，低潮层采用干砌石和生态瓶孔砖护岸，常水位稍高处设置亲水步道兼一级消浪平台；高潮层和潮上层则利用宽度，设多级植物生态消浪平台，每级高度0.5～1.0 m，平台分级采用块石或钢筋混凝土，具有足够的强度，植物平台具有良好的消浪作用，且种植土下设生态混凝土层，防止极端工况下堤身土体掏空破坏。本方案具有很好的防洪(潮)能力和生态性(如图2所示)。

图2 方案1断面示意

方案2：本方案运用于一般建设条件的情况，即堤前堤后都具有一定的建设用地条件，迎水坡场地空间宽度在10～15 m之间，宽度不足以设计为宽生态堤形式。本方案采用“预制防护、生态提升”的理念设计生态防护结构。临水侧潮下层护脚采用新型预制生态护脚体结构，低潮层采用生态预制联锁砖柔性护岸，常水位稍高处设置预制钢筋砼填块石框作为消浪平台，根据堤防运用要求可提升为亲水平台；高潮层则采用预制生态一体桩板护岸系统，桩、板均为新型钢筋砼预制结构，可快速装配施工，蓄纳波浪后，可迅速的通过排水系统排出，同时结合生态种植，形成多级植物生态消浪平台，在满足抵抗风浪的基础上，具有良好的生态效果和景观视觉效果。本方案适用于南沙地区最普遍的海堤建设条件，适用范围最广，具有良好的抵抗风浪能力和生态休闲性(如图3所示)。

图3 方案2断面示意

7 结语

海堤作为重要的海岸工程措施之一，在抵御风暴潮及洪水灾害等方面发挥了重要的作用，但传统的海堤建设，其海岸环境与自然的海岸潮间带环境有着较大的差异，一是在底部基质、材料、表面特征和生物栖息环境等方面均不同；二是其体积和坡度与自然海岸也不同；三是阻断了生物廊道，打破了陆域环境和水域环境之间的连通性。这些差异使得生物群落和多样性都远远低于自然海岸，产生了诸多生态问题。因此，在满足海岸资源综合开发和海岸环境保护要求的同时，开展生态海堤建设及生态防护结构体系研究，提高海堤的生态防护和环境修复功能十分必要[12-14]。

根据南沙地区感潮河道洪潮水位特征，按照不同频率下水位变幅的情况，将海堤迎海层进行竖向分为潮下层、低潮层、高潮层、潮上层，考虑不同的层采用不同的生态护岸结构，不同的生态护岸结构适应不同的地形、水文和生物生境等要求，从而形成南沙地区独特的生态海堤防护结构体系，可为该地区相应的工程建设提供一定的借鉴作用。