粤港澳大湾区防风暴潮生态海堤核心技术研究及应用

曹春顶 王盟 唐乐

摘 要：在大湾区灵山岛北岸防风暴潮生态海堤工程的设计中，为解决城市防洪潮和滨海景观生态海堤亲水性的矛盾，在技术理念上由传统单一的防潮海堤向多元化滨海景观生态海堤转变，创新提出了多级消浪平台技术和滨海景观带迎水面系统排水技术来解决消浪与排水的问题，在实践中提出“横向换纵向”“外水外排，内水内排”的理念，打破传统海堤对海浪的“挡”和“抗”硬对硬模式，采用横向多级消浪平台技术消减越浪，并设置多级排水系统实现越浪自排，对迎水面海浪采用“通”和“排”的柔性衔接，可有效降低纵向堤顶高程以破解“堤防围城”的难题，实现海堤成为滨海生态景观的目的。研究成果已应用在该项目中，经过数次风暴潮检验证明达到了预期效果，灵山岛在韧性城市方面尤其是生态堤设计上，以宽度换高度，既能防洪同时又满足亲水、休闲、景观要求，为岭南地区的生态建设乃至中国滨海河口地区同类型建设提供了经验和参考。

关键词：生态海堤；多级消浪平台；锥孔自嵌集成砌块；迎水面系统排水

中图分类号：TV139.2+9 文献标识码：A 文章编号：1001-9235（2024）05-0019-09

Research and Application of Core Technology of Storm Surge Prevention Ecological Seawall in Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area

CAO Chunding， WANG Meng， TANG Le

（China Water Resources Pearl River Planning， Survey & Designing Co.， Ltd， Guangzhou 510610， China）

Abstract： In the design of the ecological seawall project for storm surge prevention on the north coast of Lingshan Island in the Greater Bay Area， to solve the contradiction between urban flood tide prevention and the hydrophilicity of the coastal landscape ecological seawall， the design is transformed from the traditional single tidal wave prevention seawall to the diversified coastal landscape ecological seawall by the concept of innovative technology. This paper innovatively proposes the following two technologies： the multi- stage wave dissipation platform technology and the upstream drainage system technology of coastal landscape belts to solve the problem of wave dissipation and drainage. In practice， the paper proposes the concepts of "horizontal for vertical" and "external drainage of external water and internal drainage of internal water" to break the traditional "blocking" and "resisting" of seawalls to the waves. It adopts the horizontal multi-stage wave dissipation platform technology to eliminate the waves and sets up a multi-stage drainage system to realize the self-exhaustion of the waves. The flexible articulation of "pass" and "discharge" for the waves on the waterfront can effectively reduce the vertical dike top elevation to solve the problem of "dike surrounding the city" and realize the purpose of coastal landscape ecological seawall. The research results have been applied to the project and have been tested by several storm surges to prove that the expected results have been achieved. In terms of the resilient city， especially in the design of the ecological dike， Lingshan Island exchanges the width for the height， which can not only prevent floods but also meet the requirements of water， leisure，and landscape. It provides experience and reference for the Lingnan region of ecological construction， and even the same type of construction in China's coastal estuarine areas.

Keywords： seawall; multi-stage wave dissipation platform; cone-hole self-embedded integrated block; upstream drainage system

1研究背景

近年来，提升新形成海堤岸线的公众开放程度和景观生态效果，构建自然化、生态化、绿植化的新海岸，是生态海堤建设的大方向［1］。

生态海堤项目需要营造开放的滨水空间景观，而防风暴生态海堤波浪要素计算内容是复杂的，季永兴等［2］针对海堤防御标准确定的重要性及复杂性，引入超越概率理论确定海堤防御标准，纪巧玲［3］应用数值模型对越浪引起的越浪流及堤后波况进行了定量研究，而按现行海堤设计规范［4］中的传统理论计算时，若采用允许越浪标准，可适当将堤顶高程降低，景观性和亲水性良好，但同时越浪有可能对堤顶和堤后坡造成冲刷破坏，危及海堤整体安全。

因此对越浪量的控制是生态海堤设计中的关键，提供一种既能够消减越浪，又能合理设置纵向堤顶高程，破解“堤防围城”难题的堤身结构，是生态海堤结构设计上的关键问题。唐巨山等［5］分析比较了现行的国家、行业、地方不同设计标准之间海堤堤顶高程确定及越浪量控制上的差异，而在大湾区海堤工程的理论研究中，河海大学［6］对南沙区风暴潮下的防洪标高进行专题研究，南京水利科学研究院［7］对蕉门及洪奇门水道泄洪综合整治及滩涂利用开展研究，采用1∶20的模型比例尺模拟了灵山岛北侧防洪堤及堤后的布置，而黄岳文［8］在关于广州珠江堤防堤顶超高的探讨的研究中，建议采用超级堤方案降低堤顶高程。

针对上述问题，在大湾区灵山岛北岸防风暴潮生态海堤工程的设计过程中，技术理念由传统单一的防潮海堤向多元化滨海景观生态海堤进行转变，设计团队创新使用了2项技术——多级消浪平台技术、滨海景观带迎水面系统排水技术来解决消浪与排水的问题；在结构上提出对消浪措施的优化。技术成果在该项目建设中应用后，灵山岛北岸经济效益、防洪潮效益、生态效益显著，项目区生态环境优美，已成为明珠湾对外展示的一张靓丽的名片。

2多级消浪平台技术的研究及应用

2.1技术原理

防风暴潮生态海堤波浪要素及堤顶高程计算复杂，按现行规范中的传统理论计算时，堤顶高程往往高出生态海堤的堤后城市景观用地高程，造成“堤防围城”的境况；为解决城市防洪和滨海生态海堤亲水性在设计上的矛盾，本创新技术是通过“多级消浪平台技术”来降低生态海堤的堤顶高程及亲水平台高程；为此提出“横向换纵向”“外水外排，内水内排”的理念，打破传统海堤对海浪的“挡”和“抗”硬对硬模式，采用横向多级消浪平台技术消减越浪，并设置多级排水系统实现越浪自排，对迎水面海浪采用“通”和“排”的柔性衔接，可有效降低纵向堤顶高程以破解“堤防围城”的难题，实现滨海景观生态海堤的目的。

2.2数值模型建立

主要原理是采用横向多级消浪平台技术消减越浪，并设置多级排水系统实现越浪自排，目前国内外对越浪问题的研究成果主要有3个方面：一是平均越浪量的研究；二是堤顶及后坡越浪流参数的研究；三是越浪流对后坡冲刷过程的研究［4］。研究的方法主要有经验公式及模型试验2种方法，不同经验公式计算结果差别很大，表明计算结果可靠性差，不稳定，也表明了越浪量计算的复杂性。

在灵山岛北岸防风暴潮生态海堤的研究及应用中，使用水力学数值仿真法，分析海堤断面的消浪特性，并根据地形和功能要求，初步提出海堤断面设计方案；运用物理模型和数学模型相结合方法，定量分析各方案的消浪特性和消浪效果，并对设计提出优化建议。目前工程上使用广泛的流场数值计算方法是原始变量法中的压力修正法。其基本思路是：①假定初始压力场；②利用压力场求解动量方程，得到速度场；③利用速度场求解连续方程，使压力场得到修正；④根据需要，求解紊流方程及其他标量方程；⑤判断当前时间步上的计算是否收敛。若不收敛，返回到第2步，迭代计算。若收敛，重复上述步骤，计算下一时间步的物理量。本次使用压力修正法进行流场数值分析计算。

2.3越浪过程流场分析

根据具体条件，海堤断面常规型式可选择斜坡式、陡墙式等型式，这些海堤型式在中国沿海省份使用均较多，在广州灵山岛北岸防风暴潮生态海堤的设计过程中，在堤身结构的设计中创新采用“多级消浪平台技术”来降低生态海堤的堤顶高程及亲水平台高程。为对这几种堤防型式的优缺点进行分析比较，从越浪海水与海堤相互作用后的能量守恒出发，建立了不同堤型对消能效果影响的数值模型，对不同海堤断面形式的波浪爬高、越浪量进行了对比。

以灵山岛北岸防风暴潮生态海堤项目为例，200年一遇潮水位7.90 m，波浪要素为 H13%=0.98 m，Tp=3.22 s，吹程 F=150 m，风速 V=30.2 m/s，数模越浪中根据现场实际地形和观景视野等需要，对各级消浪平台取不同宽度、不同高度的情况进行研究和比选，对堤顶高程8.2～8.5 m 各级消浪平台取不同宽度（3～20 m）的情况进行研究。

经大量优化后，确定了灵山岛北岸防风暴潮生态海堤项目多级消浪平台宽高初步取值。堤顶高程8.2 m，部分堤顶越浪过程曲线见图1、2；堤顶高程8.5 m，部分堤顶越浪过程曲线见图3、4。

根据上述数模分析，堤顶高程一定时，随着消浪平台宽度的增加，越浪量下降速度先快后慢，说明随着消浪平台宽度的增加，横向尺度对于降低越浪量效果逐渐减弱。消浪平台宽度存在最优值。

堤顶高程一定时，堤防越浪量对第二级消浪平台宽度敏感。延长第二级平台宽度比延长第一级宽度消浪效果好，同时延长一二级平台宽度相比单一延长第一级或第二级平台宽度的消浪效果略好。对于三级消浪平台而言，第三级消浪平台宽度对越浪量影响较小，设计中不宜考虑通过增加第三级消浪平台宽度降低越浪量。

根据表1—3数模计算成果，结合该项目的实际地形及用地因素制约，灵山岛北岸防风暴潮生态海堤项目多级消浪平台的平台宽度取值为：一级消浪平台宽度 B1取8.0 m，二级消浪平台宽度 B2取8.0m，三级消浪平台宽度 B3取6.0 m。多级消浪平台的平台高程取值为：一级消浪平台高度 Z1取6.8 m，二级消浪平台高度 Z2取7.5 m，三级消浪平台高度 Z3取8.5 m，并采用该模型与其他不同海堤形式进行比选。

因模型造波边界为不规则波，流速、压力等瞬时物理量不具有可比性，而越浪量具有时均概念，具有可比性，本次主要对越浪量做对比，不同堤型越浪过程数值仿真模型见图5—7。

通过流场分析，当堤防为陡墙式和斜坡式的设计条件下，消浪方式较为单一，且在陡墙式堤型的设计模型流场中，波浪对陡墙式堤身直墙上沿产生较大影响，该模型造波边界离堤脚位置为40 m，但堤防在直墙位置仍表现出负压力，且波浪爬高较高，越浪量较大。

堤防在多级消浪平台的流场模型中，迎水面水流遇一级、二级消浪平台坎，会形成与运动旋转方向相反的漩涡，抵消了水流对三级消浪平台的冲击力，减少了对堤顶的冲击，越浪量得到削减，对堤后用地影响微弱。不同堤型越浪量对比见表4。

2.4模型验证及结论

根据模拟广州南沙新区灵山岛防洪堤北侧提供的陡墙式堤岸、混合式堤岸、斜坡式堤岸的断面物理模型试验（2013年11月），成果验证了各试验断面在200年一遇水位波浪作用下断面结构的稳定性和测量各断面堤顶越浪量以及观测越浪对后方陆域的影响。

根据实际工程地形，采用1∶20的模型比例尺模拟灵山岛北侧防洪堤及堤后的布置，对于堤顶高程选择 H=8.5 m 和采取消浪措施的情况下，得出以下主要结论：①北侧陡墙式堤岸防浪墙和排水沟等结构均满足稳定性要求，防浪墙顶后的越浪量为3.6×10-3 m?/（m ·s），最远能到达排水沟，对后方景观带用地作用微弱；②北侧混合式堤岸防浪墙和排水沟以及迎水面消浪设施等结构均满足稳定性要求，在景观带顶部路面处测得堤顶越浪量为5.0×10-4 m?/（m · s），此时越浪量相对较小，对后方景观带用地作用微弱；③北侧斜坡式堤岸亲水台阶作为整体满足稳定性要求，波列中个别大波能作用到台阶后方平台顶部，但水量较少，测不出越浪量，对后方景观带用地作用微弱。

根据上述对越浪过程的流场分析和物理模型验证结果可知，当多级消浪平台堤岸和排水沟以及迎水面消浪设施等结构均满足稳定性要求时，相较斜坡式堤型和陡墙式堤型，多级消浪平台越浪量明显减小，在多级消浪平台三级平台顶部（堤顶路面）处得堤顶越浪量为0.019 m?/（m ·s），此时越浪量相对较小；波列中个别大波能作用到堤顶上方平台顶部，但水量较少，越浪量较微弱，对后方景观带用地、道路用地等作用微弱。

根据 GB/T 51015—2014《海堤工程设计规范》［4］规定，当海堤按允许部分越浪设计时，在确定堤顶高程后，应进行越浪量复核，海堤的越浪量不得大于海堤的允许越浪量。当堤顶三面均有保护，堤顶及背海侧均为混凝土保护时，允许越浪量不大于0.05 m?/s。

根据数模流场分析结论及物模结论的验证，相较斜坡式和陡墙式海堤，选取多级消浪平台断面作为堤身结构、堤顶高程取8.50 m 是安全可靠的，该段堤防堤顶三面均有保护，越浪量也满足规范要求不大于0.05 m?/s 的要求。

2.5实践应用效果

2.5.1典型规模下的技术方案

多级消浪平台技术在灵山岛的应用中，堤身是由多级消浪平台组成的阶梯型迎水面防浪结构，灵山岛北岸防风暴潮生态海堤项目中多级消浪平台分为三级设计，分别是可作为亲水步道的第一级消浪平台、可作为景观梯步的第二级消浪平台和可作为景观休闲绿道使用的第三级消浪平台［9］。为了更好地结合景观布置，在设计中将第三级平台改为平台加景观休闲绿道的布置型式，将第二级平台优化为景观步道和活动广场，第一级平台用作亲水步道，使海岸形成观景效果良好的滨水景观带。

在第一级消浪平台前设置有堤脚潮间带，通过抛石、石笼、预制混凝土等刚性材料固脚，种植了多种本土植物，对现有潮间带湿地植被加以保护，提高了滨水区的生物多样性。迎水面设置混凝土预制块挡墙，平台顶面铺条石或方砖防止波浪对堤身造成破坏。

多级消浪平台设置有完善排水系统，通过堤岸的坡度、堤上的排水沟以及地下埋藏的集水井让越浪海水自然排出。多级消浪平台迎水坡面朝外海侧设置一定的排水坡度和凹槽，排水系统首先对坡面越浪进行外排，对于坡面排水无法排完的越浪，在每级消浪平台后侧的堤身内部设置完善的排水沟井系统，收集后进行内排。灵山岛北岸防风暴潮生态海堤项目中多级消浪平台设计断面见图8。

2.5.2应用效益

a）经济效益。依托该技术的灵山岛北岸生态堤防长约3 km，若采用普通堤防的堤顶高程经计算后将达到10.5 m，平均高出堤后规划地块2 m，因填方巨大，会显著增加堤防造价；该工程采用多级消浪平台技术后，使堤顶高程降低了约2 m，大大减少了堤顶及堤后填方量，避免了建设高大防浪墙而造成的工程浪费。

b）防洪潮效益。工程经受住了台风“天鸽”“山竹”的考验（2次台风对应的风暴潮水位分别为8.14、8.19 m，均高于灵山岛北岸200年一遇的设计风暴潮位7.90 m），工程的安然无恙得益于堤身结构设计中采用的先进技术具有良好的抗风暴潮特性，防灾减灾效果明显，与本地区其他海岸损毁的严重程度相对比，广州灵山岛北岸防风暴潮生态海堤的工程运行及护面结构情况良好。

c）生态效益。多级平台的设置满足了景观空间层次感及观海视线通透的要求，解决了城市堤围的观景视野及生态和谐的问题。

3滨海景观带迎水面系统排水技术的研究及应用

3.1技术原理

与传统海堤相比，生态海堤对景观性、亲水性要求较高，堤顶设计高程较低，多采用允许越浪标准设计。且生态海堤多采用宽度换高度的设计理念，迎水面范围大，宽度大。当遭遇台风风暴潮时，越浪水体对海堤迎水坡坡面造成冲刷破坏，并且海浪作用具有周期性，叠加容易造成生态海堤漫顶，危及生态海堤整体安全。故对迎水坡越浪区的越浪水体如何实现快速自排，是生态海堤设计中需要解决的关键问题［10-13］。

为了解决海堤迎水面的越浪排水问题，在设计中通过多种排水构筑物联合作用，实现了迎水坡越浪区的越浪水体自排，提高排水效率，有效降低了海浪周期性作用叠加海堤漫顶的风险，同时通过迎水坡坡面多级排水系统及堤身集水排水系统联合作用来分散越浪水体，达到了减轻迎水坡坡面冲刷的目的。

3.2技术方案

滨海景观带迎水面系统排水结构由迎水坡坡面排水系统和堤身集水排水系统两部分组成，见图9。

迎水坡坡面排水系统主要用于实现外水外排，设置有梯级平台，分别是一级排水平台、二级排水平台、三级排水平台，各级排水平台逐级抬高，为倾斜外海侧的宽缓坡形态。通过设置三级宽缓坡形态的横向排水平台，增加了生态海堤迎水坡横向宽度，海堤逐级抬高，以达到逐级降低波浪强度和波浪爬高、减少越浪量的目的。通过倾斜外海侧设置一定坡降，实现越浪水体在重力作用下自流漫坡回退至外海。

堤身集水排水系统主要用于实现内水内排，设置有锥孔骑缝自嵌生态砌块、碎石盲沟、排水沟、堤身集水井、排水涵管、拍门等结构；锥孔骑缝自嵌生态砌块设置在二级排水平台表面，底部设置碎石盲沟，连接堤身集水井。碎石盲沟平行堤轴线纵向通长设置，横向垂直堤轴线每隔50～100 m 等距设置，碎石盲沟厚度为50～100 cm，将锥孔骑缝自嵌生态砌块收集的越浪水体导向堤身集水井。

排水沟设置在三级排水平台边缘，平行堤轴线通长布置，底部倾斜与堤身集水井相连通。排水沟采用浆砌石、混凝土砌筑，排水沟能够拦蓄三级排水平台表面的部分越浪水体，并将越浪水体汇集到堤身集水井。

堤身集水井平行堤轴线等距分布，具有一定容纳空间，底部连接排水涵管。堤身集水井平行堤轴线每隔50～100 m等距设置，集水井尺寸根据排水流量计算确定；堤身集水井与碎石盲沟、排水沟连接位置设置开口，并在开口位置设置生态透水砌块，拦挡水中的碎石、垃圾，防止集水井淤积。

排水涵管倾斜外海侧设置一定坡降，出口端设置拍门，具有防止海水倒灌功能。排水涵管与堤身集水井一一对应，沿堤线每隔50～100 m 等距设置，倾斜外海侧坡降为3%，拍门需满足抗海水腐蚀的基本要求。

3.3技术应用

该技术通过在迎水坡设置宽缓坡形态的多级排水平台，能够逐步降低波浪强度和波浪爬高，减少越浪量，还能够将大部分越浪水体通过宽缓坡自流排向外海；对于剩余小部分越浪水体，通过多级排水平台表面的锥孔骑缝自嵌生态砌块、排水沟收集后，汇集至堤身埋置的集水井，最终通过排水涵管自流排向外海。该技术及结构实现了迎水坡越浪区的越浪水体自排，提高了排水效率，有利于提升生态海堤防御台风风暴潮能力。

4应用效益

a）技术。在灵山岛北岸防风暴潮生态海堤工程的设计中，采用“多级消浪平台技术”“滨海景观带迎水面系统排水技术”的滨海景观新型生态海堤，解决了城市防洪和滨海生态海堤亲水性在设计上的矛盾，对迎水面海浪采用“通”和“排”的柔性衔接，有效降低纵向堤顶高程，破解了“堤防围城”的难题，实现了滨海景观生态海堤的目的。

b）经济。国内传统海岸堤防结构不但造成堤防“围城”的境况，更增加了堤防造价。因多级消浪平台对堤顶高程进行了降低，用于堤防堆填的堤后填土方量将显著下降，避免了建设高大防浪墙而造成的工程浪费。

c）管理。在灵山岛北岸防风暴潮生态海堤多元化滨海景观创新技术得到应用后，生态海堤丰富了岸线结构，其设计考虑了城市景观、休闲和生态等多功能要求，所以在管理上要比单一防洪功能的传统堤防要复杂，在“名片效益”显著的同时，需要加强景观养护和安全管理。

5结语

在灵山岛北岸防风暴潮生态海堤工程的设计 中，为解决城市防潮和滨海景观生态海堤亲水性的 矛盾，从技术理念上由传统单一的防潮海堤向多元 化滨海景观生态海堤转变，创新使用了多级消浪平 台技术和滨海景观带迎水面系统排水技术，解决了 消浪与排水的问题。在实践中提出“横向换纵向”“外水外排，内水内排”的理念，打破传统海堤对海 浪的“挡”和“抗”硬对硬模式，采用横向多级消浪平 台技术消减越浪，并设置多级排水系统实现越浪自 排，对迎水面海浪采用“通”和“排”的柔性衔接，可 有效降低纵向堤顶高程以破解“堤防围城”的难题，实现海堤成为滨海生态景观的目的。

工程结构设计减免了洪水淹没损失，增加了土地利用价值，减轻了防洪救灾的人力、财力、物力负担，保障了岛内安全。工程于2018年12月投入运行，到目前经过数次风暴潮检验，证明其达到了预期效果，无论是土建结构、机电设备还是金属结构，均安全可靠、运行良好。

灵山岛北岸防风暴潮生态海堤工程的实践应用，证明上述技术可广泛用于构建自然化、生态化、绿植化的新海岸，其技术成果可为岭南地区的生态建设乃至中国滨海河口地区同类型海堤建设提供经验和参考。

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（责任编辑：向 飞）