南沙地區海堤迎海側堤岸生態防護結構體系研究

陳佳鵬，王 艷，秦茂潔

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣州 510635)

1 概述

我國大陸岸線超過1.8萬km，海堤的建設使海岸帶防災減災能力得到很大提升。傳統的海堤主要為硬質海堤，其海堤防護結構主要以滿足抵抗風浪、保障海堤穩定功能為主，一般采用砌石、混凝土板、預制混凝土異型塊體(如扭工塊體、扭王塊體、四腳空心塊等)、混凝土柵欄板等形式[1]，缺乏對生態環境保護的考慮。目前已建海堤工程中，絕大部分均為傳統海堤。生態海堤則是在考慮防潮安全的基礎上，注重生態系統需求，采用生態理念設計手法，利用生態結構材料，形成以抵御風暴潮、海岸侵蝕等災害為主，兼顧景觀綠化、生物多樣性保護等需求的立體海岸防護體系[2]。

自20世紀90年代以來，我國學者陸續開展生態海堤建設研究[3-4]，建成了廣州市南沙區靈山島尖超級堤工程、上海市崇明島生態海堤工程、廣西壯族自治區防城港西灣紅沙環海堤工程、遼寧省興城河口濕地整治工程、山東省白浪河海岸帶修復工程等一大批生態海堤工程。工程通過針對性的工程規劃和設計，充分利用自然資源條件和生態防護結構等不同生態單元的相互作用，抵御海平面上升和極端氣候導致的風暴潮等海洋災害，同時獲得固碳、污染治理和生境改善等重要生態效益。

2 南沙區海堤建設現狀及存在的問題

南沙區位于珠三角的河網地帶、珠江三大出?？陂T，東臨獅子洋，南入南海，根據地形、水系特點，南沙區劃分成13個以外江水道為界的獨立聯圍，截至“十三五”期末，全區421 km堤防中，防洪(潮)標準達50年一遇以上約374 km，占比88.8%；達100年一遇以上約142 km，占比34%；達200年一遇約127 km，占比30%，其中明珠灣靈山島尖、慧谷東片區等重點城市區域建成了200年一遇的生態堤，全區整體防洪(潮)體系基礎骨干框架已形成。但除了靈山島尖和慧谷東片區局部建設了生態海堤外，其他堤防均為傳統海堤，堤型以直墻式和兩級直墻式為主，還有單級斜坡堤、多級斜坡堤、直斜復式堤等形式，其迎海側護岸結構，一般情況下，自下而上分為拋石護腳、鋼筋砼框格填塊石消浪平臺(或鋼筋砼護面)、直立鋼筋砼護面及鋼筋砼防浪墻，雖然基本滿足了防災減災需求，但破壞了海岸原有自然形成的動植物群落和自然景觀，中斷了陸海過渡帶的生物廊道和生態緩沖帶，導致海堤結構功能單一、生態性差、景觀生硬單調，強度有余而韌性不足[5]。

南沙地區屬珠江出?？?，各水道均同時受洪水和潮汐影響，洪潮交互，呈現明顯的感潮河口堤岸特征，一方面，在多條河道水流交匯影響下，局部堤岸水流會較為湍急，形成水流的紊流和渦流，造成堤岸垮塌、堤岸后移和堤腳掏空等情況；另一方面，河道水系水面變寬，同時受潮汐頂托，水流緩慢，造成泥沙沉積，堤岸向外生長，形成灘涂。由此，決定了南沙地區海堤堤岸結構需因地制宜的按照堤段所處位置的水文、地形、地質情況等實際條件采取不同的設計方案。與此同時，南沙地區洪潮水位又呈現一定的水文規律性，可以按照設計洪潮水位、多年平均高潮位、多年平均低潮位等特征洪潮水位，以及區域動植物群落分布與堤岸的相對豎向關系進行生態結構分層，不同的分層采用不同的生態防護結構。

3 南沙區感潮河段洪潮水位特征

南沙地區屬珠江出?？?，各水道均同時受洪水和潮汐影響，屬不規則混合潮型區。河口屬弱潮型河口，潮汐屬不規則半日潮，即在一個太陰日(約24 h 50 min)出現兩次高潮兩次低潮，日潮不等現象顯著，潮位過程線的形狀表現為漲潮歷時短，落潮歷時長，呈不對稱正弦曲線，根據南沙區1963—2019年共57 a的長系列實測水文資料，統計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(見表1所示)。

表1 南沙站潮汐特征值(單位：m，珠基，下同)

同時，參考南沙地區相關規劃和工程設計成果，對主要水文站點的多年平均高潮位、多年平均低潮位和200年一遇的設計潮位進行統計(見表2所示)。

表2 南沙區主要潮位站高潮、低潮位均值統計[6] m

4 分層生態防護結構方案

根據南沙地區感潮河段洪潮水位特征，將護岸結構迎水側與洪潮水位的相對豎向關系進行分層，分層采用適宜的生態防護結構。

4.1 防護結構豎向分層

生態海堤護岸結構主體為迎海側的護岸結構，根據與洪潮水位的相對關系，自下而上將海堤臨水側治導線至堤頂的生態防護結構分為4層：潮下層、低潮層、高潮層和潮上層，不同的分層采用不同的設計方案或護岸結構，各層相對豎向關系如圖1所示。

圖1 防護結構豎向分層示意

1)潮下層：指多年平均低潮位以下部分，基本常年處于水下，主要受河道洪水沖刷和浪蝕等作用，局部堤前有灘涂。

2)低潮層：指多年平均低潮位以上，多年平均高潮位以下部分。南沙為感潮地區，每天有兩次潮水漲落，本層為洪潮水主要的感潮變幅區，亦是行船波浪主要淘刷區。

3)高潮層：指多年平均高潮位以上，設計洪潮水位以下部分。當河道洪潮水位較高或遇天文大潮時方出現，出現幾率較小，但作用強烈。

4) 潮上層：指設計洪潮水位以上部分，主要為抵抗波浪作用。

4.2 各分層生態防護結構設計

4.2.1潮下層

南沙海堤現狀潮下層結構以拋石為主，根據調研了解結合南沙地區工程經驗，堤前拋石被水流沖走的現象較為普遍。根據南沙區2021—2023年度汛維修加固項目中統計顯示，該項目2021—2023年間，共有堤腳補充拋石項目62宗，補拋堤岸總長度約4 200 m。究其原因，一方面是拋石粒徑、質量不足、施拋不當，受洪潮水和行船波浪淘刷，拋石沖走流失；另一方面是堤前淤泥深厚，在長期的洪潮水淘刷中，塊石底部淤泥淘刷隨水流流走導致塊石沉陷。因此，應根據地形、地質、水文情況，選用滿足抗沖刷穩定需要的結構單體質量大、抗沖刷性能更好、不易于淘刷沉陷的護腳結構，同時考慮本層作為近岸水生動物主要生息之所，采用多孔隙結構，如網兜拋石、預制樁夾拋石、預制生態護腳體等。

4.2.2低潮層

本層是洪潮水主要作用區，其生態護岸結構一是要具有一定強度等級、耐久性和抗海水腐蝕性，可抵抗長時間的洪潮水循環交互作用；二是要具備良好的生態性，可形成良好的動植物生境。結構面層可采用格賓網墊、預制生態護岸(如瓶孔磚、生態框等)、鋼筋砼框格、干砌石等抗沖刷性能良好的柔性結構[7]，結構內部和基層可生長本鄉本土根系發達的親水植物，通過植物根系和結構聯合作用，達到消浪、穩固效果，同時又可作為動植物棲息生息之地[8]。

4.2.3高潮層

本層護岸結構主要承受洪潮水位較高或遇天文大潮時的風、水作用，此時往往伴隨較為強烈的天氣作用，洪潮水淘刷，波浪拍打等作用強烈。需在具有足夠應對風、水作用的更高結構強度基礎上，加以生態化，根據實際條件，采用多級消浪、預制生態框格、預制生態護岸等[9]，種植本土宜生低維護濱水耐旱植物，局部設置生物通道，達到防護性和生態性統一[10-11]。

4.2.4潮上層

本層主要為極端工況下的防護，根據堤防實施條件，一般海堤堤頂安全加高按不允許越浪選取時，采用鋼筋砼結構，外表面做成反弧面；按允許越浪選取的，在有條件的，可放緩坡采用植物防護結構，同時應做好堤頂和背水坡的越浪排水設計，如生態堤堤頂。

5 生態防護結構體系

生態防護結構方案設計中，關鍵技術為以新型防護結構為單元，結合水位豎向分層，形成適用于南沙地區的獨特海堤生態防護結構體系。以下為推薦使用的海堤生態防護結構體系表，在不同的海堤建設條件、不同的水位條件下，可以組合運用，形成南沙獨特的海堤生態風貌風格(見表3所示)。

表3 生態防護結構體系

6 典型設計案例

以正在開展設計的南沙區某防洪潮安全系統提升工程的生態堤斷面為例，在不同層設計采用不同的防護結構，如預制生態護岸、多級消浪臺階、消浪擋塊、多級反浪弧、預制護腳體等。

方案1：本方案運用于堤前有較大的灘涂，用地條件寬裕的情況，迎水坡場地空間寬度>15 m，灘涂高潮高于多年平均低潮位。采用“以寬度換高度，以空間提生態”的理念設計生態防護結構。臨水側自下而上護腳采用拋石、砌石結構，低潮層采用干砌石和生態瓶孔磚護岸，常水位稍高處設置親水步道兼一級消浪平臺；高潮層和潮上層則利用寬度，設多級植物生態消浪平臺，每級高度0.5～1.0 m，平臺分級采用塊石或鋼筋混凝土，具有足夠的強度，植物平臺具有良好的消浪作用，且種植土下設生態混凝土層，防止極端工況下堤身土體掏空破壞。本方案具有很好的防洪(潮)能力和生態性(如圖2所示)。

圖2 方案1斷面示意

方案2：本方案運用于一般建設條件的情況，即堤前堤后都具有一定的建設用地條件，迎水坡場地空間寬度在10～15 m之間，寬度不足以設計為寬生態堤形式。本方案采用“預制防護、生態提升”的理念設計生態防護結構。臨水側潮下層護腳采用新型預制生態護腳體結構，低潮層采用生態預制聯鎖磚柔性護岸，常水位稍高處設置預制鋼筋砼填塊石框作為消浪平臺，根據堤防運用要求可提升為親水平臺；高潮層則采用預制生態一體樁板護岸系統，樁、板均為新型鋼筋砼預制結構，可快速裝配施工，蓄納波浪后，可迅速的通過排水系統排出，同時結合生態種植，形成多級植物生態消浪平臺，在滿足抵抗風浪的基礎上，具有良好的生態效果和景觀視覺效果。本方案適用于南沙地區最普遍的海堤建設條件，適用范圍最廣，具有良好的抵抗風浪能力和生態休閑性(如圖3所示)。

圖3 方案2斷面示意

7 結語

海堤作為重要的海岸工程措施之一，在抵御風暴潮及洪水災害等方面發揮了重要的作用，但傳統的海堤建設，其海岸環境與自然的海岸潮間帶環境有著較大的差異，一是在底部基質、材料、表面特征和生物棲息環境等方面均不同；二是其體積和坡度與自然海岸也不同；三是阻斷了生物廊道，打破了陸域環境和水域環境之間的連通性。這些差異使得生物群落和多樣性都遠遠低于自然海岸，產生了諸多生態問題。因此，在滿足海岸資源綜合開發和海岸環境保護要求的同時，開展生態海堤建設及生態防護結構體系研究，提高海堤的生態防護和環境修復功能十分必要[12-14]。

根據南沙地區感潮河道洪潮水位特征，按照不同頻率下水位變幅的情況，將海堤迎海層進行豎向分為潮下層、低潮層、高潮層、潮上層，考慮不同的層采用不同的生態護岸結構，不同的生態護岸結構適應不同的地形、水文和生物生境等要求，從而形成南沙地區獨特的生態海堤防護結構體系，可為該地區相應的工程建設提供一定的借鑒作用。