人工岸线生态改造对岸坡稳定性影响分析

陈少青

摘要：指出了围海造陆等工程建设活动形成的人工岸线形式单一平直，改变了海岸原有水动力条件，破坏了海洋生态环境，对现有人工岸线进行生态型堤岸改造可以减弱人工岸线对生态环境产生的不良影响。针对天津地区常见岸线结构形式和软土地基特点，提出了缓坡式岸线生态改造方案，同时利用PLAXIS有限元软件以半圆体形式岸线生态改造为例，分析了不同坡比下生态缓坡式堤岸的地基稳定性，为天津地区人工岸线乃至其它地区人工岸线缓坡式生态改造提供研究思路。

关键词：人工岸线；生态改造；缓坡式岸坡；岸坡地基稳定性

中图分类号：X55

文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2017）14-0205-04

1 引言

海岸线是海洋生态系统和陆地生态系统的结合部分，沿海区域资源丰富、环境适宜，历来都是社会、经济、文化发展最先进的地域。沿海地区经济快速发展与土地资源、空间短缺之间矛盾越来越突出，近年来通过围海造陆提供了广阔的土地资源和空间，天然海岸线也随之被开发利用，导致天然岸线锐减。渤海湾大部分岸线已成为人工岸线，天津市158 km自然岸线已经全部消失，海岸线均为海挡、堤坝、码头等人工岸线；大连有1900 多km海岸线，其中围海造陆成为人工岸线占比已达71%；山东省人工岸线已接近总岸线的40%；河北省20多年来，平均每年减少海岸线8 km[1]。然而人工岸线明显区别于天然岸线的地形、地貌，结构型式单一、岸线平直，不仅破坏了原有的自然景观，而且对海洋生态等产生了严重的影响，高强度围海造陆开发使得渤海湾已成为全国近岸海域环境污染最严重的海湾之一。

围海造陆也是荷兰、日本、美国等发达国家为了增加土地最常用的手段，但填海造成的负面影响日益凸显，部分国家已不允许围海造陆，甚至开始将围海造陆的土地恢复成原来的湿地面貌，以挽救急剧恶化的海洋生态环境。对于海岸带生态功能的恢复和构建，国内外已经开展过大量研究并取得了一些成果。20世纪70年代，美国开始将袋装砂袋使用在岸堤修复重建中，利用袋装砂袋碎波作用降低波浪对海滩的冲刷[2]。人工养滩也是一种新兴的生态型护岸技术，可大大缓解海岸带地形和环境的变化，防止海水对海岸带侵蚀，人工养滩也可以结合种植耐盐碱植物进行，日本学者筛选出抗风沙、耐鹽性和耐潮性强的树种用于减少水土流失以及风、沙、潮等多种灾害的发生[3]。20 世纪 70 年代，日本提出建造新型人工鱼礁保护水生动物以提高海岸带生物量。20世纪90年代，在马尔代夫和塞舌尔等国家在人工鱼礁上通入低压直流电，使海水电解析出碳酸钙、氢氧化镁等矿物附着在人工鱼礁上形成类似于天然珊瑚礁的礁体，在鱼礁增长的同时吸引生物聚集，促进鱼礁周围生物量种类和数量增长，从而起到海岸带生物种群恢复和海岸带保护的功能[4]。天津大学季静应用抗盐碱植物生物培育技术培育出了可在高盐碱地生长的植物，这些植物具有美化环境的景观功能，可用于构建抗盐碱植物花园式生态海岸带，促进海岸带生态恢复[5]。

尽管国内外对海岸带生态环境的保护越来越重视，但多数技术成果往往注重于海岸滩地的保护，对于人工建造的岸线生态改造研究还很少。笔者将结合天津地区围海造陆常见人工岸线结构形式和独特的区域软土地质条件特点，分析人工岸线生态改造后形成的缓坡式生态堤岸的地基稳定性。

2 生态堤岸改造形式

2.1 天津地区常见人工岸线形式

天津地区常见人工岸线形式有斜坡式、混合式和直立式堤岸，各种堤岸根据自身特点和所处区域环境在使用上都有各自的适用范围。

斜坡式堤岸根据使用材料可分为抛石堤岸（图1）和充灌袋堤岸（图2），其优点是对地基不均匀沉降和地基承载力要求不高且施工简单，但缺点是材料用量相对较大。主要用于浅水区及软土地基、海域波浪较小的情况。

混合式堤岸港区最常见的是半圆形轻型混合结构（图3），上部为预制半圆体构件，构件下方为基床块石，基床两侧布置块石护肩。该堤岸优点是受力合理，抗波浪性好，安放后能保持自身稳定，砂石材料用量少；缺点就是后期后方吹填造陆需作堵漏特殊处理，若后方存在景观河之类造成衔接困难。主要适用于地基承载力比较低的软土地基。

直立式堤岸的结构断面内外两侧均为直立或接近直立的墙面，如大圆筒形堤岸。其优点是当水深较大时，建筑材料较斜坡堤用量少，能抵御较大波浪；其缺点

是波浪遇到直立墙面几乎全部反射使水动力增大，结构自重大，安装工作量大，堤身整体性差，对地基不均匀沉降敏感，一旦破坏修复困难。适用于水深较深、现场起重设备能力大和地基基础坚实区域。

上述形式堤岸在天津地区都有实际应用工程，针对本地区堤岸建造砂石来源困难、软土深厚等特点，在水深较浅时斜坡式和半圆体结构因在使用功能、工程造价和施工进度方面具有优势而应用最广。

2.2 岸线生态修护重建

过往岸线建设中往往只考虑工程作用，岸线采用混凝土砌筑硬防护的方法以避免海浪、岸线侵蚀等问题。但从生态的角度来讲硬质护岸隔断了土体与水体的交换和循环，引起生态退化，破坏海岸自然生态环境。发达国家提出了一些生态型护坡技术，目前在美国以及欧洲一些国家，较为常用的是土壤生物工程（Soil-Bioengineering）护岸技术（图4）。对人工岸线生态设计时，水体岸线以自然升起的湿地基质的土壤沙砾代替人工砌筑，还可建立一个水与岸自然过渡的区域种植湿地植物。这样做可使水面与岸呈现一种生态的交接亲水效果，既能加强湿地的自然调节功能，又能为鸟类、两栖爬行类动物提供生活的环境，还能充分利用湿地的渗透及过滤作用，从而带来良好的生态效应[6]。

天津地区现有岸线多为人工岸线，对其进行生态修复改造可借鉴土壤生物工程护岸技术。首先对当前堤岸前方进行加载形成缓斜坡式断面，但必须计算形成缓坡时此部分加载对岸线地基稳定性的影响，并进一步分析改造为不同坡比缓坡式岸坡地基的安全系数，为确定生态岸坡断面提供依据。

3 缓坡式岸坡地基稳定性分析

3.1 地层参数及计算断面的选取

以天津地区某半圆体岸线工程地质勘察钻孔指标为例进行计算分析，取计算断面土层参数如表1。

岸线的断面沿长度方向几乎不变，数值模拟计算中可以按平面应变问题选择任意剖面的进行计算分析，改造前半圆体岸线形式如图5所示。

3.2 半圆体岸线生态缓坡改造计算方案

半圆形岸线生态缓坡改造按不同边坡比和形式形成3种方案进行计算，岸线后方需要形成陆域所以在计算时各方案均考虑堤后将吹填3.09m厚吹填淤泥质土。半圆形岸线堤前缓坡堆土边坡坡比示意仅为理论数值计算，使用未考虑实际工程做法，具体方案见表2和图6～8所示。

3.3 PLAXIS有限元计算结果分析

按实际工程施工设置计算分析，第一步计算堤后吹填3.09 m厚淤泥质土后岸坡地基安全系数，得出吹填后岸坡地基安全系数为1.939，土体滑移云图如图9所示。

第二步计算堤前生态缓坡按3种方案改造，岸坡堤前形成加载，加载后岸坡地基最大位移增量和安全系数具体结果汇总如表3所示。

堤前生态缓坡改造加载后土体的阶段土体位移云图和滑移面云圖以方案三为例示意，如图10，11所示。

从计算结果看，在堤前生态缓坡改造加载后堤岸地基稳定安全系数相较加载前1.939均有所下降，坡比1∶2安全系数降低最小，坡比1∶3时且加挡土墙次之，坡比1∶3且无挡土墙最为不利。

4 结语

（1）人工岸线生态改造能够减弱海岸生态环境继续恶化状况，在已有人工岸线堤前进行缓坡式生态改造是当前比较流行的改造方式。

（2）以半圆体岸线为例进行了3种改造方案计算，表明堤前缓坡坡比越小，安全系数降低越多；缓坡生态改造放坡形式中设置挡土墙对岸坡地基稳定有利。

（3）缓坡式生态改造坡比越大，缓坡越陡，会使生态岸线亲水效果大打折扣，且坡比越大海浪冲刷水动力最强，不利于为接岸自然过渡的区域动植物提供合适生存环境。

（4）人工岸线缓坡生态改造坡比和形式应结合原有人工岸线形式、岸坡地基稳定性、施工可行性以及海洋水动力学等多方面统筹分析。

参考文献：

[1]郭江泓.天津人工海岸生态功能构建机理研究[D].天津：天津大学，2011.

[2]Fowler J， Geotextile Tubes and Flood Control[J]. Geotechnical Fabrics Report， 1997，15（5）：28～37.

[3]叶功富，罗美娟，卢昌义.海岸带退化生态系统的恢复与海岸带综合管理[J].世界林业研究，2006，4（1）：5～10.

[4]李红柳， 李小宁，侯晓珉等.海岸带生态恢复技术研究现状及存在问题[J].城市环境与城市生态，2003，16（6）：36～37.

[5]崔海燕，季静.盐地碱蓬研究现状[J].天津农业科学，2009，15（4）：13～16.

[6]宋伯年，天津滨海新区海岸带景观的生态化建设[D].天津：天津大学，2007.