基于與環(huán)境相協(xié)調(diào)的韌性海岸工程建設(shè)策略*

季則舟

基于與環(huán)境相協(xié)調(diào)的韌性海岸工程建設(shè)策略*

季則舟

(中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司 天津 300220)

對(duì)于海岸工程所遇到的自然災(zāi)害, 僅以加大結(jié)構(gòu)尺度與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的傳統(tǒng)方法應(yīng)對(duì)是不可取的。改變傳統(tǒng)理念, 通過(guò)改善工程與環(huán)境的關(guān)系, 提高工程韌性是較合理的選擇。韌性海岸工程以工程系統(tǒng)與環(huán)境相協(xié)調(diào), 具有吸收和適應(yīng)自然力、災(zāi)害情況下維持其功能以及災(zāi)后可快速恢復(fù)的能力為特征。針對(duì)港口工程、海岸及港口防護(hù)工程建設(shè)提出了韌性工程實(shí)施策略及方法。以韌性工程理念對(duì)港口規(guī)劃與平面布置、復(fù)雜環(huán)境下的碼頭結(jié)構(gòu)及航道工程設(shè)計(jì)提出優(yōu)化原則與方案。海岸及港口防護(hù)工程可采用多重防護(hù)、吸收性防護(hù)、變形型防護(hù)及生態(tài)型防護(hù)等類型, 以改善工程與環(huán)境的適應(yīng)性, 增強(qiáng)工程韌性。

韌性海岸工程; 港口工程; 海岸防護(hù); 環(huán)境; 航道; 防波堤

在我國(guó)海岸工程中, 港口及海岸防護(hù)工程是非常重要的基礎(chǔ)設(shè)施。我國(guó)水運(yùn)承擔(dān)了全國(guó)90%以上的外貿(mào)物資運(yùn)輸和大量的跨區(qū)域物資交流, 這其中港口發(fā)揮著巨大作用。我國(guó)岸線資源豐富, 擁有大陸海岸線1.84萬(wàn)km、島嶼海岸線1.4萬(wàn)km、南京以下長(zhǎng)江岸線800余km, 分布有61個(gè)沿海港口, 其中主要港口27個(gè)。我國(guó)也是港口大國(guó), 長(zhǎng)期以來(lái), 世界吞吐量前10位的港口我國(guó)占據(jù)7個(gè), 2020年達(dá)到8個(gè); 至2020年, 我國(guó)集裝箱吞吐量已連續(xù)17年位居世界第一, 在全球集裝箱吞吐量排名前10位的港口中也占據(jù)了7席, 在海岸帶建設(shè)的港口已成為構(gòu)建國(guó)際國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)雙循環(huán)的重要支撐。為保障港口陸域及船舶停泊作業(yè)安全, 需建設(shè)港口護(hù)岸、防波堤等防護(hù)建筑物提供掩護(hù)。除港口設(shè)施外, 為抵御風(fēng)暴潮及海岸侵蝕, 我國(guó)沿海修建了大規(guī)模的海岸防護(hù)設(shè)施, 包括防護(hù)大堤、丁壩、離岸堤等。據(jù)統(tǒng)計(jì), 我國(guó)大陸人工海岸線占海岸線總長(zhǎng)度將近60% (Ma, 2014)。

港口及海岸防護(hù)設(shè)施等海岸工程一方面對(duì)水上交通運(yùn)輸及陸域防護(hù)起到保障作用, 另一方面對(duì)海岸生態(tài)環(huán)境也造成一定影響。長(zhǎng)期以來(lái), 海岸帶人工設(shè)施與自然環(huán)境常常處于對(duì)立狀態(tài), 人類注重的是設(shè)施的正常運(yùn)轉(zhuǎn)與防護(hù)功能, 針對(duì)高潮、大浪、強(qiáng)流、地震, 為保證防護(hù)設(shè)施及被保護(hù)區(qū)域的安全而采用更高的標(biāo)準(zhǔn), 設(shè)計(jì)更高、更大、更強(qiáng)的結(jié)構(gòu)去對(duì)抗。而在對(duì)抗過(guò)程中, 水動(dòng)力能量聚集, 沖刷海床, 使水工結(jié)構(gòu)附近水域地形變化, 水深增大進(jìn)一步加大了波流能量并對(duì)防護(hù)設(shè)施基礎(chǔ)造成破壞, 后果是投資大而效果不佳, 結(jié)構(gòu)損毀屢見(jiàn)不鮮, 并造成生態(tài)環(huán)境的破壞。由于海岸工程一般規(guī)模較大, 且周邊地形環(huán)境改變, 故修復(fù)也較困難, 這反映出我國(guó)一些海岸工程韌性不足, 還需從與環(huán)境相協(xié)調(diào)角度, 從設(shè)計(jì)理念、策略方法等方面加以改進(jìn)。本文針對(duì)我國(guó)海岸工程存在的主要問(wèn)題提出提高工程韌性的對(duì)策與建議。

1 中國(guó)海岸工程面臨的主要自然災(zāi)害

1.1 港口工程

港口工程占用自然岸灘, 造成自然及生態(tài)環(huán)境的改變。在淤泥質(zhì)及粉沙質(zhì)海岸開(kāi)挖港池和航道會(huì)造成水域泥沙淤積。建設(shè)港口防波堤等防護(hù)建筑物會(huì)使海域水動(dòng)力場(chǎng)改變, 在某些地區(qū)會(huì)造成海床地形變化。在港口陸域, 基于土地成本及經(jīng)濟(jì)效益, 往往土地資源利用最大化, 除生活輔建區(qū)外, 均會(huì)布置成貨物堆場(chǎng)及道路, 并進(jìn)行地基處理及面層硬化, 自然地貌所具有的雨水滲透、滯納功能喪失, 使得港口抗?jié)衬芰档汀?/p>

粉沙質(zhì)海岸泥沙運(yùn)動(dòng)活躍, 在風(fēng)浪作用下, 極易起動(dòng), 風(fēng)浪減弱后也極易沉降, 在此類海岸開(kāi)挖的航道在大風(fēng)浪天氣常常發(fā)生泥沙驟淤, 堵塞航道, 造成災(zāi)害。2003年10月10日至13日, 我國(guó)渤海灣的一次特大風(fēng)暴潮過(guò)程, 使位于粉沙質(zhì)海岸承擔(dān)“北煤南運(yùn)”重任的黃驊港遭受了淤積災(zāi)害, 該港外航道發(fā)生了強(qiáng)烈驟淤, 11 m深的航道基本淤平, 一次淤積量高達(dá)約1 000萬(wàn)m3, 港口被迫停止運(yùn)營(yíng)(神華集團(tuán)黃驊港建設(shè)指揮部等, 2003)。此前在黃驊港建設(shè)過(guò)程中, 就因?yàn)橥夂降烙俜e嚴(yán)重, 且沉積泥沙板結(jié)密實(shí), 疏浚開(kāi)挖效率極低, 航道不得不改線建設(shè)。與此同時(shí), 距黃驊港約140 km建成不久的京唐港也遭受了同樣的災(zāi)害, 外航道發(fā)生了嚴(yán)重驟淤, 最大淤積厚度達(dá)5.5 m, 淤?gòu)?qiáng)大于2.0 m的長(zhǎng)度達(dá)2.35 km, 航道沿程平均淤厚約為1.9 m, 航道淤積量近200萬(wàn)m3(孫林云等, 2008)。此后通過(guò)聯(lián)合攻關(guān)研究, 逐步掌握了粉沙質(zhì)海岸泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律及淤積機(jī)理, 實(shí)施了黃驊港外航道整治工程, 提出了整治和通航標(biāo)準(zhǔn), 設(shè)置防沙堤及長(zhǎng)4 km、寬2 km的消能緩沖區(qū), 解決了航道驟淤災(zāi)害問(wèn)題(季則舟等, 2005)。整治工程實(shí)施以來(lái), 港口吞吐量穩(wěn)步提升(表1)。雖已消除航道驟淤礙航災(zāi)害, 隨著航道擴(kuò)建、規(guī)模加大(5萬(wàn)噸級(jí)雙向航道, 寬270 m, 長(zhǎng)約44 km), 泥沙年總淤積量較大(表1)。通常評(píng)價(jià)航道建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性可用航道年維護(hù)疏浚量與港口吞吐量的比值()來(lái)衡量, 根據(jù)國(guó)內(nèi)外港口航道數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析, 當(dāng)≤0.2時(shí)航道運(yùn)營(yíng)在經(jīng)濟(jì)方面是可接受的。從表1看出, 黃驊港煤炭港區(qū)航道近10年其值最小為0.07, 最大為0.27, 尤其近5年基本在0.1左右, 其淤積量完全可以承受, 事實(shí)上, 整治工程實(shí)施后黃驊港煤炭港區(qū)不僅生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)正常, 且經(jīng)濟(jì)效益良好。

表1 黃驊港煤炭港區(qū)歷年吞吐量及航道泥沙淤積量表

Tab.1 Annual throughput and channel siltation at coal district of Huanghua Port

注: 2018年存在短期內(nèi)發(fā)生小強(qiáng)度但多頻次的泥沙淤積情況, 使淤積量較2017年增加近1倍

我國(guó)港區(qū)陸域以貨物的堆存、轉(zhuǎn)運(yùn)功能為主, 主要布置堆場(chǎng)、道路及輔助生產(chǎn)建筑。為避免地面沉降, 一般均進(jìn)行地基加固處理, 表層采用混凝土聯(lián)鎖塊、混凝土大板或?yàn)r青混凝土鋪面。這種方式使得地面吸納雨水能力很弱, 降雨易形成徑流, 目前環(huán)保要求嚴(yán)格, 不允許雨水直排入海, 而港區(qū)污水處理設(shè)施均按處理初期雨水設(shè)計(jì), 處理能力有限, 導(dǎo)致港區(qū)陸域在降雨期極易積水, 尤其是礦石、煤炭等干散貨碼頭堆場(chǎng)在堆貨荷載長(zhǎng)期作用下堆場(chǎng)發(fā)生沉降, 加劇了積水的嚴(yán)重性(圖1)。對(duì)于普遍缺水的北方港口, 碼頭公司還需大量外購(gòu)水用于干散貨堆場(chǎng)灑水抑塵需求, 給港口營(yíng)運(yùn)增加了較大成本。

1.2 港口及海岸防護(hù)工程

在無(wú)掩護(hù)海域, 通常需建設(shè)防波堤使港口有較好的泊穩(wěn)條件。此類海域往往波、流水動(dòng)力較強(qiáng), 防護(hù)工程的建設(shè)使水動(dòng)力與結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相互作用。以前我們主要關(guān)注的是水動(dòng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的作用及結(jié)構(gòu)的安全問(wèn)題, 如選擇適合的結(jié)構(gòu)形式、穩(wěn)定的護(hù)面塊體和足夠的高度等, 以保證結(jié)構(gòu)的安全及越浪量滿足要求, 而忽略了結(jié)構(gòu)對(duì)波浪水流產(chǎn)生的反作用以及引起的環(huán)境變化, 這種變化反而會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)安全造成危害。如加納詹姆斯敦漁港防波堤, 反射波及沿堤流使堤前海床逐漸沖刷, 造成護(hù)腳塊石跌落, 堤身結(jié)構(gòu)局部失穩(wěn)(圖2, 圖3)。在潮流較強(qiáng)海域, 防波堤等防護(hù)設(shè)施的建設(shè)會(huì)改變局部流場(chǎng), 其產(chǎn)生的挑流作用, 會(huì)加大漲落潮流速, 與波浪作用疊加對(duì)防護(hù)設(shè)施端部附近海床造成沖刷。對(duì)于粉細(xì)砂地質(zhì)的海床, 沖刷會(huì)以沖刷坑的形式出現(xiàn)。水流及波浪作用將海床沖刷出淺坑后, 形成渦流, 在底層強(qiáng)渦流作用下, 沖坑不斷被加深、拓寬, 對(duì)港口防護(hù)設(shè)施穩(wěn)定造成危害。我國(guó)某港防波堤由于未按設(shè)計(jì)接續(xù)建設(shè)二期潛堤延長(zhǎng)工程, 防波堤建成后挑流明顯, 水域最大流速由1.5 m/s加大到2.48 m/s, 增大65.3%, 與波浪作用疊加使堤頭附近發(fā)生沖刷。防波堤建成3年9個(gè)月后, 表層不足2 m抗沖性較好的河口三角洲相沉積(淤泥質(zhì)黏土)和陸相沉積(粉質(zhì)黏土)層沖刷殆盡, 下面抗沖性差的粉細(xì)砂在渦流作用下沖刷嚴(yán)重, 僅9個(gè)月時(shí)間, 增加深度達(dá)15.8 m, 沖坑上沿附近(–20 m)面積達(dá)4.58萬(wàn)m2, 坑底(–30 m)面積約2.14萬(wàn)m2, 坑外沿已到達(dá)防波堤護(hù)底軟體排邊沿, 威脅到防波堤安全(曾成杰, 2018)。

圖1 某礦石碼頭堆場(chǎng)積水情況

圖2 加納詹姆斯敦漁港防波堤建成時(shí)及后期損壞斷面示意圖(DHV-MDC Consultant Team, 2007)

圖3 加納詹姆斯敦漁港防波堤損壞情況

在海岸防護(hù)方面, 我國(guó)沿海建設(shè)了大量沿海防護(hù)堤, 而在大風(fēng)浪作用下防護(hù)堤的損毀事件也屢屢發(fā)生, 其中很重要一個(gè)原因是堤前海床沖刷, 造成結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。在粉沙質(zhì)海岸, 風(fēng)暴潮發(fā)生時(shí), 波浪與防護(hù)堤相互作用劇烈, 海床侵蝕范圍較大。在2015年11月5～7日風(fēng)暴潮期間, 東營(yíng)港開(kāi)發(fā)區(qū)6 km長(zhǎng)防護(hù)堤發(fā)生局部失穩(wěn)(圖4)。風(fēng)暴潮過(guò)后大堤修復(fù)施工單位沿堤進(jìn)行了堤前水域水深測(cè)量, 測(cè)圖顯示堤前海床普遍沖刷1～2 m左右, 沖刷范圍達(dá)距防護(hù)堤腳500 m以外(表2)。

圖4 防護(hù)大堤觀景平臺(tái)失穩(wěn)情況

表2 防護(hù)堤前海床沖刷范圍及深度表

Tab.2 Scouring range and depth of seabed in front of levee revetment

2 韌性海岸工程概念及實(shí)施策略

韌性概念首次應(yīng)用于生態(tài)學(xué), 用于定義生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)特征(Holling, 1973), 后逐漸被引入到人類社會(huì)系統(tǒng), 并廣泛應(yīng)用于社會(huì)、管理、經(jīng)濟(jì)、自然科學(xué)等眾多研究領(lǐng)域, 形成了較為全面的應(yīng)對(duì)災(zāi)害與氣候變化的重要理念。韌性研究主要集中在4個(gè)領(lǐng)域: 組織領(lǐng)域、經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域、社會(huì)領(lǐng)域和工程領(lǐng)域(畢熙榮等, 2020)。不同學(xué)者和機(jī)構(gòu)對(duì)不同領(lǐng)域韌性內(nèi)涵有不同理解, 而針對(duì)工程領(lǐng)域, 也給出了不同定義, 其中國(guó)際基礎(chǔ)設(shè)施咨詢委員會(huì)(NIAC)給出的定義更為貼切: 預(yù)測(cè)、吸收、適應(yīng)自然災(zāi)害等破壞性事件和快速恢復(fù)的能力(NIAC, 2009)。目前對(duì)于海岸工程在復(fù)雜自然條件下的穩(wěn)定性、功能實(shí)現(xiàn)及災(zāi)后修復(fù)技術(shù)等研究較多, 而對(duì)于如何吸收、適應(yīng)自然力的研究較少。因此, 基于對(duì)韌性理念的理解, 韌性海岸工程應(yīng)是: 工程系統(tǒng)與環(huán)境相協(xié)調(diào), 具有吸收和適應(yīng)自然力、在災(zāi)害情況下維持其功能以及災(zāi)后可快速恢復(fù)的能力。強(qiáng)調(diào)工程系統(tǒng)應(yīng)對(duì)復(fù)雜、災(zāi)害事件及從災(zāi)害事件中恢復(fù)并再適應(yīng)的能力, 也關(guān)注工程功能修復(fù)的經(jīng)濟(jì)性和效率的最大化。

基于韌性海岸工程概念, 需由面對(duì)災(zāi)害事件時(shí)傳統(tǒng)的“抵御”、“控制”轉(zhuǎn)變?yōu)椤拔铡薄?“適應(yīng)”, 這有助于從整體上控制風(fēng)險(xiǎn), 并確保整個(gè)工程全壽命周期的安全、效益與效率, 從而達(dá)到海岸工程防災(zāi)減災(zāi)的預(yù)期效果。

韌性海岸工程的防災(zāi)減災(zāi)策略: 在設(shè)計(jì)理念上尊重自然, 對(duì)自然環(huán)境審慎改變; 在工程方案上避免與自然環(huán)境的直面對(duì)抗, 以避讓、順應(yīng)、吸納、逐步消減的方式, 最終達(dá)到防災(zāi)減災(zāi)的目的。這一策略也與環(huán)境與生態(tài)保護(hù)相呼應(yīng), 雖然這其中的機(jī)理還需深入研究, 但對(duì)自然盡量小的擾動(dòng)會(huì)是最好的策略。當(dāng)然, 為達(dá)到工程的設(shè)定目標(biāo)與功能, 對(duì)自然的擾動(dòng)不可避免, 這就需要在設(shè)計(jì)時(shí)將工程本身或再采取其他工程措施將此擾動(dòng)降至最低, 最終使得工程初始投資與維護(hù)成本構(gòu)成的生命周期成本最低。

3 韌性港口工程實(shí)施策略與方法

3.1 規(guī)劃與布置

港口設(shè)施的建設(shè)首先需符合政府批復(fù)的港口規(guī)劃, 因此韌性港口工程的實(shí)現(xiàn), 港口規(guī)劃十分重要。

在規(guī)劃港口岸線及陸域時(shí), 要盡量少占用自然岸線及灘涂, 提高岸線使用效率。一方面灘涂是重要的后備土地資源, 另一方面灘涂對(duì)于生物多樣性、維護(hù)海洋生態(tài)平衡起到重要作用(Goodwin, 2001; Cui, 2016)。對(duì)于原有的港口規(guī)劃, 摒棄資源利用最大化理念, 以韌性理念重新梳理、科學(xué)調(diào)整是必要的。如南通港通州灣港區(qū)由原規(guī)劃7個(gè)港池, 調(diào)整為3個(gè)港池, 占用自然岸線由21.7 km, 調(diào)整為約12 km, 形成港區(qū)陸域面積由339.3 km2調(diào)整為48.8 km2, 占江蘇岸灘濕地比例由近期1.2%、遠(yuǎn)期5.2%, 調(diào)整為0.7%, 避讓了環(huán)境敏感區(qū), 降低了對(duì)環(huán)境的影響(胡怡等, 2021); 大連港太平灣港區(qū)規(guī)劃由接岸式調(diào)整為離岸式, 并縮小陸域面積, 占用自然岸線由16 km調(diào)整為0.6 km, 港區(qū)面積由46 km2調(diào)整為14 km2(崔柳等, 2021)。

在港口規(guī)劃平面布置方面, 對(duì)于泥質(zhì)及沙質(zhì)海岸采用挖入式布置可有效減少占用自然岸線, 而可以形成較長(zhǎng)的碼頭岸線, 占用灘涂面積也大大降低。如我國(guó)第一個(gè)挖入式海港唐山港京唐港區(qū), 規(guī)劃占用自然岸線19 km, 可形成港口岸線達(dá)37.7 km; 鹽城港濱海港區(qū), 采用挖入式布置, 占用自然岸線13.1 km,可形成港口岸線27 km; 唐山港曹妃甸港區(qū)采用挖入、近填結(jié)合規(guī)劃布置, 占用自然岸線21.5 km, 可形成碼頭岸線達(dá)70 km。對(duì)于自然環(huán)境復(fù)雜的江蘇輻射沙洲海域, 自然環(huán)境對(duì)海岸工程更加敏感, 采用離岸島式布置方式, 對(duì)自然環(huán)境擾動(dòng)較小, 如南通港洋口港區(qū)西太洋沙人工島碼頭區(qū)布置, 人工島面積2.5 km2, 人工島北側(cè)及南側(cè)布置碼頭, 人工島與陸地由總長(zhǎng)12.6 km引橋連接(楊長(zhǎng)義等, 2019)。另一方面, 當(dāng)?shù)貪O民反映工程建成后, 附近魚(yú)類逐漸增多, 分析是人工島島壁護(hù)面塊體及碼頭樁基為海生物提供了遮蔽、附著條件, 使得生物多樣性改觀。

港區(qū)陸域除布置生產(chǎn)設(shè)施、鋪設(shè)硬化面層結(jié)構(gòu)外, 應(yīng)留出適當(dāng)?shù)纳鷳B(tài)空間, 使生態(tài)環(huán)境與港區(qū)生產(chǎn)設(shè)施相融合, 增加港區(qū)抗災(zāi)害的彈性與韌性。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家較為注重港口與自然的融合, 如比利時(shí)安特衛(wèi)普港務(wù)局在2000年即實(shí)施了“讓安特衛(wèi)普港更加自然”項(xiàng)目, 保留5%的港區(qū)面積(約650 hm2), 作為生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施。對(duì)于我國(guó)新港區(qū), 在規(guī)劃陸域面積時(shí), 除傳統(tǒng)的按預(yù)測(cè)貨物周轉(zhuǎn)量估算陸域面積外, 還應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境、港區(qū)貨運(yùn)性質(zhì)規(guī)劃出一定的生態(tài)環(huán)境面積。對(duì)于已建成老港區(qū), 可充分利用港區(qū)因近些年集疏運(yùn)“公轉(zhuǎn)鐵”而廢棄的停車(chē)場(chǎng)以及鐵路車(chē)場(chǎng)調(diào)車(chē)“燈泡”線空地、邊角空間、預(yù)留用地等, 布置池塘、水系、人工濕地等, 用于收納雨水、淡壓艙水、初處理的污水等, 其建設(shè)成本較混凝土水池、傳統(tǒng)綠化等低很多。收納水可重復(fù)利用, 在節(jié)約水資源、改善環(huán)境的同時(shí), 增加了港區(qū)抗?jié)衬芰?。?jīng)對(duì)津冀部分煤炭礦石港區(qū)各類閑置空地、已綠化占地面積的統(tǒng)計(jì), 通過(guò)改造, 港區(qū)生態(tài)空間面積占港區(qū)面積比均可達(dá)到5%以上。黃驊港煤炭港區(qū)利用港區(qū)空地打造以“兩湖”“兩濕地”為主體的生態(tài)水循環(huán)系統(tǒng), 新增水域面積約30萬(wàn)m2, 對(duì)雨水、壓艙水及含煤污水進(jìn)行收集處理回用, 不僅做到雨、污水“零”排放, 每年節(jié)省大量外購(gòu)用水費(fèi)用, 既解決了夏季內(nèi)澇、其他季節(jié)缺水問(wèn)題, 且港區(qū)環(huán)境大為改觀, 獲評(píng)國(guó)家3A級(jí)旅游景區(qū)。

3.2 碼頭結(jié)構(gòu)與港口水域

在水動(dòng)力、泥沙運(yùn)動(dòng)復(fù)雜海域, 碼頭采用樁基結(jié)構(gòu)較為合理, 其具有的透空性, 可降低對(duì)環(huán)境的影響, 同時(shí)樁基引起的沖刷不會(huì)馬上對(duì)結(jié)構(gòu)造成災(zāi)害, 可有針對(duì)性地采取防護(hù)措施。在此類海域進(jìn)行碼頭樁基設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí), 需預(yù)留出沖刷深度。在洋口港區(qū)LNG碼頭設(shè)計(jì)中, 預(yù)留了樁基沖刷深度8 m, 投產(chǎn)后部分樁基附近海床沖刷達(dá)6 m, 采取拋石護(hù)底措施后海床穩(wěn)定, 碼頭運(yùn)轉(zhuǎn)正常(王麗等, 2014)。在地質(zhì)條件較好的海域, 碼頭結(jié)構(gòu)可采用重力式。重力式結(jié)構(gòu)對(duì)碼頭荷載的適應(yīng)性及耐久性好, 但與水動(dòng)力環(huán)境相互作用較大。開(kāi)孔沉箱結(jié)構(gòu)已廣泛使用, 可有效降低波浪反射系數(shù)。從韌性理念出發(fā), 重力式結(jié)構(gòu)還可與局部透空結(jié)構(gòu)相結(jié)合, 進(jìn)一步吸收波浪能量, 降低波浪與結(jié)構(gòu)的相互作用。在煙臺(tái)港西港區(qū)原油碼頭設(shè)計(jì)中, 采用了重力式開(kāi)孔沉箱與上部透空雙柱塊體結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式, 較上部為傳統(tǒng)實(shí)體胸墻結(jié)構(gòu), 碼頭最大上水高度降低0.6～0.7 m (李斌等, 2020)。此類結(jié)構(gòu)可降低碼頭面高程, 節(jié)省投資,且由于結(jié)構(gòu)有大量空腔, 改善了波流狀態(tài), 對(duì)生態(tài)應(yīng)有正面影響, 但由于缺乏長(zhǎng)期觀測(cè)資料, 還難以對(duì)水生物影響進(jìn)行量化評(píng)價(jià)。在強(qiáng)震區(qū)的碼頭結(jié)構(gòu)采取改良基礎(chǔ)、消除地基液化層,采用基于結(jié)構(gòu)性能的抗震設(shè)計(jì)方法, 充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)延性變形能力是提高結(jié)構(gòu)抗震韌性的有效途徑。

對(duì)于港口水域, 較大的自然災(zāi)害是港池航道的泥沙淤積問(wèn)題, 尤其是粉沙質(zhì)海岸港口外航道的泥沙驟淤災(zāi)害。研究及實(shí)踐表明, 單純依靠疏浚不能解決問(wèn)題, 一場(chǎng)大風(fēng)引起的淤積就會(huì)使航道礙航; 修建超長(zhǎng)且高的防沙堤將航道均掩護(hù)起來(lái), 理論可行, 但經(jīng)濟(jì)上不允許, 且對(duì)水動(dòng)力環(huán)境造成很大影響。較合理方法是“疏浚與防護(hù)相結(jié)合”、航道設(shè)置合理的備淤深度, 防沙堤采用出水堤與潛堤相結(jié)合方式。防沙堤高程由岸向海逐步降低為潛堤, 這樣可減小對(duì)海域水動(dòng)力場(chǎng)的擾動(dòng), 降低挑流形成的橫流, 利于船舶通航。據(jù)計(jì)算, 京唐港區(qū)口門(mén)防波堤由出水堤改為按潛堤延長(zhǎng)1 km后, 航道口門(mén)處最大橫流由0.85 m/s降至0.67 m/s (肖立敏等, 2020), 并能有效阻擋底部高濃度含沙層。故航道設(shè)計(jì)理念為: 以保障航道通航水深為目的, 在減淤措施與自然淤積兩方尋找經(jīng)濟(jì)平衡點(diǎn), 使人工干預(yù)與自然環(huán)境達(dá)成新的平衡。為此, 首先需確定航道合理的防驟淤標(biāo)準(zhǔn)以及通航標(biāo)準(zhǔn), 再確定防沙堤長(zhǎng)度、高度及合理的航道備淤深度(季則舟等, 2021)。

4 韌性防護(hù)工程實(shí)施策略與方法

從韌性工程角度, 梳理港口及海岸防護(hù)工程, 歸納為多重防護(hù)、吸收性防護(hù)、變形型防護(hù)及生態(tài)型防護(hù)幾個(gè)類型, 可為今后港口及海岸防護(hù)工程所采納?？偨Y(jié)的幾個(gè)防護(hù)類型實(shí)質(zhì)均以衰減、吸收波浪水流動(dòng)力為目的, 改善與環(huán)境的關(guān)系。

4.1 多重防護(hù)

采用多重防護(hù)可逐步削減波浪能量, 減小波浪與護(hù)岸的相互作用, 降低波浪爬高。護(hù)岸可采用不同高程的分級(jí)階梯式結(jié)構(gòu)形式, 構(gòu)成多重防護(hù), 可有效減小波浪爬高, 降低護(hù)岸頂高程, 改善環(huán)境景觀(李艷群, 2018; 中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司, 2022a)。也可在結(jié)構(gòu)前方水域布置潛堤或低頂?shù)虡?gòu)成二重堤, 消減部分波能, 減小波浪對(duì)主體結(jié)構(gòu)的作用。

4.2 吸收性防護(hù)

結(jié)構(gòu)本身采用透空式, 在與水動(dòng)力相互作用時(shí)利于結(jié)構(gòu)空腔吸收、消耗其能量, 降低波浪反射與爬高, 減小對(duì)堤前海床沖刷。如雙柱消浪塊、天力消浪塊護(hù)岸, 兼顧消波與景觀, 可用于城市直立式護(hù)岸(王美茹等, 2001)。長(zhǎng)期以來(lái)防波堤結(jié)構(gòu)大都采用實(shí)體堤, 為避免挑流造成的海床沖刷, 均采用大范圍護(hù)底塊石或軟體排等護(hù)底結(jié)構(gòu)。采用潛堤雖能緩解挑流強(qiáng)度但在潮流動(dòng)力較強(qiáng)海域, 仍能在堤頭附近形成沖刷, 威脅結(jié)構(gòu)安全。以韌性理念重新審視此問(wèn)題, 可采用吸收性防護(hù)結(jié)構(gòu), 吸收強(qiáng)流部分能量, 由排斥、挑流轉(zhuǎn)變?yōu)槲铡⑷诤?。即根?jù)防浪、擋沙、減流不同功能, 將防波堤結(jié)構(gòu)由單一實(shí)體結(jié)構(gòu)改變?yōu)閷?shí)體與透空結(jié)構(gòu)相組合, 在防波堤軸線方向由近及遠(yuǎn)分別采用實(shí)體結(jié)構(gòu)(圖5)、半透空結(jié)構(gòu)、透空結(jié)構(gòu), 在潮流與防波堤相互作用過(guò)程中, 能量不斷被吸收, 減小堤頭流速。半透空結(jié)構(gòu)可采用由日字塊體組成的斜坡式結(jié)構(gòu)(中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司, 2021) (圖6), 其省卻了堤心石及護(hù)面, 兼顧擋沙及透流。經(jīng)試驗(yàn)計(jì)算, 其阻水率達(dá)80%～90% (沈雨生等, 2020), 估算擋沙率80%以上。透空結(jié)構(gòu)塊體可采用空心方塊(圖7), 該結(jié)構(gòu)塊體空隙率達(dá)到63.3%, 堤身空隙率達(dá)40% (謝世楞等, 2009), 有較好的吸收效果。此類輕型結(jié)構(gòu)的應(yīng)用, 也可解決因生態(tài)環(huán)保政策導(dǎo)致石料來(lái)源困難、價(jià)格昂貴問(wèn)題, 同時(shí)可兼顧魚(yú)礁作用, 具有較好的經(jīng)濟(jì)與生態(tài)效益。實(shí)體結(jié)構(gòu)、日字塊結(jié)構(gòu)、空心塊結(jié)構(gòu)防波堤各自長(zhǎng)度, 可根據(jù)功能要求, 結(jié)合工程所處自然環(huán)境經(jīng)模型試驗(yàn)確定。

圖5 傳統(tǒng)實(shí)體拋石結(jié)構(gòu)防波堤斷面示意圖

圖6 日字塊體防波堤斷面示意圖

圖7 空心方塊防波堤斷面示意圖

4.3 變形型防護(hù)

此類結(jié)構(gòu)水動(dòng)力與結(jié)構(gòu)相互作用時(shí), 允許結(jié)構(gòu)變形, 以此吸收波浪能量, 使水動(dòng)力作用與結(jié)構(gòu)達(dá)成平衡。寬肩臺(tái)拋石防波堤即是此種類型, 其無(wú)需混凝土護(hù)面塊體, 由塊石護(hù)面, 在波浪作用下允許坡面發(fā)生變形, 最終形成穩(wěn)定的平衡坡面(圖8)。采用此結(jié)構(gòu)的前提是當(dāng)?shù)赜胸S富的石料資源。寬肩臺(tái)拋石防波堤最早在冰島、丹麥、美國(guó)等國(guó)家應(yīng)用, 我國(guó)首次在大連北良糧食碼頭防波堤設(shè)計(jì)中采用(謝世楞, 1996)。在沿岸輸沙較大海岸，防波堤海測(cè)結(jié)構(gòu)也可由吹填沙組成，形成與波浪及沿岸輸沙相適應(yīng)的平衡坡面。英國(guó)德瑞斯頓灣(Duriston Bay)至赫斯特岬角(Hurst Spit)之間的幾十座丁壩設(shè)計(jì)中也采用了變形防護(hù)理念, 在加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和及時(shí)維護(hù)的前提下, 允許壩體有一定變形, 從而簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu), 節(jié)省了投資(Kemp, 2016)。

4.4 生態(tài)型防護(hù)

近些年, 生態(tài)型防護(hù)技術(shù)大量研究與應(yīng)用, 這實(shí)質(zhì)是使人工結(jié)構(gòu)更接近自然屬性, 也是韌性工程的重要組成部分。生態(tài)型防護(hù)形式需根據(jù)波浪能量選擇, 在波能較強(qiáng)的海岸坡面單純選擇綠植防護(hù)并不適宜(Griggs, 2019)。在防護(hù)堤護(hù)坡上設(shè)置混凝土潮水池或在護(hù)面塊石上留出儲(chǔ)水淺坑, 可在落潮時(shí)留存海水, 為水生物生長(zhǎng)及鳥(niǎo)類提供食物來(lái)源(Perkol-Finke, 2015; Naylor, 2017)。也可對(duì)人工護(hù)面塊體進(jìn)行改進(jìn), 中交一航院在天津南港工業(yè)區(qū)岸線生態(tài)修復(fù)工程中即應(yīng)用了生態(tài)型四腳空心方塊作為護(hù)面塊體(中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司, 2022b), 在傳統(tǒng)四腳空心方塊基礎(chǔ)上, 將頂部與四個(gè)腳對(duì)應(yīng)的位置設(shè)計(jì)四個(gè)坑洞, 落潮時(shí)可留存海水, 并在主體頂面、側(cè)面設(shè)置條狀凹槽, 利于海生物棲息及附著(圖9)。仿生草技術(shù)自20世紀(jì)80年代由英國(guó)發(fā)明以來(lái), 主要應(yīng)用于海底管線防沖刷, 我國(guó)多應(yīng)用于海底油氣管線局部沖刷懸空治理(劉錦昆等, 2008), 此技術(shù)在海岸工程岸灘重點(diǎn)部位防護(hù)中的應(yīng)用值得探索。

圖8 寬肩臺(tái)結(jié)構(gòu)防波堤斷面示意圖

圖9 生態(tài)型四腳空心方塊

以上4類防護(hù)方式, 均不同程度改善了結(jié)構(gòu)與波流的相互作用, 變排斥為吸納融合, 降低了結(jié)構(gòu)損毀的風(fēng)險(xiǎn), 改善了生態(tài)環(huán)境, 即使在損壞后也利于快速恢復(fù)功能, 達(dá)到提高結(jié)構(gòu)韌性的目的。

5 結(jié)論與展望

(1) 海岸工程在抗災(zāi)害過(guò)程中, 傳統(tǒng)地單純通過(guò)提高結(jié)構(gòu)規(guī)模與強(qiáng)度并不是最佳選擇,宜通過(guò)改變?cè)O(shè)計(jì)理念, 優(yōu)化工程設(shè)計(jì), 改善工程與環(huán)境的關(guān)系, 提高工程韌性。

(2) 韌性海岸工程以工程系統(tǒng)與環(huán)境相協(xié)調(diào), 具有吸收和適應(yīng)自然力、災(zāi)害情況下維持其功能以及災(zāi)后可快速恢復(fù)的能力為特征。

(3)針對(duì)港口工程, 提出了韌性港口工程實(shí)施策略及方法。港口規(guī)劃與平面布置方案中盡量少占自然岸線與灘涂, 陸域宜留有一定面積的生態(tài)空間。碼頭結(jié)構(gòu)采用透空或部分透空方式可改善水動(dòng)力作用。疏浚與防護(hù)相結(jié)合, 合理的防沙堤尺度與航道備淤深度, 使其與水動(dòng)力、泥沙運(yùn)動(dòng)達(dá)成環(huán)境與經(jīng)濟(jì)的平衡點(diǎn), 可有效解決航道驟淤災(zāi)害問(wèn)題。

(4)針對(duì)海岸及港口防護(hù)工程, 提出了韌性防護(hù)工程實(shí)施策略及方法。從韌性工程角度, 可采用多重防護(hù)、吸收性防護(hù)、變形型防護(hù)及生態(tài)型防護(hù), 其實(shí)質(zhì)以衰減、吸收波浪水流動(dòng)力為目的, 并利于生態(tài)環(huán)境, 可根據(jù)不同工程功能及自然環(huán)境條件選用。

(5) 對(duì)韌性海岸工程從不同角度、目的及方法方面已有較多的研究與實(shí)踐, 但還缺乏長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)及整體系統(tǒng)性研究?？茖W(xué)問(wèn)題包括工程結(jié)構(gòu)與環(huán)境的相互作用機(jī)理、機(jī)制以及對(duì)生態(tài)影響的量化效應(yīng)等方面。技術(shù)問(wèn)題包括材料、結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與耐久性以及災(zāi)后功能快速恢復(fù)技術(shù)等。

(6) 結(jié)合研究與實(shí)踐, 需構(gòu)建韌性海岸工程量化評(píng)價(jià)指標(biāo), 建立評(píng)價(jià)體系, 并修訂及編制相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

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CONSTRUCTION STRATEGIES FOR RESILIENCE COASTAL ENGINEERING IN HARMONY WITH ENVIRONMENT

JI Ze-Zhou

(CCCC First Harbor Consultants Co., Ltd., Tianjin 300220, China)

Natural disasters cannot be well-prevented by coastal works by selecting traditional methods such as the increment of structural sizes and strength. In comparison with the traditional concept, it is appropriate to improve the coastal resilience by coordinating the project with local environment. Coastal resilience works integrates the whole system with the environment and absorbs or adapts to natural force in order to maintain its functions under natural disasters, or quickly recover its performance after the disaster is gone. The resilience strategies and methods were recommended for port, coastal, and protective projects. Based on the concept of resilient engineering, the optimization principles and plans were proposed for port planning and plane layout, the design of berth structure, and channel in complex environment. In the protective works of coast and port, multi-protection, absorptive protection, deformation protection, and ecological protection can be used to improve the performance of the protective construction in harmony with local environment, and consequently enhance the engineering resilience.

resilience coastal engineering; port engineering; coastal protection; environment; channel; breakwater

* 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目, U1906231號(hào); 天津市交通運(yùn)輸科技發(fā)展項(xiàng)目計(jì)劃, 2020-11號(hào)。季則舟, 正高級(jí)工程師, E-mail: jizezhou@fdine.net

2021-12-27,

2022-02-25

P753; U656; U651

10.11693/hyhz20211200344