【科普】海岸防护工程

中国的海岸防护工程历史悠久，规模宏大。其中抗御台风风浪和杭州湾涌潮袭击的钱塘江海塘久有盛名。钱塘江海塘始建于两汉时期（公元前 206～公元220），五代(907～960)时用竹笼填石作塘，以后开始筑石塘，清代乾隆年间(1736～1795)大多改为石塘。**的钱塘江鱼鳞大石塘出现于明代(1368～1644)，清代又有改进（图2）。鱼鳞塘全部采用条石建造，相邻条石用铁件嵌固。塘脚前滩地上用排桩夹石构筑成坦水，通常设有一至三道，称为头坦、二坦、三坦。实际上，塘身是岸坡防护工程，坦水是护脚或保滩工程。另一种石塘为条块石塘，只在临水一侧用条石砌筑，内侧堆填块石。明、清时期修建的海塘，经历了数百年浪潮的侵袭和淘刷，至今仍有部分基本完好，发挥着良好的作用。鱼鳞塘、条块石塘都是直墙岸壁式海塘，近40年来采用了带平台的斜坡式海塘，建造经济方便，防护效果良好。塘前也设有坦水。钱塘江两岸仍用传统的丁坝群保护滩地，主丁坝头部成功地采用直径达20米的巨型沉井来抗御涌潮。20世纪50年代以来，中国沿海多数土堤增加了块石或草皮护坡，不少滩地采用工程或生物措施防浪促淤。

荷兰、美国、日本在海岸防护方面都比较先进，有丰富的经验。荷兰**的须德海工程，海堤长达30余公里；三角洲开发工程，海堤断面大、标准高，施工机械化程度高，堤身沙土用水力冲填，混凝土或沥青护面用机械浇筑。美国系统地研究海岸演变与防护设施50余年，提出了完整的海岸防护规划、设计标准和方法，在世界上得到广泛应用。日本近40年兴建的海岸防护工程保护了15000公里海岸线，约占其海岸线总长的一半。

海岸工程建筑物的结构型式通常分为斜坡式、直墙式、透空式、浮式等4种。前两种为传统的重型结构，由块石、混凝土或钢筋混凝土等材料构成；后两种为轻型结构，由木材、钢材或钢筋混凝土等材料构成。重型结构一般能取得较好的工程效益，但也给周围环境带来显著的影响。例如采用传统的防波堤能获得较平稳的海港水域，但也能造成海港泥沙淤积及周围岸滩新的冲淤演变。轻型结构可减少对周围环境的影响，在较深的水域也可减少工程造价，但工程效果和耐久性往往较差。由于海岸带水文、地质条件的复杂性，海岸工程的布置及其建筑物结构型式，常需要通过室内模型试验、数学模型和现场测验等手段进行研究论证 。

海岸防护工程包括海堤及对自然岸坡的护岸、护脚、护滩工程。

在河口、海岸地区，为了防止大潮的高潮和风暴潮的泛滥及其伴随风浪的侵袭造成土地淹没，在沿岸原有地面上修筑的一种专门用来挡水的建筑物称为海堤(Sea dyke)。中国江苏长江以南和浙江一带也称为海塘。海堤也是围海工程的重要工程设施。

海堤一般不容许波浪、水流越顶，堤顶高程在波浪爬升高度以上，并留有一定的安全超高。设计水位和设计波要素的标准一般根据海堤的工程规模、重要性、实际经济效益来确定。海堤的顶宽根据堤身结构、交通运输、防汛抢险及施工等需要来确定。海堤的平面布置应使堤线平顺，尽可能避开强风和水流的正面袭击。

海堤断面型式及其尺寸的确定与当地水深、动力因素、地基特性、材料来源和施工条件等有关，海堤可分为斜坡堤和陡墙堤两种主要型式，以及斜坡堤和陡墙堤相结合的混成堤。

1.斜坡式海堤

最简单的斜坡堤为梯形断面，采用单一的斜坡。通常临海一侧的坡面，采用上下不同坡度或中部设置平台（戗台）的复式断面。斜坡堤消浪性能较好，对地基沉陷变形适应性强，施工简便。但断面、施工土方量和占地面积都较大。斜坡堤堤身一般用土料填筑。迎海一侧外坡直接承受波浪、水流的作用，其结构稳定性关系到堤身的安全，常采用保护堤身的防浪抗冲材料，称为人工护面。坡度一般为1:1.5～1:5，无护面的外坡更平缓，具体坡度视土质而定。背海一侧的内坡常采用植物护面，坡度一般为1:1.5～1:4。人工护面有块石、混凝土块或人工异形块体（见防波堤）、混凝土板等结构型式，护面下设置碎石滤层或垫层，防止堤身的沙土被吸出。护面范围从坡脚至波浪上爬最高处。在水浅、浪小、滩地较高的地段，外坡也可以采用植物护坡。

2.陡墙式海堤

一种传统型式的海堤。要求墙体在波浪作用下保持稳定。外侧采用块石砌筑成陡墙或直墙，墙后堆填砂或沙土，陡墙也可用混凝土方块砌筑，或用沉箱建造。陡墙后填土的内坡一般与斜坡堤的内坡相同。陡墙堤占地面积较小，工程量小，但地基应力比较集中，堤身沉陷量大，因而要求有较坚实的地基。另外，陡墙堤受到的波压力也较大。

为防止水流、波浪淘刷斜坡堤和陡墙堤的坡脚，常采用加固措施，如在坡脚抛石、抛混凝土块，或修筑块石棱体等。在软基上修建海堤，还需进行地基处理（见围海工程）。

在河口、海岸地区，对原有岸坡采取砌筑加固的措施，用以防止波浪、水流的侵袭、淘刷和在土压力、地下水渗透压力作用下造成的岸坡崩坍。

护岸工程分为斜坡式护岸和陡墙式(包括直墙式)岸壁两种型式。斜坡式护岸的护面结构、护面范围基本上与斜坡堤相似。在滨海城镇或兼有系靠船只需要的岸段常建造陡墙式岸壁，采用砌筑石墙、混凝土重力墙、钢筋混凝土扶壁式挡土墙或板桩墙等结构。护岸工程除承受波浪、水流作用，陡墙式岸壁还要承受土压力作用。由于护岸工程的顶标高度与地面平齐，还将受到来自岸内侧地下水渗透压力的作用。为了减小岸壁内侧水压力，可在内侧采取排水措施，包括在护岸壁后填筑排水滤层、护岸壁上开排水孔。内侧回填土尽可能采用排水性能好的沙质土。护岸坡脚的加固措施一般与海堤的护脚措施相同。

沿海城镇的护岸工程结构、标准和布置，除保证岸坡稳定外，还应考虑城镇防汛、交通、环境绿化等要求。

保护沿海滩涂，防止滩面泥沙被波浪、水流淘刷的工程设施。淤泥质或沙质海滩的泥沙被波浪掀起、悬浮并随水流输移，致使滩面发生剥蚀，海堤、护岸的坡脚逐渐受淘刷，甚至引起海堤或护岸坍塌。一般的保滩工程除能保护滩涂外，还间接地有护堤、护岸的功能，并有促使泥沙在滩面落淤的作用。可采用建筑物（如丁坝、顺坝、护坦、护坎等）、植物、人工沙滩等防护措施。

1.丁坝

坝体与岸线成丁字形布置，坝根与堤、岸衔接，坝身向海延伸。丁坝能将水流挑离岸边，拦截沿岸漂沙使之落淤。同时，对斜向波浪还有一定的掩护作用。为保护大片滩地并促使其淤涨，常需建筑一至数道较长的丁坝，拦截较多的泥沙。长丁坝挑流显著，对上下游、甚至对岸都会产生影响，设计时要慎重考虑其平面布置与长度。为保滩护岸、防止主流逼岸，常采用多道短丁坝组成的丁坝群。丁坝群也用于河口地区，能使水流归槽，刷深航道。丁坝群伸出岸边不远，挑流较和缓，不会剧烈改变流场，只要间距适当，坝田内也会有一定淤积。丁坝的间距与坝长和滩地的泥沙特性有关，一般根据实际经验或水力模型试验确定。丁坝平面布置有与水流正交、上挑或下挑三种方式。上挑时挑流效果**，但坝头附近冲刷剧烈；下挑时水流较规顺，挑流效果则较差。双向水流或波浪方向不定时，以采用正交布置为宜。丁坝根部的坝顶高程一般取平均高潮位以上，但不高于相连或附近的海堤顶或护岸坡顶，坝身顶的高程随着向海延伸逐步降低。坝头附近因水流集中，常形成冲刷坑，需采取防冲加固措施，如用柴排护底、抛石或抛人工块体、使用沉箱或沉井结构等。

2.顺坝

在离岸一定距离的水中建造的与岸大致平行的坝体。也称顺岸坝。用以消减波浪并促使泥沙在坝后岸侧沉积。顺坝的长度根据所需防护范围而定，可布置成连续的或间断的两种。为拦断沿岸流，也可采取丁坝和顺坝相结合的布置方式。顺坝坝顶较高时，能较好地消减波浪能量，岸滩防护效果显著。但此时波浪荷载也较大，要求坝身结构更加稳固。坝顶经常淹没于水下的称为潜顺坝，其坝顶高程略低于平均潮位。高潮位时坝顶不淹没的称为出水顺坝，其坝顶高程高于平均高潮位。

丁坝和顺坝的断面有直立式和斜坡式两种。斜坡式用松散块体堆筑，直立式用板桩、木桩或沉箱构筑。坝体可以透水或不透水。挟沙水流可以穿过的木桩编篱坝、拦栅坝和网坝等为轻型透水坝，水流与波浪所受的阻碍较小，同时坝体承受的荷载也较小，一般坝脚冲刷程度轻微。挟沙水流不能穿过坝体的有沉箱坝、板桩坝、砌石坝等为重型不透水坝。抛石坝和抛方块坝虽然容许部分水流穿过坝体，但坝周围水流特性与不透水坝相似。

3.护坦和护坎

海堤、护岸前面的局部保滩工程措施称为护坦或坦水。堤前滩地有阶梯状地势起伏时，为防止高滩地的前沿崩坍后退，在高、低滩间的陡坎处构筑护坎（图1）。

人工沙滩 　在沿海受冲刷的岸段，采用人工填沙的方法恢复原来的沙滩或抛填成新的沙滩，称人工沙滩。一般在附近有大量廉价沙源时采用，或结合疏浚工程吹填。现在，人工沙滩还用于建造海滨浴场。这种方法始于美国，以后推广到欧洲及日本。另外，在滩地上种植大米草、红树林或其他植物，可以消波缓流，促使泥沙落淤。大米草可在温带沿海种植，红树林则适于亚热带、热带的沿海滩涂生长。沙源丰富的海域，泥沙在水流、波浪、风力作用下常堆积成沿岸沙丘，成为保护岸滩的天然屏障。欧洲北海沿岸的天然沙丘较多，为了保滩护岸，常在沿岸修筑拦沙栅，促使沙丘的形成和发展。