海塘工程技术问题探索

陈红发

（宁波市象山县水利和渔业规划中心，浙江 象山 315700）

1 问题的提出

海塘护堤作为滨海防浪御潮的基础设施，是保护对象的安全屏障。直接影响防护工程的海域动力主要因素为风速、波浪和潮位、流速，归纳为风浪与潮流即风潮组合。

实施海塘安澜工程主要是保海滩、固堤岸、培护塘，涉及生态景观、滩涂利用、海上风电、交通渔港和文化旅游等方面。本着整体、协调、持续的发展原则，遵循海域尺度、时间进阶、功能融合的均衡法则，考量标准、安全、经济的技术准则。将国家标准GB 50201—2014《防洪标准》、GB/T 51015—2014《海堤工程设计规范》及行业标准、地方标准《浙江省海塘工程技术规定》（浙江省水利厅1999年出台）等融会贯通，取长补短锁定海岸随机遭遇风潮组合的蝴蝶效应。

海塘工程设计规范推荐风潮组合以同频率为宜，认为同频共振是最不利工况，而现实遭遇风潮组合多是异频率，要转换为同频率考量，故开展基础理论研究，采用重现期风险概率模型方法，经过模型验证和实践应用，具有自然普适性，可拓展应用于其他领域。关键技术问题的核心内容分为3个方面：标准与风潮组合、结构与防浪御潮、风险与预测防范。

2 标准与风潮组合

海塘防御功能的规划设计标准，以重现期表示综合性指标，关联保护对象的要求与防护结构的需要协调统一，力争体现安全性高、风险性小和投资额少的规划设计思想，合理规避风险，提高防御能力。风险概率指满足共现概率的同现概率，是保证随机风潮组合的防护结构的关键技术指标。以潮位频率重现期T为基准，相应匹配风速频率重现期组合的阈值（T/LnT，T/（1-Ln（e-1）））比较宽泛，同频只是特殊情景，可以最大限度适应海况环境变化，满足设计标准重现期。

2.1 防御标准选择

针对发生的自然灾害现象，存在周期性的重现规律。鉴于小冰河期存在周期为100～400 a，呈现旱涝以11 a与30 a周期叠加变化，其实是日地月活动周期合律。根据《海塘工程风潮组合风险研究》，接近太阳辐射和磁暴作用对地球大气环境产生影响的周期11 a或者22 a，与月球影响长短周期18.61 a或者8.85 a耦合周期（97.35～409.42）阈值关联。其中月球引潮力为太阳的2.18倍，而且潮汐变化与太阳活动有相同的200 a（18.61×11=204.71）组合周期，与气候特性周期一致。

海塘防御标准的重现期高，则安全性强，相应风险低，但是经济性差。基于社会经济发展水平，从保护对象的规模和重要性出发，防御标准选择以200 a一遇为界比较适宜，特别重要的可取至400 a一遇，以应对极端海洋气象环境变化。需要特别说明的是，就防护结构的安全和可靠性而言，选取最不利工况的风潮组合频率匹配，相应风潮频率重现期与设计标准重现期不一定相同，并且存在无穷多组合，即风潮组合异频率状况。尤其是高、低防御标准的风潮组合异频情况（高频率潮位T＜e2遇强风速增水骤然升高，风潮组合存在正相关无序，如象山“八一”台灾情况；低频率潮位T≥e2的增水升高相对减弱，风潮组合存在负相关有序），主要考虑经济性问题采用风潮异频组合。

海塘工程设计标准具有时效性，主张适度提升，相应工程级别可能提高。鉴于既有海塘工程主要存在2个核心问题的技术标准考量：其一是安全性。工程级别安全系数难以满足规范要求，涉及软土地基加固技术应用，处理难度大、施工时间长、工程费用昂贵。其二是适宜性。因标准提升必然会增大波浪要素值，相应越浪量可能超越允许控制指标，势必加高塘顶高程从而削弱整体稳定程度，或者调整允许越浪量控制指标。而采取加强落实工程技术管理措施以弥补既有缺陷、消除潜在风险隐患，不如直接采取防御越浪结构的保护措施，显得可行有效且经济合理。

关键技术的焦点是工程级别与对应技术指标的响应配置，具有一定预设的先验性，与事实无法匹配。而现有规范是强制性内容，缺乏保持原有设计工程级别的灵活空间。要区别设计重现期与风潮遭遇频率重现期的关系，前者是保护对象的要求，后者是防护结构的需要，将二者融合于海塘工程防浪御潮主体功能之中。

针对具体工程综合系统功能多样性的要求，利用风潮组合的研究成果，增强针对性，减少盲目性，有必要借助数学物理模型验证，统计既往风潮频率组合遭遇致灾状况，邀请学者专家进一步分析论证权衡利弊，认可海域风潮边界适宜的控制范围，确认保安提效升质的标准和风潮组合频率配置，报上级技术主管部门审查认定批复。

2.2 风潮组合分析

海塘工程水毁调查分析和观测资料表明，针对关键技术和主要特点，其核心是风浪与潮位的组合，即风潮组合匹配。近岸影响最大是潮位，其次是风速，但是过程中相互伴随并非同频率，尤其外海风潮组合低重现期，风速起决定作用，产生耦合振荡波浪逐渐涌向海岸，从而胁迫潮位增高，要视海况权衡选择。潮位与风浪是按一定的规律进行有机组合，出现高潮位时，风浪不一定最大，对海塘工程威胁相对较小；出现最大风浪时，潮位不一定最大，可能对海塘带来较大威胁；最高潮位与最大风浪同时相遇，造成海塘损坏甚至溃毁。但是风速增大到一定时或者逐渐趋向缓慢甚至减弱时，潮位控制决定最大波高，不同频率的重现期潮位差异较小，而不同风速造成的浪高差值较大，与潮位比较，表现为变化的风浪对海塘的动态冲击是海塘破坏的主要因素，但是受到潮位限制，需控制极限波高。关键问题是解决海塘风浪越顶，避免影响工程安全运行。极限波高是个比较敏感的参数指标，但贡献并不一定最大，应当结合其他重要指标，对事件相关性、伴随性进行分析判断，以达到安全与经济的均衡。

e常量是自然对数底数，要求重现期T≥e2，否则存在相关系数突变，即正相关无序。

2.3 主要成果

根据防潮设计标准重现期T，以设计潮位频率重现期Ta=T为基准，确定风潮频率组合方式，考量随机风潮组合的因果性、相关性和伴随性，满足防浪结构安全可靠。为适应风潮组合的不确定性兼顾经济性，匹配设计风速频率，重现期Tb基本准则为：

（1）设计低标准10 a≤T＜20 a，Tb取（T，T/（1-Ln（e-1）））之间，重现期T在10 a附近宜取大值，强化防浪结构适应风速的不确定性，降低除险加固维护费用；

（2）设计中标准20 a≤T≤50 a，Tb取相同频率重现期T；

（3）设 计 高 标 准50 a＜T≤400 a，Tb取（T/（LnT-1）≥50，T）之间，随工程重要性、经济性而定。

针对既有标准海塘工程的设计标准重现期T，遭遇随机频率重现期的风潮组合情景要求T≥（TaTb）0.5安全；否则存在风险，按同现概率P（T∩）值查表2风险阈值的分等级预警，作好安全防范工作。综合研究成果，基于潮位设计标准重现期T，能够保证风潮组合的防浪工程结构的可靠性在（2/e，1-T-1）之间，而且遭遇情境的可能性为P（T∪）= 1-T-1，即共现概率条件明确。

3 结构与防浪御潮

海塘工程的规划设计进程，从传统的“潮四浪三”向现代的“风潮组合”技术演进。从遭遇台风暴潮组合频率关系中，关注水文、水力和水量的相互关联制约，动力因子由风速与波浪、潮位与流速决定，利用重现期超越概率原理，以潮位为水文基准认证综合系统功能层次，从风浪要素论证结构性能，结合越浪水量确立最佳风潮组合界限，确定最优工况。

3.1 结构类型确定

从风潮成因分析可知，太阳辐射或者磁暴引发外洋风速，推波助澜；月球引潮主宰近海潮位，风起潮涌。根据海塘护堤工程所处海域环境状况，按功能要求和施工技术进步情况，断面多数演化为复合类型。掩护港湾“有风必有浪”，说明风浪关系密切，按风速推算波浪，持续风时短，结构以“土筑堤石护面”为主。敞开海湾“无风三尺浪”，表明外海风浪汹涌，持续风时长，波浪系列混合重组耦合振荡，沿程推进涌向海岸，结构以“石筑堤土防渗”为主。极端情况近岸高潮位低甚至无水，持续风时短，即使深水区风浪最大也不妨碍工程安全，但是近岸海滩容易遭受冲刷，可能危及海塘安全。因此潮位（天文潮+风暴潮）是防护工程安全的决定要素，尤其要关注历史最高潮位与持续伴随风速组合的情况。

为消减波浪能量，迎海面坡度宜采取下缓上陡断面型式结构，充分利用镇压层结合消能，尽可能减少波浪爬高，从而降低高度对软土地基附加应力的影响，有效控制沉降变形，协调差异，并且预留工后沉降超高。但是要与允许越浪指标相协调，满足防浪御潮结构性能的要求，至少保证历史最高潮位，或者按“潮四浪三”标准确定海塘高度，尽可能降高增宽拓展景观视野，缓冲越浪提高海塘整体稳定。

3.2 防御风险界定

面临汛期，高潮位的波浪是影响沿海海塘工程安全的主要动力因素。掩护港湾受风浪作用，采用规范推荐的莆田公式计算风浪要素；敞开海湾受风浪与涌浪混合浪沿程传递，共同作用动力强劲，参照《敞开海域波浪计算方法》[1]结合《浙江省海塘工程技术规定（上册）》，推算波浪要素。尤其是台风期间，实测潮位为风暴潮与天文潮叠加的结果，风暴潮是由移行低气压和风应力引起的增水。通过历次台风过程综合分析得出，遭遇台风时，低频率重现期天文大潮受强风速胁迫，增水产生重组振荡，引起的风暴潮及波浪的基本特性如下：

（1）由热带气旋吸收大气能量发展为台风时，外洋由风速控制风浪，近海主要受潮位影响：高潮位重现期大于10 a，由增水与天文大潮叠加产生，越浪量东海岸比港湾大，甚至超过允许越浪控制值；高潮位重现期小于10 a，由天文小潮与增水叠加产生，并且具有小潮汛增水反而大的特性；最高潮位一般滞于台风登陆后。

（2）沿海最大波浪的波向为NE-E-SE，最大波浪通常出现在台风登陆前，尤其要关注台风“回南杀西”突变效应，过程历时短暂，致灾度高。

当遭遇台风暴潮时，风潮组合并不是完全同频率，而是以一定频率异步位相为主相遇。根据理论研究成果和工程实践经验，设计重现期T大于10 a，风潮组合呈负相关有序（从表1中可知，相关系数变化一致，属于负相关有序）；设计重现期T小于10 a，在（1，e/（1-e-1））之间呈现正相关无序（从表1中可知，相关系数突变异常，属于正相关无序），尤其是高频率天文大潮遭遇强风速导致增水叠加，更要重点关注。因此，推断海塘工程安全状况，必须满足风潮组合关系T≥（TaTb）0.5，否则要校核同现概率P（T∩）=1-（e-T/Ta+e-T/Tb）+T-1，检验风险程度确定所在阈值相应等级，予以警示并落实防范措施。

表1 风潮组合关系分析成果表

依据“斐波那契”数列特性，符合自然螺旋收缩或扩张发展规律，由同现概率划分标准海塘工程风险阈值评估与预警等级，纠正阈值区间均化顺应自然演变。依照受载状况分3种类型（超临载、临载和亚临载），据可能受灾程度分为5级颜色（红、橙、黄、蓝、绿）予以警示，按发展趋势分加剧型（黄、橙、红）和趋缓型（橙、黄、蓝）采取相应预案（见表2）。

表2 标准海塘风险评估与预警等级划分表

4 风险与预测防范

为实现精准预测，应适时评估风险，加强应急保障措施，提升减灾应对处置成效。外洋风速控制潮波推进，近海沿岸潮位决定波浪。根据海塘分海域的潮位和风速，将风潮组合随机频率重现期转换为相同频率重现期，与防御标准的重现期进行比较，针对性预测风潮组合频率的风险阈值，验证海塘工程的安全状况，作为理论依据，支撑防汛减灾指挥决策。

4.1 罕遇风险评估

象山县历经台风暴潮影响，其中登陆象山县和影响大的台风，以所在敞开海域大目洋的门前涂海塘工程为例，选取受灾最为严重且具有代表性的2次典型风潮组合：

其一是1956年8月1日台风“温黛”登陆，恰逢农历六月廿五天文小潮日，历史潮位小于3.26 m（相当2 a一遇），由于增水叠加，潮位超过4.00 m（接近20 a一遇），持续风速42 m/s（复核值为210 a一遇），最大风速60 ～ 65 m/s。当时按历代传承的“潮四浪三”方法，推测塘顶高程5.00 ～ 6.00 m，经计算相当于20 a一遇标准，风潮组合频率重现期72 a，远远超过原来状况的防御能力。据经历者描述，现场漫顶越浪超过塘顶3.00 m以上，导致全线溃决，损失惨重。校核其风潮组合的同现概率P（T∩）=-0.227 0＜0，说明遇低潮汛超强台风使海滩及基础冲刷，过程逐渐受到外海涌浪胁迫，抬升增水形成特高潮位，从而漫顶溃决，评估其风险概率属于Ⅰ级红色极重状态。

其二是1997年8月18日台风“温妮”影响，正遇农历七月十五天文大潮汛，增水叠加潮位4.54 m（复核值为75 a一遇），持续风速35 m/s（38 a一遇），最大风速42 m/s，塘顶高程6.50～7.00 m（存在局部地段低），基本符合50 a一遇标准，风潮组合频率重现期53 a略超过标准，幸好局部地段损毁及时抢险，避免了极重灾害发生。校核其风潮组合的同现概率P（T∩）=0.238 3，对照表2处于（3e-1-1，1-2e-1]之间，评估其属于Ⅱ级橙色严重状态。

从案例中可知，门前涂海塘20～50 a一遇标准提升，工程结构型式优化演进，有利防御减灾；从传统“潮四浪三”向现代“风潮组合”技术进步，考量时间进阶、空间尺度和功能层次改进，符合自然灾害发生周期41 a（30+11）变化组合规律。因此要特别注意海域水动力的极端风潮随机组合，属于比现行规范同频组合更为不利的最不利工况，极有可能超越设防标准而致灾。

4.2 常遇风险检验

象山县皇城沙滩标准海塘工程位于象山县东海岸面临敞开海域，采用潮位与风浪同频组合，当时设计标准为10 a一遇不允许越浪，接近20 a一遇允许越浪。根据20 a历次风潮组合检验，虽然高潮位尚未达到设计指标值，但是遭遇的实际风浪超过设计重现期标准，其中受2012年台风“海葵”、2017年台风“灿鸿”的风浪动力作用影响，沙滩动态平衡变幅范围广，现实工程结构整体安全，但因海浪携带大量海沙涌上塘顶沉积，越浪量明显过大，需根据同现概率和越浪量的大小进行综合分析判断（见表3）。

表3 象山县皇城沙滩工程风潮组合风险评估表

5 结语

反演算风潮组合分析结果可靠，表明低防御标准的风潮组合状况可以保证结构性能达到1.48T标准，进行简单计算就可获取结果，从而准确作出动态评价。风潮组合具有不确定性，以不变应万变存在一定风险，要有与风险共存的意识，强化运行养护管理。其中潮位是决定性因素，同频率设计结构具备一定防御潜力和安全保障。风潮组合不确定性所蕴含的风险，可削弱服役工程结构性能，逐渐产生累积效应，甚至有可能突破结构安全状态，这种演化态势切不可掉以轻心。