海堤防御标准遭遇风险探讨

［摘要］ 根据海堤防御对象的期望要求，调查分析海堤遭遇台风暴潮破坏模式和特点，提出风险概率计算方法，并且得到初步验证。港湾海域波浪未破碎，风速起控制作用，应按风浪设计重现期取最大为2.1802T；敞开海域波浪破碎，堤前水深起决定作用，应按潮位设计重现期取最大为2.1802T。海堤遭遇的风浪与潮位组合的风险概率在0.0000―0.2642之间，同频率组合为0.2642。利用风险概率理论设计，界定免灾保证率指标，提高工程结构安全度是未来设计发展方向。

［关键词］海堤；防御标准；潮位；风浪；风潮遭遇；风险概率；重现期

中图分类号：TU753.62 文献标识码：A

1.问题背景

海堤防御标准是指其应具有的防御潮水和波浪袭击的能力，通常以设计潮位（水位）和波浪（风速）的重现期表示，根据其防护对象的重要程度、工程等级、致灾损失和综合效益分析确定。《海堤工程设计规范》[1]规定：海堤工程的设计重现期潮位与波浪采用相同的频率。最明显缺陷是忽视潮、浪遭遇的可能性，难以把握安全与经济的技术经济指标权衡，与社会经济发展状况相适应。针对海堤设计重现期潮位与波浪（或者风速）遭遇组合问题，目前有两种情况应对措施：一种主张潮位、风浪重现期相同（即同频率），如浙江，广东等；另一种主张两者重现期不同（即异频率），如福建，上海等。前者认为，沿海地区出现年最高潮位主要由台风增水所形成，所以高潮位与风速、风浪关系密切，而且堤前水深较浅，在较大风浪时堤前往往产生破碎波，破碎波高与水深（潮位）有关，因此风浪与潮位的重现期比较接近；后者认为潮位、风浪同频率偏安全，会使海堤设计标准过高、投资过大，因此采用潮位、风浪重现期各异。其实这些主张都存在着一定的认识误区。

为此科学合理确定海堤防御标准核心是技术经济的安全问题，意义深远而且很有必要。从海堤破坏机理以及主要动力因素分析，所反映设计标准的潮位与风浪组合以及相应遭遇的风险概率，进而明确海堤防御标准致灾接受程度，作为海堤设防运行风潮遭遇的最不利控制工况。

2．理论分析

《浙江省海塘工程技术规定》[2]的设计标准，是依照阶段经济水平制定的，尚属低标准，要随着经济发展而提高。一般而言，实际潮位相符较好，但是短历时风速往往超过设计指标，因此采用同频率设计不尽恰当，应该合理确定设计高潮位相应的持续风速设计频率，更加符合实际情况。又具体海堤工程的防御标准是固定的，而风浪是随机的，发生最大风速时间与潮位变化不一定同步，但是存在相关遭遇的风险概率。以不变应万变，做到万无一失，那是不现实的也没有必要，切实研究其客观存在的遭遇可能性就显得非常重要。

根据风险概率理论，如果事件设计重现期为T年，则事件在任何一年中出现的概率为1/T，不出现的机率为（1―1/T），合理使用年限为L年（L≤T）而且属于彼此无关的独立事件，因而重现期为T年的事件在L年中，不出现的概率为（1―1/T）L，出现的概率或危险性则为P(T)=1―（1―1/T）L，依据极限原理可以用近似公式替代，即风险概率公式：

P(T)=1―e -L/T ………………………………………………（1）

设随机事件A、B为潮位、风浪，且存在一定的相关并不独立，因为潮位由天文潮和风壅增水组成，天文潮是周期性涨落，潮汐无限序列周期为18.61年，增水与风浪是风共同作用的不同结果，而且都是同频率的完全相关随机事件，总是受到风速、风向、风时等影响，但是风与天文潮不相关。由公式（1）可知，如果在设计重现期为T年内，且L=T，随机事件A、B出现的最大风险概率为P（A）= P（B）=0.6321，并且相应的随机事件A、B至少有一个发生的风险概率必定为P（A∪B）=1。对任意事件A、B都遵循概率运算法则的加法公式：

P（A∪B）=P（A）+P（B）―P（A∩B）…………………………（2）

由公式（2）和相应风险概率参数指标推出P（A∩B）=0.2642，为随机事件A、B同时出现的风险概率最大值，说明潮位与风浪组合所遭遇的可靠度只有73.58％，相当于3.26T年一遇，作为海堤安全防御的同频率设计控制工况，是比较危险的。如果潮位或者风浪超越设计重现期T年时，采用潮位与风浪异频率即T0≥L=T，此时P（A）或者 P（B）=0.6321 ，0≤P（A∩B）≤0.2642，利用公式（1）、（2）得到潮位与风浪的重现期关系：

T≤ T0≤-1/ln(1-e -1)T≈2.1802T ………………………………….. .(3)

由此推断要保证风潮遭遇的可靠度大于73.58％，应该采用异频率设计，潮位与风浪组合的重现期关系必须满足公式（3）范围内的控制条件。例如潮位或者风浪的重现期组合取(a) T0=1.5T，风潮遭遇的可靠度为88.13％，相当于7.9141T年一遇；(b)T0=（1+ln2）T≈1.6931T，风潮遭遇的可靠度为92.19％，相当于12.2917T年一遇；(c)T0=2T，风潮遭遇的可靠度为97.44％，相当于38.5757T年一遇；(d)T0=2.1802T，风潮遭遇的可靠度为100％。从水文气象风险理论分析和风潮遭遇的可能性，采用风浪或者潮位的重现期T0=2T是比较妥当的，风潮遭遇的风险概率为0.0256(异频率)其相应遭遇重现期38.5757T；但当风浪与潮位组合所遭遇的风险概率为最大值0.2642（同频率）时，遭遇风险概率与上海[3]估计的0.2500比较接近，其风潮遭遇重现期3.2589T与上海[3]应用的4倍关系相比较，遭遇重现期确实存在一定差异，但是毕竟反映了上海地区风潮遭遇所采用海堤防御标准的客观事实，有待于进一步探索完善。

海堤设计防御标准组合指标

海域 敞开 港湾

风潮组合T 1.0:1.0 1.5:1.0 2.0:1.0 1.0:1.0 1.0:1.5 1.0:2.0

遭遇风险 0.2642 0.1187 0.0256 0.2642 0.1187 0.0256

遭遇标准T 3.2589 7.9141 38.566 3.2589 7.9141 38.566

安全状况％ 73.58 88.13 97.44 73.58 88.13 97.44

其实海堤遭遇的风浪与潮位组合状况，极端情形只要堤前的潮位接近滩涂即水深趋向为零，无论风浪怎样大对海堤是安然无恙的，说明潮位对海堤安全影响至关重要。为此既定风浪的设计重现期T，在使用期间L内，相应发生风险概率为P（B）=0.6321，假如潮位可能遭遇的重现期为（1+ln2）T，相应超越发生风险概率为P（A）=0.4460，风潮遭遇发生风险概率为P（A∩B）=0.0781，由此说明风浪与潮位组合，采用异频率比同频率出现的风险概率小得多，是海堤安全运行的最不利控制工况，有利于工程安全。为此要保证海堤满足免灾保证率90％或者95％以上，即致灾为公众所接受的期望程度，必须符合潮位与风浪组合重现期关系1.0：1.60或者1.0：1.85，有助于海堤防御对象灾难发生而采用设计标准的关键措施。

3．实例验证

象山海域分为两类：港湾海域风区有限，涂高浪小，潮位较高，以风浪为主，浪向受季风支配，俗称“无风不起浪”；敞开海域风区无限，涂低浪大，潮位略高，以涌浪为主的混合浪影响最甚，浪向为东及东南，俗称“无风三尺浪”。从海堤所在海域受风浪作用影响结构演变状况分析，基本结构类型：港湾海域以挡潮为主“土筑堤石护面”，敞开海域以防浪为主“石筑堤土防渗”。根据海堤历来水毁现场调查研究分析发现，遭遇台风暴潮破坏模式：港湾海域遇高潮位时，局部渗透变形破坏或者漫顶冲刷土体决口破坏，破坏程度受潮位持续时间影响，过程一般比较突然；敞开海域遇高潮位时，外坡护面结构波浪作用失稳破坏或者越浪冲刷土体剥蚀破坏，破坏程度受风浪作用持续时间控制，过程相对比较缓慢。

根据宁波历史记载1949―2006年的57年中，直接损失10亿元以上或者受灾500万亩以上的有13年，平均4年有1次严重台灾；从台风活动规律统计，影响宁波E115―125°N25―32°范围内，据统计分析1949―2005年的56年中有140个台风影响，平均2年有5个，2004年最多有6个。其中象山1956年8.1台灾为全国之最，台风影响平均2年5次，3年2灾，6年1毁。

针对上述资料进行初步研究分析，台风暴潮致灾出现的风险概率：宁波13/57=0.2281、象山2/3*2.5=0.2667，因为象山在宁波的南部，反映了遭遇台风影响可能性比较大，平均风险概率为0.2474比上海[3]估算0.2500略小，而象山实际发生的风潮遭遇与理论计算的风险概率0.2642比较接近，符合相应风潮组合重现期1：1同频率设计关系。出现严重台灾相应的风险概率：宁波13/57*2.5=0.0912、象山1/6*2.5=0.0667，可能与海堤保护范围和受灾统计指标有关，宁波受到台风影响淹没范围比较广所致，平均风险概率为0.0789与理论计算的风险概率0.0781基本相同，符合相应风潮组合重现期1：1.69异频率设计关系。计算表明致灾程度同潮位与风浪遭遇重现期关联相一致，一般灾害采用风潮同频率组合，严重灾害采用风潮异频率组合。

根据上海地区风潮遭遇出现风险概率0.2500，按公式（2）推算对应的风潮组合设计重现期为1：1.12，满足异频率组合关系，基本接近同频率组合，而且符合上海地区综合反映潮位与风浪组合状况，具有代表性意义，是科学合理的。

4．结论建议

海堤设计重点解决御潮高度、防浪结构问题，高度因地质条件和经济允许而定，一般允许越浪，但是结构必须稳定，是控制危害的关键，有待于尽可能减少损失为目标。根据工程等级既定的防御标准和遭遇的现实，当海堤遭遇台风暴潮时，潮位与风浪组合是随机的，且具有不确定性，首先考虑潮位其次是风浪。采用同频率设计组合潮位和风浪，可能会导致海堤结构的安全存在危险，并非安全组合，出现风险概率P（A∩B）=0.2642；采用异频率设计组合潮位和风浪，潮位可能遭遇的重现期为（1+ln2）T，相应风潮遭遇发生风险概率为P（A∩B）=0.0781。因此必须根据海堤所在海域权衡，针对潮位与风浪组合，选择适宜设计频率有利于工程安全，港湾海域波浪未破碎，风速起控制作用，应按风浪设计重现期取最大为2.1802T；敞开海域波浪破碎，堤前水深起决定作用，应按潮位设计重现期取最大为2.1802T。超越防御标准的情况，是比较现实的，必须纳入预案中加以防范落实，预测海堤未来遭遇的风险状况，风浪与潮位组合所遭遇的风险概率最大可能不超过 P（A∩B）=0.2642。为此利用风险概率理论设计，界定免灾保证率指标，满足海堤保护对象以及公众期望目标，采取科学合理的风潮组合，防御风潮遭遇的现实性，从而提高工程结构安全度，是未来海堤规划设计的发展方向。

参考文献：

[1]中华人民共和国水利行业标准. SL435―2008海堤工程设计规范

[2]浙江省水利厅. 浙江省海塘工程技术规定. 1999年

[3]卢永金等.海堤设防标准探讨.中国工程科学.Dec.2005 Vol.7No.12