上海地區(qū)海塘堤頂越浪風險分析

陳 峰，戚定滿

（1.上海市水利工程設計研究院，上海 200063；2.上海河口海岸科學研究中心，上海 201201）

上海地區(qū)海塘堤頂越浪風險分析

陳 峰1，戚定滿2

（1.上海市水利工程設計研究院，上海 200063；2.上海河口海岸科學研究中心，上海 201201）

為了解上海地區(qū)海塘抵御風浪越頂?shù)哪芰Γ瑢Ｌ恋添斣嚼诉M行了風險分析。選取典型海塘結(jié)構(gòu)，采用蒙特卡羅法，對各區(qū)域的堤頂越浪概率進行了計算，指出近年建設的海塘堤頂越浪風險較小，而崇明三島地區(qū)的越浪風險較大。并通過對影響堤頂越浪的各相關特征參數(shù)作敏感性分析，得出高潮位的參數(shù)變化是影響海塘堤頂越浪安全性最顯著的因素，而適當提高海塘堤頂?shù)陌踩痈咧祵p少堤頂越浪風險具有顯著的效果。

海塘；堤頂越浪；風險分析

上海沿海岸地區(qū)目前均已建有一定標準的海塘工程，隨著城市發(fā)展對增量土地的需求，圍繞發(fā)展經(jīng)濟的總體戰(zhàn)略，利用灘涂資源的區(qū)位優(yōu)勢，按照上海市總體規(guī)劃和土地資源總量平衡的要求，已逐步實施了浦東新區(qū)、南匯東灘、臨港新城、金山漕涇等圍海造地工程，為浦東國際機場、上海國際航運中心、上海化學工業(yè)區(qū)等產(chǎn)業(yè)基地的發(fā)展提供了寶貴土地資源。而隨著全球氣候變暖導致海平面上升，加上由于人類過度活動造成地面沉降等因素，均加劇了海洋災害對海塘及保護范圍的影響。研究現(xiàn)狀海塘堤頂越浪的風險，了解海塘結(jié)構(gòu)抵御風浪越頂?shù)哪芰?，對保障上海沿海區(qū)域安全和經(jīng)濟發(fā)展具有重要的意義。

1 海塘越頂風險分析理論

風險是指系統(tǒng)在規(guī)定的工作條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，不能完成預定功能及由此而產(chǎn)生的后果。風險可表示成失事概率與失事后果的函數(shù)，即

式中：R表示風險；P表示失事概率；C為對應的失事后果。一般定量風險分析法主要采用概率統(tǒng)計法，包括一次二階矩法、JC法、蒙特卡羅法等。本文擬運用蒙特卡羅法，通過直接對外海潮位、波浪爬高等不確定因素隨機抽樣，分析上海地區(qū)海塘堤頂越浪風險。

蒙特卡羅模擬法是一種依據(jù)統(tǒng)計抽樣理論，利用計算機研究隨機變量的數(shù)值計算方法。蒙特卡羅模擬法的基本原理為［1］，在各狀態(tài)變量xi（i＝1，2，…，n）的概率分布已知且各自統(tǒng)計獨立的條件下，根據(jù)極限狀態(tài)條件Z＝g（x1，x2，…，xn）＝0，對每個狀態(tài)變量xi產(chǎn)生一個符合其概率分布的隨機數(shù)x（i1），由此可以得到一組隨機數(shù)x1（1），x2（1），…，x（n1）的組合，然后將其代入狀態(tài)函數(shù)Z＝g（x1，x2，…，xn）就可以得到狀態(tài)函數(shù)的一個隨機數(shù)z（1）。如此采用同樣的方法，就可以產(chǎn)生N組隨機數(shù)的組合x1（j），，…，（j＝1，2，…，N），從而可以得到N個相互獨立的狀態(tài)函數(shù)的隨機數(shù)z（j）（j＝1，2，…，N）。如果在N個狀態(tài)函數(shù)的隨機數(shù)中有M個不大于1（當以安全系數(shù)為狀態(tài)函數(shù)時）或不大于0（當以安全儲備為狀態(tài)函數(shù)時），則當模擬次數(shù)足夠多，即N足夠大時，由大數(shù)定律可知，頻率M／N近似于概率，因此破壞概率Pf可以表示為

在可靠度的數(shù)值模擬中，蒙特卡羅法具有模擬的收斂速度與基本隨機變量的維數(shù)無關，極限狀態(tài)函數(shù)的復雜程度與模擬過程無關，更無須將功能函數(shù)線性化和隨機變量當量正態(tài)化，具有直接解決問題的能力。

2 海塘越頂?shù)娘L險分析

海塘堤頂越浪安全性分析的功能函數(shù)可表示為式中：堤頂高程H0一般服從正態(tài)分布，外海設計潮位H1服從P-Ⅲ型分布，波浪爬高Hs一般假定服從正態(tài)分布，ΔH為安全加高，根據(jù)堤防工程級別取值。設計潮位由海塘臨近水文測站實測資料頻率分析后推算得到，波浪爬高按照海塘現(xiàn)狀護坡結(jié)構(gòu)型式，根據(jù)《堤防工程設計規(guī)范》相關公式進行計算［2］。

根據(jù)上海市海塘規(guī)劃要求，上海地區(qū)海塘均按不允許越浪進行設計，設計標準除崇明三島部分地區(qū)按百年一遇高潮位加11級風，其余地區(qū)均為200年一遇高潮位加12級風的標準［3］。根據(jù)上海地區(qū)海塘的地理位置區(qū)域，劃分成長江口南岸、杭州灣北側(cè)及崇明三島3個區(qū)域，選取典型海塘結(jié)構(gòu)進行分析。其中長江口南岸選取浦東國際機場圍海海塘，杭州灣北側(cè)選取南匯東灘圍海海塘，崇明三島選取崇明島海塘。風浪越頂概率分析不考慮各特征參數(shù)變量之間的相關性，運用Matlab的最優(yōu)化工具箱［4］，采用基于最優(yōu)化原理的蒙特卡羅法進行隨機變量的模擬。各典型斷面的特征參數(shù)和越頂概率計算結(jié)果見表1。其中高潮位計算參數(shù)通過多項式正態(tài)變換將偏態(tài)分布轉(zhuǎn)化為正態(tài)分布。參考《水利水電工程結(jié)構(gòu)可靠度設計統(tǒng)一標準》和《港口工程結(jié)構(gòu)可靠度設計統(tǒng)一標準》對目標可靠度指標的規(guī)定，海塘作為重要的建筑物，安全級別為一級；根據(jù)破壞類型程度，可靠度指標控制在3.2～4.2，相應的失效概率為2.4×10－3～5.89× 10－5［5，6］。從表1的越頂概率計算結(jié)果，長江口南岸和杭州灣北側(cè)的越頂概率處于可接受的范圍，崇明三島的越頂概率偏高。

為了解隨機變量各特征參數(shù)的不同取值對海塘越頂概率大小的影響，進行敏感性分析，以確定影響海塘越頂安全性的主要因子。以長江口南岸浦東國際機場圍海大堤段海塘為例，分析堤頂高程、波浪爬高、外海高潮位等特征參數(shù)在一定范圍內(nèi)變化條件下的海塘越頂安全性。敏感性分析結(jié)果見表2和圖1至圖3。

表1 三個區(qū)域各典型斷面的特征參數(shù)和越頂概率計算結(jié)果Table 1 The calculated results of overtopping probability and character parameters for representative structures in three areas

圖1 海塘越頂概率隨堤頂高程參數(shù)變化敏感性分析圖Fig.1 Sensitivity analysis of overtopping probability w ith parameter variation of coastal levee crest elevation

圖2 海塘越頂概率隨波浪爬高參數(shù)變化敏感性分析圖Fig.2 Sensitivity analysis of overtopping probability w ith param eter variation of wave ascent

圖3 海塘越頂概率隨高潮位參數(shù)變化敏感性分析圖Fig.3 Sensitivity analysis of overtopping probability w ith parameter variation of high tide level

表2 各特征參數(shù)和越頂概率敏感性計算結(jié)果Table 2 Each character parameter of coastal levees and the calculated results of overtopping probab ility sensitivity

由表2和圖1至圖3可知，影響海塘堤頂越浪安全性最顯著的因素是高潮位的參數(shù)變化，越頂概率對其均值和偏差系數(shù)的變化較為敏感，其次是堤頂高程和波浪爬高的均值，最不敏感的因素是堤頂高程和波浪爬高的方差。從各均值參數(shù)變化影響越頂概率的敏感性曲線也可看出，該曲線呈非線性的變化，說明適當?shù)卦黾拥添數(shù)陌踩邔p少堤頂越浪的概率是非常有效的。同樣，以浦東國際機場圍海大堤為例，對海塘的安全加高做敏感性分析計算，結(jié)果見表3和圖4。從分析結(jié)果可看出，當安全加高值從0增加到0.8 m過程中，越頂概率減少的幅度非常大，這也說明了適當提高海塘堤頂?shù)陌踩痈咧祵p少堤頂越浪風險，增加抵御風浪越頂?shù)陌踩辉６染哂酗@著的效果。

表3 越頂概率隨安全加高值變化的敏感性分析Table 3 Sensitivity analysis of overtopping probability

圖4 海塘越頂概率隨安全加高值變化敏感性分析圖Fig.4 Sensitivity analysis of overtopping probability w ith parameter variation of free board

3 結(jié)論和建議

按照上海海塘規(guī)劃標準200年一遇加12級風浪的標準，不允許越浪設計，復核堤頂越浪，長江口南岸和杭州灣北側(cè)區(qū)域的海塘多為近年來建設，越頂概率較小，堤頂高程考慮軟土地區(qū)工后沉降較大的因素，堤頂防浪墻采取了拋高的措施，為減少堤頂越浪起到了良好的作用。

崇明地區(qū)的海塘選取已經(jīng)完成達標加固的南門港岸段進行復核計算，越頂?shù)陌踩暂^低，越浪的概率較大。針對此類岸段以及還未完成達標加固的岸段應盡早實施海塘的加高加固改造，滿足安全性的需要，從而保證岸段保護區(qū)域的安全。

對各影響因素敏感性的分析表明，影響海塘越頂安全性最顯著的因素為外海潮位及相應的偏差系數(shù)，堤頂高程和波浪爬高次之。隨著海平面上升和地面沉降的持續(xù)發(fā)展，海洋災害的加劇，將直接影響海塘越頂?shù)陌踩浴Ｍ夂Ｋ?、工情條件改變而引起的外海高潮位特征的改變是海塘發(fā)生越頂?shù)淖钪饕蛩?，為此針對海塘越頂概率受海塘安全加高值的影響進行敏感性分析，指出適當加大海塘堤頂?shù)陌踩痈咧?，對防止堤頂越浪，提高安全性，減少越頂概率具有顯著的效果。

上海地區(qū)海塘所涉及的范圍非常廣泛，相應的風險分析所包含的研究內(nèi)容也非常龐大，限于收集的基礎資料無法面面俱到，研究分析的成果僅是對典型的海岸段進行分析，以期望得到一般性的規(guī)律，為指導今后進一步調(diào)查研究起到一定的基礎性作用。

［1］ 吳世明，周 健，楊 挺.巖土工程新技術［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001：163－166.（WU Shi-ming，ZHOU Jian，YANG Ting.Advance in Geotechnical Engi-neering［M］.Beijing：China Architecture＆Building Press，2001：163－166.（in Chinese））

［2］ GB50286－98，堤防工程設計規(guī)范［S］.（GB50286－98，Code for Design of Levee Project［S］.（in Chinese））

［3］ 上海市水利局.上海市海塘規(guī)劃［R］.上海：上海市水利局，1996.（ShanghaiWater Authority.Shanghai coastal levees planning［R］.Shanghai：ShanghaiWater Authori-ty，1996.（in Chinese））

［4］ 蒲 俊，吉家鋒，伊良忠.Matlab6.0數(shù)學手冊［M］.上海：浦東電子出版社，2002：134－170.（PU Jun，JI Jia-feng，YI Liang-zhong.Handbook of Matlab6.0［M］.Shanghai：Pudong Electronics Press，2002：134－170.（in Chinese））

［5］ GB50199－94，水利水電工程結(jié)構(gòu)可靠度設計統(tǒng)一標準［S］.（GB50199－94，Unified Design Standard for Re-liability of Hydraulic Engineering Structures［S］.（in Chi-nese））

［6］ GB50158－92，港口工程結(jié)構(gòu)可靠度設計統(tǒng)一標準［S］.（GB50158－92，Unified Standard of Reliability of Structures Design for Harbour Engineering［S］.（in Chi-nese））

（編輯：曾小漢）

W ave Overtopping Risk Analysis of Coastal Levees in Shanghai

CHEN Feng1，QIding-man2
（1.ShanghaiWater Engineering Design＆Research Institute，Shanghai 200063，China；2.Estuarine＆Coastal Science Research Center，Shanghai 200201，China）

Wave overtopping risk was analyzed to get an overtopping probability of coastal levees in Shanghai.With representative structure of coastal levees，the overtopping probability of each coastal levee was calculated by Monte-Carlomethod.The results showed that the overtopping risk of up-to-date coastal levees is less，but one of Chong-ming area rather large.The overtopping sensitive analysis of each character parameter demonstrated that the param-eter variation of high tidal level is themajor factor of overtopping occurrence，and the proper rise in free board of coastal levee is a key to prevent overtopping risk.

coastal levee；overtopping； risk analysis

TV139.223

A

1001－5485（2010）03－0021－04

2009-03-25

陳 峰（1974－），男，江蘇無錫人，高級工程師，碩士，主要從事水利工程設計和研究工作，（電話）13701764067（電子信箱）engi-neeringchenfeng＠126.com。