基于臺(tái)風(fēng)影響下港口陸域高程設(shè)計(jì)

許鴻貫，麥宇雄

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

近年來(lái)，隨著氣候的復(fù)雜多變，短時(shí)強(qiáng)降雨、超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)等極端天氣呈現(xiàn)加頻加劇的趨勢(shì)明顯，無(wú)疑導(dǎo)致未來(lái)受災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)加大，可能帶來(lái)嚴(yán)重災(zāi)害和重大經(jīng)濟(jì)損失，如2017年超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“天鴿”（14級(jí)）珠海登陸，是1965年以來(lái)登陸珠江三角洲最大臺(tái)風(fēng)，造成珠江三角洲廣州、深圳、珠海等地受災(zāi)，死亡9人；2018年超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“山竹”（14級(jí)）江門登陸，12級(jí)以上大風(fēng)持續(xù)時(shí)間超過(guò)16 h，死亡4人；2022年5月10—13日，廣州、深圳、惠州等地局部特大暴雨，多地中小學(xué)連續(xù)2 d停課。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，平均每年登陸我國(guó)沿海臺(tái)風(fēng)數(shù)量7個(gè)左右，7—9月是臺(tái)風(fēng)頻發(fā)季節(jié)，尤其是華南沿海地區(qū)影響較大，沿海港口地位的重要性和面臨的臺(tái)風(fēng)災(zāi)害的影響也備受關(guān)注；臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)，一般都伴隨狂風(fēng)暴雨，從而引起風(fēng)暴潮及洪澇等次生災(zāi)害，造成沿海港口碼頭不同程度受損，例如港口停運(yùn)，港區(qū)變電所等供電設(shè)施、通信及照明基礎(chǔ)設(shè)施遭到破壞、集裝箱貨物及糧食等貨物水浸等。

1 沿海港口陸域生產(chǎn)受臺(tái)風(fēng)影響的因素分析

在臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)，從不同掩護(hù)港址、風(fēng)暴潮及臺(tái)風(fēng)帶來(lái)的不同損失程度等角度進(jìn)行分析，港口陸域生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)受到臺(tái)風(fēng)影響的主要因素包括以下幾方面。

1.1 深水港區(qū)的選址逐步延伸至靠近外海

近十多年，我國(guó)港口設(shè)施建設(shè)飛速發(fā)展，適宜建港且天然掩護(hù)較好的岸線資源越來(lái)越少，難以滿足我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和港口建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大的需求，同時(shí)，隨著經(jīng)濟(jì)全球化和船舶大型化的發(fā)展，對(duì)深水泊位港址的選擇提出了更高的要求，港址位置趨勢(shì)由灣內(nèi)向外海，掩護(hù)條件由遮蔽良好向半開敞或開敞，隨著氣候變化，臺(tái)風(fēng)等極端天氣頻發(fā)加劇，對(duì)港口設(shè)施生產(chǎn)安全的影響尤為突出。

1.2 臺(tái)風(fēng)呈現(xiàn)階段性加頻加劇的趨勢(shì)明顯

1）臺(tái)風(fēng)“天鴿”前統(tǒng)計(jì)水位

根據(jù)珠江水利委員會(huì)2011年的防洪規(guī)劃報(bào)告（2011—2017年除天鴿臺(tái)風(fēng)外，無(wú)其他引高潮位的特殊事件），南沙港區(qū)的50 a一遇高水位為4.57 m，100 a和200 a一遇高水位為4.71 m和4.87 m（從當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵嫫鹚悖?/p>

2）臺(tái)風(fēng)“天鴿”與“山竹”水位

2017年8月，臺(tái)風(fēng)“天鴿”（強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)）在廣東珠海南部沿海登陸，一天連跳兩級(jí)，最強(qiáng)達(dá)15級(jí)，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力有14級(jí)（45 m/s）。根據(jù)調(diào)查，臺(tái)風(fēng)期間伶仃洋各潮位站均出現(xiàn)非常大的增水，大部分潮位站出現(xiàn)超過(guò)100 a一遇的高潮位，見表1。

表1 天鴿臺(tái)風(fēng)實(shí)測(cè)最高水位與歷史最高水位對(duì)比（水位從珠江基面起算）Table 1 Comparison between the measured maximum water level and the historical maximum water level of Typhoon Hato(the water level is the base level of the Pearl River)

2018年16日17:00臺(tái)風(fēng)“山竹”在臺(tái)山海宴鎮(zhèn)沿海地區(qū)登陸，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力14級(jí)（45 m/s），臺(tái)風(fēng)期間伶仃洋各潮位站均出現(xiàn)非常大的增水，大部分潮位站出現(xiàn)略超過(guò)2017年“天鴿”臺(tái)風(fēng)期間的高潮位，見表2。

表2 山竹臺(tái)風(fēng)和天鴿臺(tái)風(fēng)實(shí)測(cè)最高水位比較（水位從珠江基面起算）Table 2 Comparison of measured maximum water level between Typhoon Shankhut and Typhoon Hato(the water level is the base level of Pearl River)

南沙站天鴿臺(tái)風(fēng)期間潮位比該站歷史第三高潮位大0.47 m，明顯比2016年前的潮位高，應(yīng)作為特大值處理。因此，天鴿臺(tái)風(fēng)實(shí)測(cè)到的最高潮位值和山竹臺(tái)風(fēng)實(shí)測(cè)最高潮位，在計(jì)算極端高水位時(shí)作為特大值處理，收集了1968—2018年南沙站年實(shí)測(cè)最高潮位進(jìn)行頻率分析計(jì)算。根據(jù)結(jié)果分析，“天鴿”臺(tái)風(fēng)期間南沙站實(shí)測(cè)最高潮位5.13 m（從當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵嫫鹚?，下同），“山竹”臺(tái)風(fēng)期間南沙站實(shí)測(cè)最高潮位5.19 m均超過(guò)100 a一遇，分析認(rèn)為其值大約相當(dāng)于200～300 a一遇。按特大值處理后，經(jīng)測(cè)算，南沙站50 a一遇、100 a一遇和200 a一遇的極端高水位分別為4.70 m、4.85 m和5.01 m。

1.3 臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮引起水位上升和碼頭涌浪

臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮引起水位上升，海水倒灌，涌浪躍上碼頭面形成積水。根據(jù)南沙站實(shí)測(cè)觀測(cè)潮位，“天鴿”和“山竹”臺(tái)風(fēng)期間實(shí)測(cè)最高潮位分別為5.13 m和5.19 m，刷新了歷史數(shù)據(jù)，處于珠江口西岸南沙站附近碼頭的水位均超過(guò)碼頭高程設(shè)計(jì)取值的極端高水位（50 a一遇）4.57 m，但已較接近碼頭面高程5.40 m，造成涌浪的不斷涌來(lái)拍打上岸和港區(qū)積水。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，碼頭前沿作業(yè)區(qū)水浸最大深度約0.5～0.6 m，涌浪具有一定能量，通過(guò)雨水排水主管倒灌至港區(qū)陸域，導(dǎo)致港區(qū)強(qiáng)暴降雨無(wú)法通過(guò)雨水管道正常排放。

1.4 臺(tái)風(fēng)帶來(lái)暴雨強(qiáng)度大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)

臺(tái)風(fēng)帶來(lái)強(qiáng)暴雨形成港區(qū)內(nèi)積水及港區(qū)周邊市政道路客水進(jìn)入港區(qū)?！疤禅潯焙汀吧街瘛迸_(tái)風(fēng)帶來(lái)強(qiáng)暴雨形成，“山竹”臺(tái)風(fēng)對(duì)珠江口影響持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10 h，降雨量超過(guò)了港區(qū)正常設(shè)計(jì)的暴雨強(qiáng)度且因風(fēng)暴潮海平面上升，嚴(yán)重情況下引起海水倒灌，港區(qū)排水管網(wǎng)排水失效，碼頭前沿由于波浪產(chǎn)生局部越浪形成隱形阻水墻，另老港區(qū)建設(shè)時(shí)間較早，設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)低，部分港區(qū)陸域高程可能低于港外市政道路的高程，造成港區(qū)地勢(shì)低洼，或港區(qū)外周邊區(qū)域的積水匯入港區(qū)內(nèi)，加重港區(qū)積水的嚴(yán)重程度。經(jīng)分析，港區(qū)陸域高程通常不宜低于極端高水位（4.57 m）以上0.3～0.5 m，即4.87～5.07 m，若按“天鴿”和“山竹”臺(tái)風(fēng)期間實(shí)測(cè)最高潮位5.19 m計(jì)算，陸域高程應(yīng)不低于5.49～5.69 m，現(xiàn)狀陸域高程5.40 m不能滿足天鴿”和“山竹”臺(tái)風(fēng)刷新后的水位要求。

1.5 地基處理工后沉降量的不確定性

港區(qū)陸域堆填考慮工程投資和環(huán)境保護(hù)等因素，疏浚土“變廢為寶”再循環(huán)利用，陸域形成常將港池疏浚土作為回填料并按使用要求進(jìn)行地基處理，但因回填料的復(fù)雜性和特殊性，可能導(dǎo)致實(shí)際工后沉降量比理論計(jì)算值偏大或工后沉降不均勻，引起在使用期出現(xiàn)港區(qū)陸域高程比碼頭前沿頂高程低的不利情況。因此，港區(qū)陸域高程的確定，不能僅考慮與碼頭面的高程銜接，還應(yīng)考慮使用期工后沉降量，可根據(jù)陸域形成回填料特點(diǎn)和地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)加以必要的修正，建議修正值不小于0.3 m，避免使用期間工后沉降引起陸域高程偏低，造成臺(tái)風(fēng)時(shí)貨物水浸帶來(lái)?yè)p失。

2 沿海港口陸域高程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)要求

根據(jù)JTS 165—2013《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]的規(guī)定，港區(qū)陸域高程應(yīng)滿足在設(shè)定的防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)水位時(shí)港區(qū)陸域不被淹沒，并應(yīng)根據(jù)場(chǎng)地功能、水文氣象條件、排水方式、裝卸運(yùn)輸?shù)纫?，結(jié)合護(hù)岸、地質(zhì)和其他外部條件等因素綜合考慮確定。港區(qū)陸域高程通常不宜低于極端高水位以上0.3～0.5 m，難以滿足上述要求或涉及較大土石方工程量時(shí)，經(jīng)論證后，可采取設(shè)置泵站或提高護(hù)岸阻水能力等工程措施，降低港區(qū)陸域高程。

2.2 《防洪標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)要求

根據(jù)規(guī)范GB 50201—2014《防洪標(biāo)準(zhǔn)》[2]，海港主要港區(qū)的陸域應(yīng)根據(jù)港口的重要性和受淹損失程度分為3個(gè)等級(jí)，具體防護(hù)等級(jí)和防洪標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 海港主要港區(qū)陸域的等級(jí)和防洪標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Grades and flood control standards for land areas of main port areas

2.3 《海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)要求

根據(jù)GB/T 51015—2014《海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]，港區(qū)陸域海堤堤頂高程應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)高潮（水）位、波浪爬高及安全加高值按下式確定。

式中：ZP為設(shè)計(jì)頻率的堤頂高程，m；hP為設(shè)計(jì)頻率高潮（水）位，m；RF為按設(shè)計(jì)波浪計(jì)算的累積頻率為F的波浪爬高值，m；A為安全加高值，m，按表4選取。

表4 堤頂安全加高值Table 4 Safety increment of embankment top

當(dāng)?shù)添斉R海側(cè)設(shè)有穩(wěn)定兼顧的防浪墻時(shí)，堤頂高程可算至防浪墻頂面。但不計(jì)防浪墻的堤頂高程仍應(yīng)高出設(shè)計(jì)高潮（水）位以上二分之一波列累計(jì)頻率為1%的設(shè)計(jì)波高，且不應(yīng)小于0.5 m。

2.4 綜合取值

港區(qū)陸域高程的綜合取值，綜合考慮裝卸工藝、功能需求、土方平衡及工程投資等因素和滿足規(guī)范要求，還應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注：

1）采用港池疏浚土作為陸域形成回填料的港區(qū)，應(yīng)重視使用期工后沉降量引起陸域高程降低的問(wèn)題，可據(jù)回填料特點(diǎn)和地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行必要的修正，建議修正值不小于0.3 m。

2）“天鴿”和“山竹”等超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)多次刷新了受臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮影響測(cè)站的歷史最高潮位[4]，陸域高程計(jì)算時(shí)務(wù)必加強(qiáng)潮位歷史資料的分析和數(shù)據(jù)更新修正。

3）在超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)作用下，風(fēng)暴潮的影響突出，破壞力極強(qiáng)，暴露出部分已建港口設(shè)施防洪排澇標(biāo)準(zhǔn)低，不能再適應(yīng)防洪防潮的新形勢(shì)要求[5-6]，新建港口設(shè)施的陸域高程適當(dāng)提高防洪標(biāo)準(zhǔn)是十分必要的，建議中等港區(qū)陸域防洪標(biāo)準(zhǔn)不小于100 a一遇，重要的港區(qū)陸域的防洪標(biāo)準(zhǔn)不小于200 a一遇。

3 沿海港口面臨臺(tái)風(fēng)影響采取的應(yīng)對(duì)措施

經(jīng)歷“天鴿”和“山竹”等超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的影響后，對(duì)港區(qū)的供電、通信等基礎(chǔ)設(shè)施和堆場(chǎng)不同貨類的貨物，造成了不同程度的破壞和經(jīng)濟(jì)損失。為提高港口對(duì)臺(tái)風(fēng)的防御能力[7]，有效降低受災(zāi)損失，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和走訪，收集有關(guān)資料，受災(zāi)較為嚴(yán)重的碼頭類型包括集裝箱碼頭、糧食碼頭、汽車滾裝碼頭，對(duì)已建工程和新建工程在臺(tái)風(fēng)影響下可采取的應(yīng)對(duì)措施[8]進(jìn)行總結(jié)和提出建議。

3.1 已建的港口設(shè)施

1）集裝箱碼頭。據(jù)實(shí)地調(diào)研，“山竹”期間對(duì)部分堆場(chǎng)水浸持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10 h，部分堆場(chǎng)水浸深度約0.3～0.4 m。集裝箱碼頭貨損最嚴(yán)重的區(qū)域是離碼頭前沿較近的集裝箱重箱堆場(chǎng)、冷藏箱堆場(chǎng)和危險(xiǎn)貨物集裝箱堆場(chǎng)的底層集裝箱，建議主要措施：

應(yīng)急措施：考慮危險(xiǎn)貨物集裝箱堆場(chǎng)和冷藏箱堆場(chǎng)的規(guī)模不大，可在臺(tái)風(fēng)登陸前，采取將空箱放置在危險(xiǎn)貨物集裝箱和冷藏箱底層，吸取“天鴿”臺(tái)風(fēng)的教訓(xùn)，該措施在“山竹”臺(tái)風(fēng)取得較好的效果，達(dá)到了完全防御的效果。

改造措施：主要針對(duì)重點(diǎn)防護(hù)的重箱堆場(chǎng)，極短時(shí)間內(nèi)重箱堆場(chǎng)無(wú)法完全執(zhí)行上述的應(yīng)急措施，在臺(tái)風(fēng)前進(jìn)行大規(guī)模倒箱?？紤]只對(duì)箱角梁基礎(chǔ)抬高的措施，在不影響堆場(chǎng)堆存能力情況下，經(jīng)測(cè)算，采用RTG裝卸設(shè)備的堆場(chǎng)，若堆五過(guò)六，吊具下凈空高度18 m，過(guò)六的高度17.4 m，則操作空間富裕凈距約0.6 m，原則上箱腳基礎(chǔ)提高高度不超過(guò)0.4 m時(shí)不影響堆存能力，見圖1。采用RMG裝卸設(shè)備的堆場(chǎng)改造的原則相同，斷面見圖2，箱腳基礎(chǔ)提高高度需結(jié)合設(shè)計(jì)參數(shù)和使用要求校核確定，箱角梁基礎(chǔ)加高斷面見圖3。

圖1 集裝箱堆場(chǎng)改造斷面圖（ERTG裝卸作業(yè)設(shè)備）Fig.1 Reconstruction section of container yard(ERTG handling equipment)

圖2 集裝箱堆場(chǎng)改造斷面圖（RMG裝卸作業(yè)設(shè)備）Fig.2 Reconstruction section of container yard(RMG handling equipment)

圖3 集裝箱箱腳梁基礎(chǔ)整體加高方案Fig.3 Overall heightening scheme of container foot beam foundation

2）糧食碼頭。據(jù)實(shí)地調(diào)研，“山竹”臺(tái)風(fēng)期間，水浸對(duì)糧食筒倉(cāng)的影響不大，受影響的主要是糧食倉(cāng)庫(kù)，但糧食倉(cāng)庫(kù)室內(nèi)標(biāo)高比室外高，水浸不深，最大水浸不超過(guò)0.2 m。水浸主要通過(guò)倉(cāng)庫(kù)門進(jìn)入，糧食倉(cāng)庫(kù)受災(zāi)程度大小與倉(cāng)庫(kù)門結(jié)構(gòu)形式有關(guān)，通常采用防汛沙袋進(jìn)行擋水。倉(cāng)庫(kù)門檻四周水泥硬化表面平整的，擋水效果較好基本不漏水；倉(cāng)庫(kù)門四周表面不平整的，則防水效果差；另倉(cāng)門采用卷簾門的倉(cāng)庫(kù)比推拉門擋水效果好。建議主要措施：地勢(shì)低糧食倉(cāng)庫(kù)，如條件允許，臺(tái)風(fēng)登陸前將糧食轉(zhuǎn)移；地勢(shì)高的糧食倉(cāng)庫(kù)，做好防洪措施；已建糧食倉(cāng)庫(kù)不建議提高室內(nèi)的場(chǎng)地標(biāo)高，因?qū)}(cāng)容影響較大，可考慮在倉(cāng)庫(kù)門外增加擋水效果好的防洪門，提高擋水效果。

3）汽車滾裝碼頭。據(jù)實(shí)地調(diào)研，臺(tái)風(fēng)帶來(lái)降雨持續(xù)時(shí)間普遍較長(zhǎng)，汽車一旦水浸，經(jīng)濟(jì)損失巨大，但通過(guò)改造停車場(chǎng)以整體提高高程，代價(jià)大且影響生產(chǎn)。建議主要措施：采用汽車提前轉(zhuǎn)移至安全區(qū)域?yàn)橹鞯拇胧?，結(jié)合歷年臺(tái)風(fēng)水浸影響的情況，對(duì)港區(qū)陸域低洼地帶水浸影響明顯的區(qū)域繪制分布圖，因地制宜選擇安全區(qū)域，考慮碼頭前沿上浪的影響，靠近碼頭前沿的車輛盡量轉(zhuǎn)移，采用此措施后，2022年5月10—13日局部特大暴雨沒發(fā)生汽車水浸現(xiàn)象。

3.2 新建的港口設(shè)施

新建港區(qū)陸域的高程設(shè)計(jì)需統(tǒng)籌規(guī)劃，相比已建港口設(shè)施的改造，限制條件少，在滿足相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，應(yīng)充分考慮歷年臺(tái)風(fēng)等極端天氣影響。在工程投資增加有限的條件下，采取經(jīng)濟(jì)合理的措施提高防御極端天氣的能力。新建港口設(shè)施的陸域高程適當(dāng)提高防洪標(biāo)準(zhǔn)是十分必要的，建議中等港區(qū)陸域防洪標(biāo)準(zhǔn)不小于100 a一遇，重要的港區(qū)陸域的防洪標(biāo)準(zhǔn)不小于200 a一遇，可同時(shí)考慮其他輔助措施，如糧食倉(cāng)庫(kù)增加防洪門，受臺(tái)風(fēng)影響經(jīng)常導(dǎo)致變電所夾層水浸情況的港區(qū)不設(shè)置地面下變電所夾層等。

4 結(jié)語(yǔ)

1）臺(tái)風(fēng)等極端天氣具有多發(fā)性、不可抗力和不確定性特點(diǎn)，防御標(biāo)準(zhǔn)難以達(dá)到完全防御，亦無(wú)法提出統(tǒng)一的防御標(biāo)準(zhǔn)，但可在權(quán)衡受災(zāi)損失與防御措施成本之間的綜合效益基礎(chǔ)上，采取有效的措施盡量降低災(zāi)害影響和財(cái)產(chǎn)損失是十分必要的。

2）新建工程港口設(shè)施港區(qū)陸域高程確定時(shí)，在滿足使用功能情況下，還應(yīng)考慮防洪標(biāo)準(zhǔn)、歷年臺(tái)風(fēng)災(zāi)害、工后沉降量及工程投資等因素帶來(lái)的影響，在工程投資增加有限的情況下，適當(dāng)提高陸域堆場(chǎng)應(yīng)對(duì)防御極端天氣的標(biāo)準(zhǔn)。

3）已建港口設(shè)施可結(jié)合歷年臺(tái)風(fēng)等極端天氣造成損失的影響，在生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)影響不大的條件下，結(jié)合貨類不同和財(cái)產(chǎn)損失不同，通過(guò)“針對(duì)性改造和制定應(yīng)急預(yù)案”并舉的措施，有效提升應(yīng)對(duì)極端天氣的防御能力。

4）利用疏浚土作為陸域形成回填料的港區(qū)，在陸域高程確定時(shí)，應(yīng)關(guān)注使用期工后沉降量引起陸域高程降低的問(wèn)題，建議結(jié)合回填料特點(diǎn)和地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)加以必要的修正。