上海地区海塘堤顶越浪风险分析

陈 峰，戚定满

（1.上海市水利工程设计研究院，上海 200063；2.上海河口海岸科学研究中心，上海 201201）

上海地区海塘堤顶越浪风险分析

陈 峰1，戚定满2

（1.上海市水利工程设计研究院，上海 200063；2.上海河口海岸科学研究中心，上海 201201）

为了解上海地区海塘抵御风浪越顶的能力，对海塘堤顶越浪进行了风险分析。选取典型海塘结构，采用蒙特卡罗法，对各区域的堤顶越浪概率进行了计算，指出近年建设的海塘堤顶越浪风险较小，而崇明三岛地区的越浪风险较大。并通过对影响堤顶越浪的各相关特征参数作敏感性分析，得出高潮位的参数变化是影响海塘堤顶越浪安全性最显著的因素，而适当提高海塘堤顶的安全加高值对减少堤顶越浪风险具有显著的效果。

海塘；堤顶越浪；风险分析

上海沿海岸地区目前均已建有一定标准的海塘工程，随着城市发展对增量土地的需求，围绕发展经济的总体战略，利用滩涂资源的区位优势，按照上海市总体规划和土地资源总量平衡的要求，已逐步实施了浦东新区、南汇东滩、临港新城、金山漕泾等围海造地工程，为浦东国际机场、上海国际航运中心、上海化学工业区等产业基地的发展提供了宝贵土地资源。而随着全球气候变暖导致海平面上升，加上由于人类过度活动造成地面沉降等因素，均加剧了海洋灾害对海塘及保护范围的影响。研究现状海塘堤顶越浪的风险，了解海塘结构抵御风浪越顶的能力，对保障上海沿海区域安全和经济发展具有重要的意义。

1 海塘越顶风险分析理论

风险是指系统在规定的工作条件下和规定的时间内，不能完成预定功能及由此而产生的后果。风险可表示成失事概率与失事后果的函数，即

式中：R表示风险；P表示失事概率；C为对应的失事后果。一般定量风险分析法主要采用概率统计法，包括一次二阶矩法、JC法、蒙特卡罗法等。本文拟运用蒙特卡罗法，通过直接对外海潮位、波浪爬高等不确定因素随机抽样，分析上海地区海塘堤顶越浪风险。

蒙特卡罗模拟法是一种依据统计抽样理论，利用计算机研究随机变量的数值计算方法。蒙特卡罗模拟法的基本原理为［1］，在各状态变量xi（i＝1，2，…，n）的概率分布已知且各自统计独立的条件下，根据极限状态条件Z＝g（x1，x2，…，xn）＝0，对每个状态变量xi产生一个符合其概率分布的随机数x（i1），由此可以得到一组随机数x1（1），x2（1），…，x（n1）的组合，然后将其代入状态函数Z＝g（x1，x2，…，xn）就可以得到状态函数的一个随机数z（1）。如此采用同样的方法，就可以产生N组随机数的组合x1（j），，…，（j＝1，2，…，N），从而可以得到N个相互独立的状态函数的随机数z（j）（j＝1，2，…，N）。如果在N个状态函数的随机数中有M个不大于1（当以安全系数为状态函数时）或不大于0（当以安全储备为状态函数时），则当模拟次数足够多，即N足够大时，由大数定律可知，频率M／N近似于概率，因此破坏概率Pf可以表示为

在可靠度的数值模拟中，蒙特卡罗法具有模拟的收敛速度与基本随机变量的维数无关，极限状态函数的复杂程度与模拟过程无关，更无须将功能函数线性化和随机变量当量正态化，具有直接解决问题的能力。

2 海塘越顶的风险分析

海塘堤顶越浪安全性分析的功能函数可表示为式中：堤顶高程H0一般服从正态分布，外海设计潮位H1服从P-Ⅲ型分布，波浪爬高Hs一般假定服从正态分布，ΔH为安全加高，根据堤防工程级别取值。设计潮位由海塘临近水文测站实测资料频率分析后推算得到，波浪爬高按照海塘现状护坡结构型式，根据《堤防工程设计规范》相关公式进行计算［2］。

根据上海市海塘规划要求，上海地区海塘均按不允许越浪进行设计，设计标准除崇明三岛部分地区按百年一遇高潮位加11级风，其余地区均为200年一遇高潮位加12级风的标准［3］。根据上海地区海塘的地理位置区域，划分成长江口南岸、杭州湾北侧及崇明三岛3个区域，选取典型海塘结构进行分析。其中长江口南岸选取浦东国际机场围海海塘，杭州湾北侧选取南汇东滩围海海塘，崇明三岛选取崇明岛海塘。风浪越顶概率分析不考虑各特征参数变量之间的相关性，运用Matlab的最优化工具箱［4］，采用基于最优化原理的蒙特卡罗法进行随机变量的模拟。各典型断面的特征参数和越顶概率计算结果见表1。其中高潮位计算参数通过多项式正态变换将偏态分布转化为正态分布。参考《水利水电工程结构可靠度设计统一标准》和《港口工程结构可靠度设计统一标准》对目标可靠度指标的规定，海塘作为重要的建筑物，安全级别为一级；根据破坏类型程度，可靠度指标控制在3.2～4.2，相应的失效概率为2.4×10－3～5.89× 10－5［5，6］。从表1的越顶概率计算结果，长江口南岸和杭州湾北侧的越顶概率处于可接受的范围，崇明三岛的越顶概率偏高。

为了解随机变量各特征参数的不同取值对海塘越顶概率大小的影响，进行敏感性分析，以确定影响海塘越顶安全性的主要因子。以长江口南岸浦东国际机场围海大堤段海塘为例，分析堤顶高程、波浪爬高、外海高潮位等特征参数在一定范围内变化条件下的海塘越顶安全性。敏感性分析结果见表2和图1至图3。

表1 三个区域各典型断面的特征参数和越顶概率计算结果Table 1 The calculated results of overtopping probability and character parameters for representative structures in three areas

图1 海塘越顶概率随堤顶高程参数变化敏感性分析图Fig.1 Sensitivity analysis of overtopping probability w ith parameter variation of coastal levee crest elevation

图2 海塘越顶概率随波浪爬高参数变化敏感性分析图Fig.2 Sensitivity analysis of overtopping probability w ith param eter variation of wave ascent

图3 海塘越顶概率随高潮位参数变化敏感性分析图Fig.3 Sensitivity analysis of overtopping probability w ith parameter variation of high tide level

表2 各特征参数和越顶概率敏感性计算结果Table 2 Each character parameter of coastal levees and the calculated results of overtopping probab ility sensitivity

由表2和图1至图3可知，影响海塘堤顶越浪安全性最显著的因素是高潮位的参数变化，越顶概率对其均值和偏差系数的变化较为敏感，其次是堤顶高程和波浪爬高的均值，最不敏感的因素是堤顶高程和波浪爬高的方差。从各均值参数变化影响越顶概率的敏感性曲线也可看出，该曲线呈非线性的变化，说明适当地增加堤顶的安全超高对减少堤顶越浪的概率是非常有效的。同样，以浦东国际机场围海大堤为例，对海塘的安全加高做敏感性分析计算，结果见表3和图4。从分析结果可看出，当安全加高值从0增加到0.8 m过程中，越顶概率减少的幅度非常大，这也说明了适当提高海塘堤顶的安全加高值对减少堤顶越浪风险，增加抵御风浪越顶的安全富裕度具有显著的效果。

表3 越顶概率随安全加高值变化的敏感性分析Table 3 Sensitivity analysis of overtopping probability

图4 海塘越顶概率随安全加高值变化敏感性分析图Fig.4 Sensitivity analysis of overtopping probability w ith parameter variation of free board

3 结论和建议

按照上海海塘规划标准200年一遇加12级风浪的标准，不允许越浪设计，复核堤顶越浪，长江口南岸和杭州湾北侧区域的海塘多为近年来建设，越顶概率较小，堤顶高程考虑软土地区工后沉降较大的因素，堤顶防浪墙采取了抛高的措施，为减少堤顶越浪起到了良好的作用。

崇明地区的海塘选取已经完成达标加固的南门港岸段进行复核计算，越顶的安全性较低，越浪的概率较大。针对此类岸段以及还未完成达标加固的岸段应尽早实施海塘的加高加固改造，满足安全性的需要，从而保证岸段保护区域的安全。

对各影响因素敏感性的分析表明，影响海塘越顶安全性最显著的因素为外海潮位及相应的偏差系数，堤顶高程和波浪爬高次之。随着海平面上升和地面沉降的持续发展，海洋灾害的加剧，将直接影响海塘越顶的安全性。外海水情、工情条件改变而引起的外海高潮位特征的改变是海塘发生越顶的最主要因素，为此针对海塘越顶概率受海塘安全加高值的影响进行敏感性分析，指出适当加大海塘堤顶的安全加高值，对防止堤顶越浪，提高安全性，减少越顶概率具有显著的效果。

上海地区海塘所涉及的范围非常广泛，相应的风险分析所包含的研究内容也非常庞大，限于收集的基础资料无法面面俱到，研究分析的成果仅是对典型的海岸段进行分析，以期望得到一般性的规律，为指导今后进一步调查研究起到一定的基础性作用。

［1］ 吴世明，周 健，杨 挺.岩土工程新技术［M］.北京：中国建筑工业出版社，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，堤防工程设计规范［S］.（GB50286－98，Code for Design of Levee Project［S］.（in Chinese））

［3］ 上海市水利局.上海市海塘规划［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，吉家锋，伊良忠.Matlab6.0数学手册［M］.上海：浦东电子出版社，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，水利水电工程结构可靠度设计统一标准［S］.（GB50199－94，Unified Design Standard for Re-liability of Hydraulic Engineering Structures［S］.（in Chi-nese））

［6］ GB50158－92，港口工程结构可靠度设计统一标准［S］.（GB50158－92，Unified Standard of Reliability of Structures Design for Harbour Engineering［S］.（in Chi-nese））

（编辑：曾小汉）

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

陈 峰（1974－），男，江苏无锡人，高级工程师，硕士，主要从事水利工程设计和研究工作，（电话）13701764067（电子信箱）engi-neeringchenfeng＠126.com。