基于台风影响下港口陆域高程设计
时间：2023-01-17 16:10:09 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
许鸿贯，麦宇雄
（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510000）
近年来，随着气候的复杂多变，短时强降雨、超强台风等极端天气呈现加频加剧的趋势明显，无疑导致未来受灾风险加大，可能带来严重灾害和重大经济损失，如2017年超强台风“天鸽”（14级）珠海登陆，是1965年以来登陆珠江三角洲最大台风，造成珠江三角洲广州、深圳、珠海等地受灾，死亡9人；
2018年超强台风“山竹”（14级）江门登陆，12级以上大风持续时间超过16 h，死亡4人；
2022年5月10—13日，广州、深圳、惠州等地局部特大暴雨，多地中小学连续2 d停课。据不完全统计，平均每年登陆我国沿海台风数量7个左右，7—9月是台风频发季节，尤其是华南沿海地区影响较大，沿海港口地位的重要性和面临的台风灾害的影响也备受关注；
台风登陆时，一般都伴随狂风暴雨，从而引起风暴潮及洪涝等次生灾害，造成沿海港口码头不同程度受损，例如港口停运，港区变电所等供电设施、通信及照明基础设施遭到破坏、集装箱货物及粮食等货物水浸等。
在台风登陆时，从不同掩护港址、风暴潮及台风带来的不同损失程度等角度进行分析，港口陆域生产运营受到台风影响的主要因素包括以下几方面。
1.1 深水港区的选址逐步延伸至靠近外海
近十多年，我国港口设施建设飞速发展，适宜建港且天然掩护较好的岸线资源越来越少，难以满足我国经济的发展和港口建设规模不断扩大的需求，同时，随着经济全球化和船舶大型化的发展，对深水泊位港址的选择提出了更高的要求，港址位置趋势由湾内向外海，掩护条件由遮蔽良好向半开敞或开敞，随着气候变化，台风等极端天气频发加剧，对港口设施生产安全的影响尤为突出。
1.2 台风呈现阶段性加频加剧的趋势明显
1）台风“天鸽”前统计水位
根据珠江水利委员会2011年的防洪规划报告（2011—2017年除天鸽台风外，无其他引高潮位的特殊事件），南沙港区的50 a一遇高水位为4.57 m，100 a和200 a一遇高水位为4.71 m和4.87 m（从当地理论最低潮面起算）。
2）台风“天鸽”与“山竹”水位
2017年8月，台风“天鸽”（强台风级）在广东珠海南部沿海登陆，一天连跳两级，最强达15级，登陆时中心附近最大风力有14级（45 m/s）。根据调查，台风期间伶仃洋各潮位站均出现非常大的增水，大部分潮位站出现超过100 a一遇的高潮位，见表1。
表1 天鸽台风实测最高水位与历史最高水位对比（水位从珠江基面起算）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台风“山竹”在台山海宴镇沿海地区登陆，登陆时中心附近最大风力14级（45 m/s），台风期间伶仃洋各潮位站均出现非常大的增水，大部分潮位站出现略超过2017年“天鸽”台风期间的高潮位，见表2。
表2 山竹台风和天鸽台风实测最高水位比较（水位从珠江基面起算）Table 2 Comparison of measured maximum water level between Typhoon Shankhut and Typhoon Hato(the water level is the base level of Pearl River)
南沙站天鸽台风期间潮位比该站历史第三高潮位大0.47 m，明显比2016年前的潮位高，应作为特大值处理。因此，天鸽台风实测到的最高潮位值和山竹台风实测最高潮位，在计算极端高水位时作为特大值处理，收集了1968—2018年南沙站年实测最高潮位进行频率分析计算。根据结果分析，“天鸽”台风期间南沙站实测最高潮位5.13 m（从当地理论最低潮面起算，下同），“山竹”台风期间南沙站实测最高潮位5.19 m均超过100 a一遇，分析认为其值大约相当于200～300 a一遇。按特大值处理后，经测算，南沙站50 a一遇、100 a一遇和200 a一遇的极端高水位分别为4.70 m、4.85 m和5.01 m。
1.3 台风风暴潮引起水位上升和码头涌浪
台风风暴潮引起水位上升，海水倒灌，涌浪跃上码头面形成积水。根据南沙站实测观测潮位，“天鸽”和“山竹”台风期间实测最高潮位分别为5.13 m和5.19 m，刷新了历史数据，处于珠江口西岸南沙站附近码头的水位均超过码头高程设计取值的极端高水位（50 a一遇）4.57 m，但已较接近码头面高程5.40 m，造成涌浪的不断涌来拍打上岸和港区积水。根据现场调查，码头前沿作业区水浸最大深度约0.5～0.6 m，涌浪具有一定能量，通过雨水排水主管倒灌至港区陆域，导致港区强暴降雨无法通过雨水管道正常排放。
1.4 台风带来暴雨强度大、持续时间长
台风带来强暴雨形成港区内积水及港区周边市政道路客水进入港区。“天鸽”和“山竹”台风带来强暴雨形成，“山竹”台风对珠江口影响持续时间长达10 h，降雨量超过了港区正常设计的暴雨强度且因风暴潮海平面上升，严重情况下引起海水倒灌，港区排水管网排水失效，码头前沿由于波浪产生局部越浪形成隐形阻水墙，另老港区建设时间较早，设计防洪标准低，部分港区陆域高程可能低于港外市政道路的高程，造成港区地势低洼，或港区外周边区域的积水汇入港区内，加重港区积水的严重程度。经分析，港区陆域高程通常不宜低于极端高水位（4.57 m）以上0.3～0.5 m，即4.87～5.07 m，若按“天鸽”和“山竹”台风期间实测最高潮位5.19 m计算，陆域高程应不低于5.49～5.69 m，现状陆域高程5.40 m不能满足天鸽”和“山竹”台风刷新后的水位要求。
1.5 地基处理工后沉降量的不确定性
港区陆域堆填考虑工程投资和环境保护等因素，疏浚土“变废为宝”再循环利用，陆域形成常将港池疏浚土作为回填料并按使用要求进行地基处理，但因回填料的复杂性和特殊性，可能导致实际工后沉降量比理论计算值偏大或工后沉降不均匀，引起在使用期出现港区陆域高程比码头前沿顶高程低的不利情况。因此，港区陆域高程的确定，不能仅考虑与码头面的高程衔接，还应考虑使用期工后沉降量，可根据陆域形成回填料特点和地区工程经验加以必要的修正，建议修正值不小于0.3 m，避免使用期间工后沉降引起陆域高程偏低，造成台风时货物水浸带来损失。
2.1 《海港总体设计规范》的相关要求
根据JTS 165—2013《海港总体设计规范》[1]的规定，港区陆域高程应满足在设定的防护标准水位时港区陆域不被淹没，并应根据场地功能、水文气象条件、排水方式、装卸运输等要求，结合护岸、地质和其他外部条件等因素综合考虑确定。港区陆域高程通常不宜低于极端高水位以上0.3～0.5 m，难以满足上述要求或涉及较大土石方工程量时，经论证后，可采取设置泵站或提高护岸阻水能力等工程措施，降低港区陆域高程。
2.2 《防洪标准》的相关要求
根据规范GB 50201—2014《防洪标准》[2]，海港主要港区的陆域应根据港口的重要性和受淹损失程度分为3个等级，具体防护等级和防洪标准见表3。
表3 海港主要港区陆域的等级和防洪标准Table 3 Grades and flood control standards for land areas of main port areas
2.3 《海堤工程设计规范》的相关要求
根据GB/T 51015—2014《海堤工程设计规范》[3]，港区陆域海堤堤顶高程应根据设计高潮（水）位、波浪爬高及安全加高值按下式确定。
式中：ZP为设计频率的堤顶高程，m；
hP为设计频率高潮（水）位，m；
RF为按设计波浪计算的累积频率为F的波浪爬高值，m；
A为安全加高值，m，按表4选取。
表4 堤顶安全加高值Table 4 Safety increment of embankment top
当堤顶临海侧设有稳定兼顾的防浪墙时，堤顶高程可算至防浪墙顶面。但不计防浪墙的堤顶高程仍应高出设计高潮（水）位以上二分之一波列累计频率为1%的设计波高，且不应小于0.5 m。
2.4 综合取值
港区陆域高程的综合取值，综合考虑装卸工艺、功能需求、土方平衡及工程投资等因素和满足规范要求，还应重点关注：
1）采用港池疏浚土作为陆域形成回填料的港区，应重视使用期工后沉降量引起陆域高程降低的问题，可据回填料特点和地区工程经验进行必要的修正，建议修正值不小于0.3 m。
2）“天鸽”和“山竹”等超强台风多次刷新了受台风风暴潮影响测站的历史最高潮位[4]，陆域高程计算时务必加强潮位历史资料的分析和数据更新修正。
3）在超强台风作用下，风暴潮的影响突出，破坏力极强，暴露出部分已建港口设施防洪排涝标准低，不能再适应防洪防潮的新形势要求[5-6]，新建港口设施的陆域高程适当提高防洪标准是十分必要的，建议中等港区陆域防洪标准不小于100 a一遇，重要的港区陆域的防洪标准不小于200 a一遇。
经历“天鸽”和“山竹”等超强台风的影响后，对港区的供电、通信等基础设施和堆场不同货类的货物，造成了不同程度的破坏和经济损失。为提高港口对台风的防御能力[7]，有效降低受灾损失，通过现场调研和走访，收集有关资料，受灾较为严重的码头类型包括集装箱码头、粮食码头、汽车滚装码头，对已建工程和新建工程在台风影响下可采取的应对措施[8]进行总结和提出建议。
3.1 已建的港口设施
1）集装箱码头。据实地调研，“山竹”期间对部分堆场水浸持续时间长达10 h，部分堆场水浸深度约0.3～0.4 m。集装箱码头货损最严重的区域是离码头前沿较近的集装箱重箱堆场、冷藏箱堆场和危险货物集装箱堆场的底层集装箱，建议主要措施：
应急措施：考虑危险货物集装箱堆场和冷藏箱堆场的规模不大，可在台风登陆前，采取将空箱放置在危险货物集装箱和冷藏箱底层，吸取“天鸽”台风的教训，该措施在“山竹”台风取得较好的效果，达到了完全防御的效果。
改造措施：主要针对重点防护的重箱堆场，极短时间内重箱堆场无法完全执行上述的应急措施，在台风前进行大规模倒箱。考虑只对箱角梁基础抬高的措施，在不影响堆场堆存能力情况下，经测算，采用RTG装卸设备的堆场，若堆五过六，吊具下净空高度18 m，过六的高度17.4 m，则操作空间富裕净距约0.6 m，原则上箱脚基础提高高度不超过0.4 m时不影响堆存能力，见图1。采用RMG装卸设备的堆场改造的原则相同，断面见图2，箱脚基础提高高度需结合设计参数和使用要求校核确定，箱角梁基础加高断面见图3。
图1 集装箱堆场改造断面图（ERTG装卸作业设备）Fig.1 Reconstruction section of container yard(ERTG handling equipment)
图2 集装箱堆场改造断面图（RMG装卸作业设备）Fig.2 Reconstruction section of container yard(RMG handling equipment)
图3 集装箱箱脚梁基础整体加高方案Fig.3 Overall heightening scheme of container foot beam foundation
2）粮食码头。据实地调研，“山竹”台风期间，水浸对粮食筒仓的影响不大，受影响的主要是粮食仓库，但粮食仓库室内标高比室外高，水浸不深，最大水浸不超过0.2 m。水浸主要通过仓库门进入，粮食仓库受灾程度大小与仓库门结构形式有关，通常采用防汛沙袋进行挡水。仓库门槛四周水泥硬化表面平整的，挡水效果较好基本不漏水；
仓库门四周表面不平整的，则防水效果差；
另仓门采用卷帘门的仓库比推拉门挡水效果好。建议主要措施：地势低粮食仓库，如条件允许，台风登陆前将粮食转移；
地势高的粮食仓库，做好防洪措施；
已建粮食仓库不建议提高室内的场地标高，因对仓容影响较大，可考虑在仓库门外增加挡水效果好的防洪门，提高挡水效果。
3）汽车滚装码头。据实地调研，台风带来降雨持续时间普遍较长，汽车一旦水浸，经济损失巨大，但通过改造停车场以整体提高高程，代价大且影响生产。建议主要措施：采用汽车提前转移至安全区域为主的措施，结合历年台风水浸影响的情况，对港区陆域低洼地带水浸影响明显的区域绘制分布图，因地制宜选择安全区域，考虑码头前沿上浪的影响，靠近码头前沿的车辆尽量转移，采用此措施后，2022年5月10—13日局部特大暴雨没发生汽车水浸现象。
3.2 新建的港口设施
新建港区陆域的高程设计需统筹规划，相比已建港口设施的改造，限制条件少，在满足相关规范标准的基础上，应充分考虑历年台风等极端天气影响。在工程投资增加有限的条件下，采取经济合理的措施提高防御极端天气的能力。新建港口设施的陆域高程适当提高防洪标准是十分必要的，建议中等港区陆域防洪标准不小于100 a一遇，重要的港区陆域的防洪标准不小于200 a一遇，可同时考虑其他辅助措施，如粮食仓库增加防洪门，受台风影响经常导致变电所夹层水浸情况的港区不设置地面下变电所夹层等。
1）台风等极端天气具有多发性、不可抗力和不确定性特点，防御标准难以达到完全防御，亦无法提出统一的防御标准，但可在权衡受灾损失与防御措施成本之间的综合效益基础上，采取有效的措施尽量降低灾害影响和财产损失是十分必要的。
2）新建工程港口设施港区陆域高程确定时，在满足使用功能情况下，还应考虑防洪标准、历年台风灾害、工后沉降量及工程投资等因素带来的影响，在工程投资增加有限的情况下，适当提高陆域堆场应对防御极端天气的标准。
3）已建港口设施可结合历年台风等极端天气造成损失的影响，在生产运营影响不大的条件下，结合货类不同和财产损失不同，通过“针对性改造和制定应急预案”并举的措施，有效提升应对极端天气的防御能力。
4）利用疏浚土作为陆域形成回填料的港区，在陆域高程确定时，应关注使用期工后沉降量引起陆域高程降低的问题，建议结合回填料特点和地区工程经验加以必要的修正。
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