海啸是一种具有强破坏力的海浪，在许多西方语言中称为“tsunami”，在1963年的国际科学会议上正式列入国际术语。目前人类对地震、火山、海啸等突如其来的灾变，只能通过观察、预测来预防或减少它们所造成的损失，但无法阻止它们的发生。

理论上讲，我国的《海港工程设计手册》和美国《海岸工程手册》以及欧洲的《岩石手册·水力工程用》等资料中，均将海啸定义为一种长周期波浪，但其在产生、传播和与构筑物作用及破坏方面有很大不同。

海啸在短时间内形成的是一种高出静水面的水体，高度一般用波幅表示。由于海啸波周期非常长，所以其形成的增、减水更类似于海洋潮汐，其产生的最高波幅和其退潮减水之间差值对核电厂防洪设计参考作用很小。所以在本文中海啸与波浪对比时，使用的是海啸波幅与波浪的波高(波峰到波谷之间的垂直距离)进行对比，这样更符合国际和国内构筑物设计时的习惯。海啸与常规波浪参数如图1所示^[2]。

图  1  海啸与常规波浪参数

Figure 1.  Tsunami and normal wave parameters

相同波高情况下海啸比常规波浪冲击力更大，且海啸波作用的持续性强，海工构筑物(尤其是挡浪墙)在海啸作用下更容易发生倾覆、滑移等形式的破坏。而常规波浪周期较短，波峰时间较小，实际波压力一般要小于理论计算值。

海啸与常规波浪差别如图2所示。

图  2  海啸与常规波浪差别示意图

Figure 2.  Illustration of difference between tsunami and normal wave

核电厂防波堤和护岸的破坏类型非常多，但一般在单个风暴潮或海啸周期内产生冲击而导致的破坏，且易发生后方水淹的情况通常有以下几种：

1)波浪或海啸沿构筑物爬高或直接越过顶部，对后方道路、地基以及建筑物冲击，导致后方建、构筑物和道路等损坏。

2)波浪或海啸冲击，导致构筑物护面块体失稳滚落、堤体冲毁和结构破损。

3)波浪或海啸作用于挡浪墙或直立堤，导致的倾覆或滑移，而如果挡浪墙倾覆失效，可能会伴随大量的越浪水体越过构筑物，导致后方的厂区发生水淹。

在日本福岛事故后，为快速复核在建、在役核电厂海工构筑物在海啸灾害下的安全性问题，广核集团组织开展了系列海啸物理模型试验工作。本文以广东某滨海核电厂为例，对复核过程和结果加以介绍。

本案例海啸波幅使用马尼拉海沟的一个海啸源，将假想发生地震海啸情况下传播至厂址附近的可能最大波幅2.12 m作为输入，进行断面物理模型试验，对该核电厂海啸灾害下防波堤安全性进行验证。

模型试验在无反射造波机试验断面水槽中进行，水槽的长、宽、高分别为68.0 m、1.0 m、1.6 m。造波机系统由造波板、伺服电机、造波机控制器、计算机控制系统和数据采集、分析系统组成。该系统可以在0.5～4.5 s的周期范围内模拟不同谱型的不规则波和特定形式的非线性波，本试验是在水槽中生成孤立波以模拟海啸，试验设备如图3所示。

图  3  无反射不规则波造波机试验水槽

Figure 3.  Non-reflection irregular wave examination basin

该设备模拟海啸波的波形方程如下：

式中：h为水深；α为波高；X为传播距离；T为周期；C为波速。

试验先采用了厂址的最高天文潮、设计高水位和极端高水位与海啸源传播至厂址附近2.12 m的波幅进行了组合。但由于波幅较小，冲击作用不明显，爬高也仅至8.5 m处，为更好的观察海啸波与构筑物作用现象和研究防波堤抵抗海啸能力，所以又假想了2个更大的海啸波幅与极端高水位进行组合，整个试验共5个工况^[1]，组合方式如表1所示。

1)模型设计

模型按重力相似律及《波浪模型试验规程》的有关规定进行模拟。综合考虑水深、波浪要素，根据试验水槽的尺度和造波机性能指标，本次模型试验中防波堤断面选用的几何比尺为1：36，其它物理量相应的模型比尺为^[2]：

重量比尺λ_w＝λ³；时间比尺λ_t＝λ^0.5；总力比尺λ_w＝λ³。

压强比尺λ_w＝λ；流速比尺λ_t＝λ^0.5；越浪量比尺λ_q＝λ^1.5。

2)模型制作

模型中的护面块体采用水泥、砂子、铁粉浇制而成，防浪胸墙采用水泥和砂石浇注预制。根据《波浪模型试验规程》的要求，护面块体、防浪胸墙的模型几何尺寸允许偏差控制在±1.0 mm以内，重量允许偏差小于±3%。

试验所采用的护底块石和垫层块石均经过人工挑选，其重量允许偏差控制在±5%以内。为了便于观测，试验断面所使用各种块石均涂以不同的颜色。物理模型如图4所示。

图  4  防波堤物理模型

Figure 4.  Flood bank examination model

1)通过现场目测和钢尺量测的方法观测结构物稳定情况，包括堤身整体稳定性和挡浪墙与护面块体局部稳定性等。

2)通过现场目测和钢尺量测的方法观测波爬高和堤顶越浪水舌厚度。

3)采用压力传感器测量结构物表面波压力，试验时静水面位置进行传感器定零，因此所测量的数据均为海啸波通过压力传感器所产生的波压变化，即包含了波形通过所改变的静水压及流体所施加的动压力，测点位置如图5所示。

图  5  压力传感器布置图

Figure 5.  Configuration of pressure sensors

1)断面稳定性

在各水位与海啸波幅组合情况下均未发生整体垮塌和局部护面块滚落、挡浪墙滑移等现象，防波堤断面整体和局部都保持稳定。

2)波爬高

2.12 m海啸波组合最高天文潮水位1.71 m水位下，波浪爬坡至6.45 m高程处，上朔水体随后回落；组合设计高水位3.40 m水位下，波浪爬至7.82 m；组合极端高水位4.34 m，波浪继续爬坡至8.83 m，均未越至护坡肩台上。

3.18 m海啸波与极端高水位4.34 m组合作用时，波浪依然未爬至前坡肩台处，水体最高达到11.06 m高程处。

4.24 m海啸波与极端高水位4.34 m组合作用时，波浪经过斜坡水体上朔最高爬至肩角处，并有少量水体溅落在肩台上，但并未到达挡浪墙处，未发生越浪。

海啸、风暴潮、假潮等洪水是影响滨海核电厂布置的重要因素，核安全导则中《滨海核电厂厂址设计基准洪水的确定》专门对核电厂防洪提出了具体要求。根据海啸波的特点，其与常规的潮汐和波浪在传播时类似，通过合理的防洪构筑物布置可以有效避免或减轻海啸对核电厂的危害，保证核电厂的安全营运。

核电厂防洪高程^[3]计算如图6所示。

图  6  厂坪高程计算示意

Figure 6.  Illustration of calculation of nuclear power plant ground level

我国部分核电厂的防洪情况如表2所示：

2011年以前核电厂在设计过程中多对近地海啸进行了分析，波幅都比较小，因此未作为控制工况。

经过2011年日本福岛事故后，通过开展模型试验，假设马尼拉、琉球海沟可能产生的地震海啸对滨海核电厂进行了防洪符合验证，相关数据如表3所示^[4]。

从上面数据看，我国大部分滨海核电厂在厂坪设计中对近地海啸引起的洪水是有裕度的。对于马尼拉、琉球海沟可能产生地震海啸的防护，部分厂址裕度小，需要进一步考虑设置防洪措施以增大防洪裕度。需要说明的是，由于试验精度问题，该结果与实际情况有一定的不确定性。

我国核电厂除了在厂坪标高选取中留有裕度外，还会通过设置防洪的护岸及防波堤进行防护^[5,6]。下面是几种常见的海工构筑物布置方式如图7所示。

图  7  几种常见的防波堤布置方式

Figure 7.  Common configuration of flood bank

由于本文中所述试验均是不考虑在场外设置防波堤的情况开展，因此通过上述各种防洪布置增加了核电厂的防洪安全裕度。

结合海啸破坏的特点，结合模型试验对我国滨海典型核电厂的研究，对我国滨海核电厂海啸防护开展分析，结论如下：

1)因为我国沿海大陆架较浅，且外部有岛链防护，因此对我国滨海形成影响的海啸主要为近地海啸。

2)我国已建滨海核电厂厂坪标高的设置对于近地海啸防护裕度较为充裕。对于马尼拉、琉球海沟可能产生的地震海啸，部分厂址裕度略小，需要进一步考虑设置防洪措施以增大对越洋海啸的防护裕度。

3)后续新建的滨海核电厂设计中需在厂坪标高的选取中依据厂址条件进一步考虑对于马尼拉、琉球海沟可能产生地震海啸的防护，以增大安全裕度。