综述：工程海啸缓解措施的有效性：当前方法与研究需求综述，第一部分：现场调查

《Fluids》：Effectiveness of Engineered Tsunami Mitigation Measures: A Review of Current Approaches and Research Needs, Part I: Field Surveys

　　

海啸虽然罕见，但对沿海社区和基础设施构成灾难性威胁，凸显了有效缓解策略的迫切需求。本综述通过综合海啸后现场调查（post-tsunami field surveys）的结果，对当前的工程对策（specifically seawalls, breakwaters, and water-filled canals）进行了全面评估。来自重大事件（如2011年东北海啸（Tohoku Tsunami））的证据表明，设计良好的结构措施可以大幅降低海啸波能量并延迟内陆淹没，从而提高沿海基础设施的韧性。然而，其有效性在很大程度上取决于适当的几何配置（geometric configuration）、施工质量、定期维护以及与非结构措施（如疏散规划）的整合。近期的实验和数值研究也强调了创新对策在减弱激波力（bore forces）和保护关键基础设施方面的潜力。尽管取得了进展，但在这些系统在不同海啸条件下的长期可靠性、成本效益和适应性方面仍存在显著的知识空白。本批判性综述旨在识别这些空白并概述未来研究和发展的关键优先事项。研究结果有助于更深入地理解结构性海啸缓解，并支持在全世界海啸易发地区推进减少灾害风险的综合、韧性策略。

1. 引言（Introduction）

论文指出，全球约90%的最大城市位于沿海地区，而近60%的沿海城市面临海啸风险。2004年印度洋海啸（IOT）和2011年日本东北大地震（GEJT）等灾难性事件揭示了单纯依赖结构防御的缺陷，强调需转向综合风险管理框架，结合工程防御与非结构措施，如土地使用规划、预警系统、疏散预案和生态缓冲区。本研究通过综合海啸后现场调查、实验室实验和数值模拟的证据，批判性地评估结构性缓解技术的性能，重点关注海堤、防波堤和充水运河三种工程措施。

1.1 海啸（Tsunamis）

海啸（日语“ harbor wave”）是由海洋盆地大规模扰动产生的长波长、高能量海浪。与普通风浪不同，海啸涉及整个水柱的运动，在到达浅水区时可能形成高耸水墙，造成广泛破坏。2004年印度洋海啸和2011年日本东北大地震造成近30万人死亡，数十亿美元经济损失。这些灾难促使全球加强灾害评估、风险缓解和公众准备。

1.2 缓解措施的重要性（Importance of Mitigation Measures）

海啸对基础设施和人类生命造成严重破坏。2004年和2011年事件远超现有防护系统能力，促使研究人员发展预警系统和疏散计划。非结构措施包括沿海植被、沙丘、泻湖和珊瑚礁；结构措施包括海堤、大型屏障、水闸和专用疏散建筑。选择工程措施需考虑水力性能、施工成本、维护需求、海啸频率和长期经济可行性，在低频率区域需进行特定地点的成本效益分析。

1.3 海啸设计指南与标准（Tsunami Design Guidelines and Standards）

日本自1950年代起发展综合指南，2005年发布《建筑物抗海啸结构设计方法》（SMBTR），详细规定了海啸波压力和力计算、浮力效应及周围障碍物影响。美国夏威夷建筑规范（CCH）制定抗海啸标准，联邦紧急事务管理局（FEMA）发布P-646指南，《美国土木工程师学会标准7-22》（ASCE 7-22）提供最小设计荷载，包括海啸引起的力。俄罗斯也制定了相关规范。尽管取得进展，全球标准化仍面临挑战。

1.4 综述的目标与范围（Objectives and Scope of the Review）

本研究旨在全面评估工程海啸缓解措施（海堤、防波堤和运河）在减少海啸对沿海基础设施影响方面的有效性，通过现场观察、实验室实验和数值模拟分析，识别知识差距并指出未来研究方向，支持发展更具韧性和可持续性的沿海基础设施。

2. 海啸灾害及其对沿海基础设施的影响（Tsunami Hazards and Impacts on Coastal Infrastructure）

2.1 海啸的产生与传播（Generation and Propagation of Tsunamis）

海啸主要由地震触发（如2004年印度洋和2011年日本海啸），也可由非地震原因引起，如海底滑坡、火山喷发、小行星撞击和冰川崩解。海啸以高速在深水传播，波长长、波高小；接近浅水区时波高增大并破碎，形成激波（bore）或涌浪（surge），引发内陆淹没。日本将海啸分为L₁级（重现期几十年至百年，淹没深度<7-10 m）和L₂级（重现期数百至数千年，淹没深度可达20-30 m）。

2.2 海啸与沿海基础设施的相互作用（Interaction of Tsunamis with Coastal Infrastructure）

海啸激波对结构施加多种流体动力和冲击力，包括静水压力、流体动力阻力、抬升力、碎片冲击和基础冲刷，导致结构部分或完全失效。2011年GEJT中，许多钢筋混凝土建筑因强流体动力和基础冲刷倾倒或移位，桥梁被浮力抬升和碎片冲击冲走。海啸作用力时程通常包括冲击力阶段、过渡阶段和准稳态阶段，缓解措施对不同阶段影响不同。

2.3 海啸力类型与沿海基础设施破坏机制（Types of Tsunami Forces and Coastal Infrastructure Failure Mechanisms）

ASCE 7-22将海啸力分为静水荷载和流体动力荷载。静水荷载包括浮力、不平衡侧向静水压力、楼板和墙面残余水超载及基础静水超载。流体动力阻力沿流动方向施加巨大力量。浮力抬升可能导致不充分锚固的构件脱落。海啸退水阶段产生回流速度，加剧基础冲刷。结构破坏源于静水/流体动力荷载、浮动碎片冲击、火灾以及土壤侵蚀导致的基础失稳。碎片冲击（如汽车、集装箱）具有高度冲击性，冲刷导致承载能力丧失。

3. 缓解措施分类（Classification of Mitigation Countermeasures）

海啸防御策略分为结构措施、非结构措施和混合方法。结构措施注重物理偏转或耗散波能；非结构措施强调准备和规划；混合方法结合两者以实现更韧性的结果。

3.1 结构措施（Structural Measures）

结构措施是设计用于衰减海啸荷载的工程系统，常见包括海堤、防波堤和运河。

3.1.1 海堤（Seawalls）

海堤是沿海岸线建造的垂直或斜坡屏障，用于反射或耗散波能。高海堤能有效防护，但成本高，且可能因越顶而失效，甚至增加破坏。它们可能降低疏散准备度。

3.1.2 防波堤（Breakwaters）

防波堤是离岸结构（浮式或固定式），作为第一道防线减少波能。淹没式或离岸防波堤可在海啸到达海岸前削减能量，特别适用于港口和海湾。其形状、孔隙率和布置显著影响海啸耗散，位置也是关键参数。

3.1.3 运河（Canals）

充水运河、渠道或挖池位于内陆或沿海基础设施附近，作为能量汇吸收部分海啸激波，减少对后方结构的作用力。尽管海堤和防波堤更有效，但成本高；现场调查表明平行于海岸的充水运河能有效耗散激波能量。

3.2 非结构措施（Non-Structural Measures）

非结构措施包括预警系统、灾害分区、海啸疏散地图、公众教育和宣传。城市规划限制高风险区域发展，可有效减少伤亡和经济损失。日本建立了综合框架，集成实时警报、疏散演练和风险沟通。

3.3 混合方法（Hybrid Approaches）

混合方法结合结构与非结构元素，形成多层防御系统。例如，海堤与高架疏散结构、预警系统、绿色基础设施（如红树林、沙丘）组合。近期研究探索结合工程措施平衡流量减少和越顶控制，未来应关注优化协同效应。

4. 工程海啸缓解措施的现场评估（Field Evaluation of Engineered Tsunami Mitigation Measures）

现场调查提供关键灾后数据，揭示结构性能和脆弱性。Nistor和Palermo（2015）对2004年印度洋、2010年智利和2011年东北海啸进行了详细调查，研究了结构响应。Heidarzadeh等（2024）发现三种主要破坏机制：退水引起的倾覆、淹没流和波压导致的损坏、碎片冲击。

4.1 海堤后海啸破坏评估（Post-Tsunami Damage Assessment of Seawalls）

2011年GEJT后，调查发现按新标准建造、高度8-15 m的海堤显著减少了越顶和内陆淹没，保护了关键基础设施。但部分海堤在超过设计高度时被越顶，导致灾难性洪水；一些海堤因基础冲刷和掏蚀受损。2004年苏门答腊海啸后，Phuket海堤开口后方的基础设施损坏加剧。2024年能登海啸调查显示，高质量混凝土海堤未受损坏，但未保护的区段因退水倾覆，而配备岩石护甲的相邻区段保持稳定。Suppasri等（2013）指出海堤损坏的三种原因：X形交叉导致波能积聚、基础削弱、维护不当和连接不足。

4.2 防波堤在海啸事件中的表现（Breakwater Performance in Tsunami Events）

2004年印度洋海啸调查显示，防波堤保护区域波高和爬高显著降低。高孔隙率堆石防波堤通过湍流和摩擦耗散能量，但部分结构因极端荷载位移或部分失效。淹没式防波堤通过诱导波浪破碎耗散能量，可减少爬高至30%。2011年东北海啸中，日本东北海岸许多防波堤（主要为风暴防护设计）遭受严重损坏或完全失效。混凝土护面块体防波堤比沉箱式更具韧性，但部分块体仍受损。釜石防波堤虽被摧毁，但将海啸力降低约40%，延迟内陆到达约6分钟，为疏散争取了时间。2024年能登半岛调查强调，防波堤后方区域影响最小，而无防护区域和薄弱点破坏严重。Heidarzadeh等发现三层沿海防护系统（离岸堆石防波堤、混凝土阶梯护岸、土堤）有效防止了破坏。

4.3 工程与自然运河的观测（Observations of Engineered and Natural Canals）

运河可改变流态和速度，影响海啸波传播。印度金奈附近的白金汉运河（宽30 m、深10 m）在2004年海啸中充当缓冲区，先填充运河，减少高地区破坏，并在10-15分钟内将水排回海洋，降低了伤亡。Tokida和Tanimoto（2012）证明充水洼地（“挖池”）可有效降低海啸流速。2011年日本海啸中，尽管沿海森林被冲走，但北田泽运河与植被的组合可能在一定程度上减弱了海啸力。历史设计通常将沿海森林作为防风林，运河位于其后，形成分层防护。

5. 讨论与结论（Discussion and Conclusions）

本综述通过现场观察，研究了海堤、防波堤和充水运河三种关键结构措施的有效性。海堤和防波堤在适当设计和维护下可减少波能、延迟内陆洪水并保护资产，但对L₂级极端事件可能因冲刷和越顶失效。运河（尤其是充水且战略布置的）是较新的替代方案，可耗散能量、降低激波速度，但缺乏标准化设计协议和现场验证。未来研究应采用多学科、地点特定和系统级方法，结合高分辨率模拟与实地测量，关注成本效益高的方案如运河和混合策略。还应研究多功能沿海基础设施，同时应对海啸、风暴潮、侵蚀和洪水。最后，没有单一措施能完全保护，集成多层防御系统（如海堤与高架疏散路线，或运河与植被缓冲带）提供更韧性的解决方案。