2018年9月4日，受強臺風“燕子”的影響，日本關西國際機場的跑道和停機坪等部分設施被淹、橋梁被油輪撞擊后受損而不得不全面關閉，凸顯出填海建造的機場在運行安全上面臨的嚴峻挑戰，引起公眾的廣泛關注。

　　關西國際機場填海機場共分為兩個人工島，各5km2，分別稱為一期和二期人工島，先后于1994年和2007年建成。此次被水淹的是關西國際機場一期人工島。該填海機場最大的問題是建于水深較大，達18m，地下可塑軟土厚度達數百米，水下地表淤泥的強度猶如豆腐腦一般的“險惡”位置上。在這一水深的海域，理論上最大波高可達約10m。在設計上擋浪墻高度允許越浪，在護岸周邊設有滲透帶，以便發生越浪后再回流入海。由于水深很大，人工島從海底堆起的填料厚度達33m，可以說自建設之日起便沉降不止。在人工島剛出水時陡然發現沉降速度和幅度遠超過預期，于是緊急停工1年，又臨時修改設計將高程再加高3m。可以說，這是救命的3m，不然在機場建成之日，便是機場報廢之時。

　　正如人們所擔心的，關西國際機場的沉降成為最致命的問題。截止到2015年12月，一期人工島已記錄到的機場累計沉降已達13.12m，其中，機場營運之后的沉降達3.30m。雖然人工島下的軟土層在持續壓縮下已經歷了長達20多年的土體變形，孔隙水基本消散完成，已遠超經典土力學認為的孔隙水消散的時間，但至今仍以每年6cm速度繼續下沉，絲毫沒有減緩的跡象。以此趨勢，若干年后關西國際機場一期人工島的高程降至高潮位時的海面以下是極有可能的。而二期人工島的下沉速度更快，每年的下沉速度達30cm。詳見圖1

　　(a)關西國際機場一期人工島

　　(b)關西國際機場二期人工島

　　圖1 關西國際機場人工島歷年平均沉降量監測結果

　　關西國際機場一期人工島地基沉降的直接后果之一是人工島擋浪墻高度降低。實際上，早在2004年，便發生過因強臺風的襲擊海水越過擋浪墻涌入機場。為此，機場當局專門對擋浪墻重新進行了加高改造。

　　圖2 擋浪墻改造

　　關西國際機場一期人工島地基沉降的另一個直接后果地下的排水系統基本報廢，不得不將自流的排水系統改為用水泵往外抽水。由于人工島地下是透水的，所以必須在護岸后方打一圈30m深的止水墻，可謂工程浩大。這一改造項目自2001年開始施工，2005年完成，歷時4年。采用機械排水，對電力依賴極大，一旦發生停電，即使會啟動應急發電系統，排水效率也必然會受到影響。

　　(a)地下隔水墻設計斷面

　　(b)排水系統徹底改造

　　(c)本次受災即機場地面向海中直接排水的情景

　　圖3 排水系統改造

　　此次發生的船舶撞橋事故是以前沒有意識到的危險要素。這艘肇事船是為機場運送航油的油船，排水量2591t。該船剛在機場油品碼頭卸下航油，在機場東南方約2公里處的海面拋錨停泊，約20分鐘后在臺風和巨浪的作用下發生走錨，最后以船樓部位撞上引橋。可以設想，如果是艙船與橋體結構直接相撞，或沖向西北側的油品碼頭，則極可能引起爆炸或起火，后果不堪設想。我個人認為這一一個典型的失誤：此處海域海底為深厚淤泥，船錨的抓力很低，根本不適合拋錨。或許是臺風來臨沒有及時撤走的緣故，很可能是想僥幸搶在臺風到來之前卸完航油返航，而這是港口裝船事故最常見的原因。

　　圖4 油船走錨路線圖

　　填海機場面臨的另一個挑戰是，由于地球變暖，海平面上升，聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)曾預計到2100年可能會上升18～59cm，有的權威機構甚至預測可能會比現在提高2m。如果真如預測的那樣海平面持續上升下去，對已建成的填海機場無疑是滅頂之災，而對于關西國際機場則更是雪上加霜。

　　據初步監測，在過去的100年里，我國海平面上升了115mm。尤其是近30年來，我國沿海海平面平均上升速度達到2.6mm/年，高于全球海平面1.7mm/年的上升速度。其中，渤海、黃海、東海、南海沿海海平面平均上升速度分別為2.5mm/年、2.8mm/年、2.8mm/年、2.5mm/年。預計在未來30年，我國沿海海平面可能將比2010年升高80～130mm。海平面的這一增長趨勢，不能不引起我們高度警惕。

　　決定機場人工島地面高程的另一個關鍵因素是風暴潮問題。在我國歷史上，風暴潮災造成的生命財產損失觸目驚心。據史料記載，1782年，強溫帶風暴潮曾使山東7個縣受害。1895年4月28和29日，渤海灣發生風暴潮，幾乎毀掉了大沽口全部建筑物，整個地區變成一片“澤國”，死亡2000余人。1922年8月2日，強臺風風暴潮襲擊了汕頭地區，造成特大風暴潮災。上述史實表明，我國沿海從南至北皆可能發生風暴潮。據不完全統計，從漢代至公元1946年的2000年間，我國沿海共發生特大潮災576次，一次潮災的死亡人數少則成百上千，多則上萬乃至十萬之眾。據初步統計，自1949至今，我國發生增水超過1m的臺風風暴潮達269次，其中風暴潮位超過2m的49次，超過3m的10次，造成特大潮災14次，嚴重潮災33次。在潮災面前，對于猶如大海中一片葉舟的機場人工島，僅需一次，即可能面臨滅頂之災。

　　我們不會忘記，為抵御海潮侵襲，日本福島第一核電站中三號和四號核反應堆臨海一側曾建設了一座比海平面高出14m的巨大防波堤。2011年，日本福島大地震引起了水位高達10m的海嘯，其間很可能出現了瞬間水位增高的情況，使得防波堤最終未起到堪稱生命線的防護作用，核電站還是被海水淹沒，引發的核泄露震驚世界。

　　另外，波浪的疊加效應也是此次災難的元兇之一。填海機場距岸邊約5KM，波浪的反射形成涌浪，出現局部增水，岸流加速，仔細分析肇事油船的移動線路會發現可能與此不無關系。

　　應該承認，在波浪與結構物相互作用方面，其理論分析、數值模擬、物模試驗和原型觀測等已較為成熟，在工程中有著廣泛的應用和大量實踐經驗。但是，對于外海波浪的非線性特性、海嘯形成機理、模擬技術的可靠性等還處于研究階段，尚無充分的工程實踐驗證，具有消浪、改善海嘯受力的護岸結構設計技術還缺少深入研究。以減少護岸越浪量，減小護岸結構波浪反射，降低海底沖刷、結構受力，提高護岸結構安全度，尋求改善海嘯受力防護結構型式，降低海嘯對建筑物的破壞程度，以及損毀后易于修復等為目標的新型消浪護岸結構研究還較少;解析強非線性波浪與護岸結構作用機理，以及外海長周期波浪和海嘯與結構物相互作用研究技術難度還較大;由于沖刷機理十分復雜，適合外海自然條件的護岸防沖護底結構研究還不夠成熟等等。

　　確定機場人工島地面高程是建設中最敏感，最困難的內容之一。人工島四面被海水包圍，潮汐和海浪是威脅最大的不安全因素。如果人工島地面的高程過低，一旦出現風暴潮引起海水涌入，機場將極易被淹沒。因而從安全角度出發，人工島地面的高程顯然應越高越好。但是，雖然抬高填海機場的地面高程可以減少地基沉降的風險，但地面每提高1米，為此需增加的填料將以千萬方計，投資將以10億元計，而且因荷載加大，地基沉降也將加劇，會引發連鎖反應，因而是一個兩難的抉擇。工程實踐和理論計算都表明，在海水浮力的作用下，浸在水下的填料對海底土體的變形影響并不明顯，而當填料高出水面時，荷載便會陡然增加，地基變形明顯增大。在以上諸多利弊的抉擇中，最難以判斷的是若干年后地基的沉降到底會是多少?到底要為此預留有多大的裕量?迄今為止，人類對土體工程性質的了解還很少，所謂各種各樣的公式計算、計算機仿真甚至物模實驗等其實基本上離不開經驗判斷，涉及到海洋軟土分析則更是如此。關西國際機場人工島地基沉降的結果告訴我們，實踐中可能發生的情況遠比理論分析得到的結果更為嚴重，機理也更為復雜。

　　可以說，人工島地基的沉降是不可避免的，其沉降量也常常會超出我們的預測，但這并不一定對飛機跑道結構的功能給出否定的結論。對于機場跑道而言，最為致命的問題莫過于出現過大的差異沉降。這一情況在地下有基巖的地質條件下最為常見。

　　此外，從安全角度，擋浪墻應有足夠的高度，但因此會構成高高的“圍墻”，成為飛機跑道遠端的剛性障礙，不利于飛機起降安全，如果為防止海水入侵建設足夠高大的擋浪墻，則又會成為飛機起降的障礙，這是一個現實的多目標問題。2013年7月6日，韓亞航空公司的波音777型客機在美國舊金山國際機場降落時機尾折斷，引發飛機起火，3人死亡，180人受傷。事故原因是由于飛機下降的高度過低，其主輪和尾翼碰到了凸起的擋浪墻上，巨大的撞擊力導致機尾折斷，余下的飛機主體失控沖出了跑道(圖5)。

　　(a)飛機下降角度偏小，尾翼撞擊凸起的岸壁后解體

　　(b)飛機正常入場角度

　　(c)飛機主體沖出跑道后起火燃燒

　　(d)折斷的機尾

　　(e)跑道兩側均設有擋浪墻

　　(f)失去尾翼的飛機主體滑入土面區

　　圖5 飛機在舊金山國際機場滑出跑道(2013年7月6日)

　　對于香港國際機場。陸上交通的脆弱性一直是運行的最大問題之一。2015年10月23日，通往機場及大嶼山唯一的陸路交通要道汲水門大橋發生船舶撞橋事故，造成機場鐵路停運，青馬交通封閉，機場自啟用以來首次“與世隔絕”，成為交通隔絕的孤島。這次事故使交通癱瘓2h，大批前往機場的旅客受到影響，有91個航班因大部分旅客未及時趕到而不得不延時起飛。據事后調查，肇事船是一艘無動力矩形平底躉船，由一艘拖船拖行通過汲水門大橋(限制高度41m)，因躉船吊臂沒有收下而直接撞到橋梁。汲水門大橋長430m，是公鐵兩用雙層斜拉式橋梁。經檢查，發現橋身兩側和底部共有6條鋼條組件被撞斷，均朝同一方向彎曲，其中內側中間2條長約10m鋼梁跌落海中，另有2條光纖被刮斷，觸動了警報系統。幸運的是，躉船吊臂超高不大，僅刮到橋梁底部非受力連接梁，因而未造成橋身結構性損毀，緊急維修后很快重新恢復通車(圖6)。雖然這一事故并不嚴重，但由此暴露出機場交通如此不堪一擊，給我們以深刻警醒。

　　圖6 檢測汲水門大橋損壞情況

　　迄今為止，世界上已相繼建設了多個填海機場，以孤島形式完全填海建造并運營的機場日本長崎機場、日本關西國際機場、中國澳門國際機場、中國香港國際機場、日本北九州機場、日本神戶機場、日本中部國際機場7座(以建設時間為序)。整體或部分坐落在水深較淺的淺灘上沿岸邊建設的填海機場更多，如新加坡樟宜機場、法國尼斯國際機場、日本東京羽田國際機場、韓國仁川國際機場、中國上海浦東國際機場、中國深圳寶安國際機場二期(以建設時間為序)等幾十座。無論我們承認與否，將機場從陸地移到海岸區甚至海上的初衷，主要是出于對土地資源緊缺的一種無奈，人類利用海洋資源建設機場確實有效緩解了陸地建設用地緊缺的矛盾。填海建設機場可以遠離城市居住區，對城市環境的噪聲影響明顯減少，使得以往十分尖銳的社會問題得以回避，改善了城市居住環境，也節約了城市土地資源，因而受到沿海國家和城市的青睞，成為本世紀新機場選址的一種潮流。

　　(作者系大連海事大學教授)

責編：admin