洪水發(fā)生后,當(dāng)?shù)卣皶r(shí)發(fā)出了預(yù)警,超過(guò)10000人被緊急疏散。由于預(yù)警及時(shí),潰壩洪水未造成人員傷亡。圖8、圖9所示為米德蘭市遭遇潰壩洪水的淹沒(méi)情況。

圖8 潰壩洪水進(jìn)入米德蘭市區(qū)

圖9 米德蘭市中心被洪水淹沒(méi)
回顧人類大壩建設(shè)歷程中發(fā)生的大壩破壞事件,任何大壩安全事故的發(fā)生,基本上都可以歸因?yàn)橥獠恳蛩?、自身因素(大壩結(jié)構(gòu)或地質(zhì)條件)和人為因素(管理及人為失誤)這三個(gè)主要方面的問(wèn)題。一次嚴(yán)重的大壩潰決事件,通常都是三方面因素綜合作用的結(jié)果,此次美國(guó)密歇根州伊登維爾大壩事故也充分證明了這一點(diǎn)。
造成伊登維爾大壩和桑福德大壩事故的一個(gè)重要外部因素是密歇根州提塔巴瓦西河流域的異常降水。據(jù)?象資料顯示,2020年5月,熱帶風(fēng)暴“亞瑟(Arthur)”在大西洋中部海岸登陸,熱帶潮濕氣流自東海岸向西進(jìn)入密歇根,形成了一場(chǎng)覆蓋全州的強(qiáng)降雨過(guò)程。圖10所示為5月17日至5月19日密歇根州下半島地區(qū)的降雨分布。

圖10 密歇根州下半島地區(qū)2020年5月17日至5月19日的降雨分布
據(jù)美國(guó)國(guó)家?象局報(bào)道,5?17?至19?,提塔巴瓦西河流域降?量達(dá)100~180mm。集中的強(qiáng)降雨導(dǎo)致水庫(kù)水位迅速上漲,水位逼近伊登維爾大壩壩頂,從而造成了對(duì)大壩安全的嚴(yán)重威脅。
根據(jù)伊登維爾大壩的基本資料,大壩的壩型為土壩。從潰壩后的壩體斷面看(圖11、圖12),可以判斷大壩壩型為均質(zhì)土壩,壩體上游壩坡采用碎石護(hù)坡,下游壩坡為草皮護(hù)坡。


圖12 伊登維爾大壩潰口
根據(jù)最初的網(wǎng)絡(luò)新聞報(bào)道,伊登維爾大壩的潰決是庫(kù)水漫頂所致。但從后續(xù)的大壩潰決過(guò)程視頻資料看,潰壩時(shí)水庫(kù)水位并未漫過(guò)壩頂。從圖13可以看出,大壩將潰時(shí),壩頂上游側(cè)已經(jīng)出現(xiàn)明顯的塌陷,下游壩坡較高處出現(xiàn)流水。壩頂上游側(cè)的塌陷可能是在高水位浸泡下,土體抗剪強(qiáng)度降低后導(dǎo)致的壩頂上游坡局部滑坡,但也可能是壩體滲透破壞通道形成后導(dǎo)致上游側(cè)滲流入口處的塌陷。
(視頻:伊登維爾大壩的潰決過(guò)程)
圖13 伊登維爾大壩潰決過(guò)程
圖14所示為伊登維爾大壩未潰時(shí)潰口附近壩體及溢洪道泄流情況,從大壩壩體下游坡大面積滲水外溢的情況看,壩體滲透破壞的可能性較大,同時(shí),也可以判斷壩體的滲流浸潤(rùn)線較高,壩身土體大部分處于飽和狀態(tài)。圖中也可以看到溢洪道左邊墻外側(cè)的壩體已發(fā)生了滲透破壞。

圖14 伊登維爾大壩潰決前下游壩坡及溢洪道
大壩的最終潰決產(chǎn)生于壩身滑坡破壞,滑坡的過(guò)程表現(xiàn)出較典型的深層圓弧滑動(dòng)模式,符合均質(zhì)土壩壩身滑坡的基本破壞形式。導(dǎo)致壩體滑動(dòng)破壞的原因主要包括上游高庫(kù)水位的荷載作用、壩體的滲透破壞、壩體較高的滲流浸潤(rùn)線、大壩土體剪切強(qiáng)度的降低等。
總結(jié)以往大壩潰決失事的經(jīng)驗(yàn),可以看出,最終形成大壩潰決的破壞形式、破壞機(jī)理和觸發(fā)原因等并非某一單一因素,現(xiàn)實(shí)情況下,各因素之間通常都是相互關(guān)聯(lián)、相互復(fù)合的。在伊登維爾大壩潰決前,壩前的水位荷載、壩頂?shù)乃莺蛪误w的滲透破壞等要素相互作用,又相互推動(dòng)加劇,最終導(dǎo)致大壩潰決。美國(guó)科學(xué)院出版的《Safety of Existing Dams (Evaluation and Improvement)》中指出:“潰壩往往并非發(fā)生于單一要素,而是復(fù)合的”,“用傳統(tǒng)的漫頂、水流沖蝕、失穩(wěn)滑動(dòng)、滲流潛蝕和管涌等來(lái)唯一確定某壩的失事原因,通常是困難的、牽強(qiáng)的”。因此,在分析潰壩原因時(shí),應(yīng)將各類因素分為在某一破壞階段起主要作用,而最終的潰決則是多種因素復(fù)合作用的結(jié)果。
伊登維爾大壩和桑福德大壩都是建于上世紀(jì)20年代的老壩,從大壩和水庫(kù)的運(yùn)行管理上看,在其近100 年的運(yùn)營(yíng)期間,水庫(kù)的產(chǎn)權(quán)幾經(jīng)變遷,目前,水庫(kù)由私營(yíng)企業(yè)博伊斯?電公司(BoyceHydro)管理。除這兩座水庫(kù)外,博伊斯?電公司還擁有該流域的另外兩座水庫(kù),均主要用于發(fā)電。
根據(jù)美國(guó)大壩安全管理的分工,美國(guó)能源監(jiān)管委員會(huì)(FERC)負(fù)責(zé)監(jiān)管主要功能為發(fā)電的水庫(kù)大壩的安全管理,F(xiàn)ERC會(huì)定期對(duì)水電站大壩進(jìn)行安全評(píng)估。伊登維爾大壩的安全評(píng)估結(jié)果表明,大壩的泄流能力不足,無(wú)法有效應(yīng)對(duì)大規(guī)模洪水威脅。因此,2004年以來(lái),美國(guó)能源監(jiān)管委員會(huì)一直敦促博伊斯?電公司擴(kuò)建溢洪設(shè)施,加強(qiáng)大壩保護(hù)。2012年,博伊斯?電公司修改后的溢洪道改建方案獲得了FERC的批準(zhǔn),但由于業(yè)主無(wú)力負(fù)擔(dān)800萬(wàn)美元的改建費(fèi)用,實(shí)際的更新改造行動(dòng)一直未能實(shí)施。
2018年,F(xiàn)ERC在多次規(guī)勸無(wú)效情況下,吊銷了博伊斯?電公司的聯(lián)邦發(fā)電許可證,并在其文件中指出了工程中存在的七個(gè)關(guān)鍵安全隱患,其中最重要的就是 大壩“無(wú)法承載可能最大洪水 (inability to pass the Probable Maximum Flood (PMF)) ”,以及“大壩可能在大洪水洪峰到來(lái)時(shí)無(wú)法及時(shí)泄洪(the dam may not have the ability to pass enough water, if a severe flood were to hit)”。
在FERC吊銷發(fā)電許可證后,密歇根州大湖能源環(huán)境部(EGLE)接受了博伊斯?電公司管理請(qǐng)求(電站發(fā)電不并入聯(lián)邦電網(wǎng))。EGLE組織了對(duì)大壩的安全檢查,得出的結(jié)論是“大壩結(jié)構(gòu)狀況良好(it was in fair structural condition.)”,但同時(shí)也對(duì)大壩泄洪能力不足的問(wèn)題表示了強(qiáng)烈的關(guān)注。2019年密歇根州的指定機(jī)構(gòu) Four Lakes Task Force 花費(fèi)了940萬(wàn)美元購(gòu)買了博伊斯?電公司名下的四座大壩(其中500萬(wàn)來(lái)自密歇根州政府資金),使得這些大壩直接為州擁有(但仍然由Boyce 管理)。
根據(jù)1997年公共法案451的307部分(Part 307 of Public Act 451 of 1997)規(guī)定,博伊斯水電公司在提塔巴瓦西河流域的四座水庫(kù)受州法律管轄,允許州的郡政府調(diào)節(jié)水庫(kù)的水位。在許可的條件下,水庫(kù)水位通常會(huì)在冬季下降,以幫助防止冰的積聚對(duì)大壩的破壞。但在2018年秋季和2019年,博伊斯水電公司與EGLE在降低水庫(kù)水位一事上產(chǎn)生了爭(zhēng)議,州總檢察長(zhǎng)辦公室指控其在兩次冬季水位下降期間危害了淡水貽貝的生存。
根據(jù)第307部分許可證的規(guī)定,水庫(kù)水位的降低通常從12月15日開始,冬季庫(kù)水位一般下降3英尺。初春,當(dāng)水溫達(dá)到39華氏度(3.9攝氏度)時(shí),水庫(kù)水位逐漸恢復(fù)至夏季運(yùn)行庫(kù)水位675.8英尺(205.98m)。2020年4月9日,EGLE頒發(fā)了重新蓄滿水庫(kù)的許可,至4月15日,水庫(kù)水位以每天約8英寸(20.32cm)上升的速度恢復(fù)到正常的夏季水位。5月2日,水位僅比夏季庫(kù)水位低6英寸(15.24cm)。在這個(gè)水位上,大多數(shù)湖濱居民可以有足夠的水深來(lái)放置和正常使用吊艇架和碼頭,第二天,水庫(kù)水位已經(jīng)達(dá)到了夏季的最高水位。
根據(jù)相關(guān)資料,在今年的早春時(shí)節(jié),整個(gè)密歇根州的河道水位都達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的高度,而且最近連續(xù)幾年都有異常強(qiáng)勁的春雨。在這種情況下,仍將水庫(kù)水位提高,這種做法令人質(zhì)疑。根據(jù)博伊斯水電公司5月20日的聲明,今年春天水庫(kù)水位的升高是在水庫(kù)沿岸居民和管理部門的壓力下造成的。在博伊斯水電公司這么做之前,EGLE向它頒發(fā)了提高水庫(kù)蓄水位的許可證,但事實(shí)上EGLE大壩安全部門非常清楚,大壩的泄洪能力實(shí)際上無(wú)法達(dá)到泄流可能最大洪水(PMF)標(biāo)準(zhǔn)的一半。
水庫(kù)大壩是促進(jìn)人類社會(huì)進(jìn)步和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施。近些年來(lái),隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)和社會(huì)的持續(xù)繁榮,水庫(kù)大壩的安全與公共安全的相關(guān)性也越來(lái)越密切。保障水庫(kù)大壩的安全,已經(jīng)成為大壩建設(shè)和管理中的最為重要的問(wèn)題,應(yīng)該引起政府各級(jí)管理部門和社會(huì)公眾的高度重視。
就目前全球大壩安全的形勢(shì)而言,一方面,自20世紀(jì)初以來(lái),大壩工程的設(shè)計(jì)、施工和管理迅速發(fā)展,使得大壩的安全性日益增強(qiáng)。20世紀(jì)初,水庫(kù)大壩的潰壩率約為4~10%,但到21世紀(jì)初,這一數(shù)值已降至0.2%。近些年來(lái),國(guó)際大壩委員會(huì)(ICOLD)提出了“為了更美好的世界建設(shè)更好的大壩(Better Dam for Better World)”的口號(hào),將大壩安全和大壩的環(huán)境友好置于大壩建設(shè)的優(yōu)先地位。今年,國(guó)際大壩委員會(huì)還發(fā)布了“大壩安全世界宣言(World Declaration on Dam Safety)”,將消除潰壩作為全球大壩工程界的最高奮斗目標(biāo)。另一方面,隨著新形勢(shì)的發(fā)展,全球大壩安全也面臨著氣候變化加劇、自然災(zāi)害頻發(fā)、已建工程老化、大壩產(chǎn)權(quán)多樣化,以及復(fù)雜地形和地質(zhì)條件下高壩大庫(kù)建設(shè)等前所未有的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。此次美國(guó)密歇根州兩座大壩的潰壩事件,又一次為我們的大壩安全監(jiān)管工作敲響了警鐘,提示我們大壩安全管理是一項(xiàng)十分細(xì)致的工作,必須高度重視,不可有絲毫疏忽。
從此次美國(guó)密歇根州兩座大壩的潰壩事件看,異常氣象條件所導(dǎo)致的強(qiáng)降雨是此次潰壩事故的重要外部因素。大壩的結(jié)構(gòu)形式和泄水建筑物的設(shè)計(jì)通常都是根據(jù)歷史水文資料確定的,但隨著時(shí)間的推移和流域氣象條件的變化,水庫(kù)大壩所面臨的水文條件也會(huì)發(fā)生變化,尤其是在當(dāng)前全球氣候變化的背景之下。為此,在大壩安全管理和大壩安全評(píng)估中,要特別關(guān)注設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)的變化,并及時(shí)復(fù)核工程的泄洪能力是否滿足現(xiàn)實(shí)的要求。在考慮氣候變化對(duì)大壩安全的影響時(shí),一方面要考慮氣候變化引起的流域降雨和徑流變化,另一方面,還要注意特殊氣象所引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害對(duì)大壩安全的影響。對(duì)于此次發(fā)生潰壩事故的伊登維爾大壩,F(xiàn)ERC的評(píng)估已經(jīng)指出了大壩泄洪能力不足的問(wèn)題,而且該流域近幾年已經(jīng)出現(xiàn)了春季降雨異常的現(xiàn)象,但遺憾的是大壩管理部門并未及時(shí)采取行動(dòng)。
對(duì)于大壩安全的保障,除了需要在設(shè)計(jì)和建設(shè)階段按照嚴(yán)格的規(guī)范要求,精心設(shè)計(jì),確保施工質(zhì)量外,大壩建成后運(yùn)行期的安全監(jiān)管也是涉及大壩安全的重要組成部分。此次密歇根州大壩事故的最大教訓(xùn)就是監(jiān)管不能落實(shí)到位。本來(lái),美國(guó)能源監(jiān)管委員會(huì)在對(duì)大壩的安全評(píng)估中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了大壩存在的安全問(wèn)題,并因此吊銷了電站的發(fā)電許可,但水庫(kù)轉(zhuǎn)到州府管轄后,州政府管理單位的評(píng)價(jià)卻是“大壩結(jié)構(gòu)良好”,雖然也指出了大壩泄流能力不足的問(wèn)題,但卻無(wú)人督促切實(shí)整改。從這一事件的過(guò)程中可以看出,對(duì)于大壩安全評(píng)價(jià)中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題,不能僅僅指出問(wèn)題、完成評(píng)估報(bào)告后就萬(wàn)事大吉,必須要針對(duì)問(wèn)題及時(shí)處理,并加強(qiáng)監(jiān)管。對(duì)于伊登維爾大壩這種情況,如果業(yè)主無(wú)力投入資金擴(kuò)建溢洪道,就一定要采取措施,限制水庫(kù)水位,甚至放空水庫(kù),絕不能使之帶病運(yùn)行。如心存僥幸,大自然必將會(huì)以加倍的力度懲罰人類的輕慢。
從大壩安全管理的角度看,中小型水庫(kù)大壩和建設(shè)年代較久的老壩是當(dāng)前大壩安全管理的短板,也是大壩安全事故的多發(fā)區(qū)。從國(guó)內(nèi)外的普遍情況看,高壩大庫(kù)工程絕大部分都是管理規(guī)范、維護(hù)資金充足、安全監(jiān)測(cè)到位,總體安全狀況良好。而中小型水庫(kù)和老舊工程則較多存在管理和維護(hù)資金不到位的情況。因此,若要有效改善大壩安全管理的總體狀況,必須切實(shí)加強(qiáng)中小型水庫(kù)和老舊工程的安全評(píng)價(jià)和監(jiān)督管理。從中國(guó)的經(jīng)驗(yàn)看,在20世紀(jì)80年達(dá)前,由于筑壩技術(shù)、施工質(zhì)量和安全管理中存在的諸多問(wèn)題,我國(guó)曾出現(xiàn)過(guò)兩次潰壩數(shù)量的高峰期。前些年國(guó)家投入大量資金進(jìn)行了大規(guī)模的病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固工作(其中絕大部分是中小型和老舊工程),使我國(guó)的大壩安全面貌得到了徹底的改變,進(jìn)入了世界低潰壩率國(guó)家行列。
此次密歇根州潰壩事故的兩座大壩均為土壩,在早期的潰壩事件統(tǒng)計(jì)中,土石壩數(shù)量最多(根據(jù)上世紀(jì)90年代國(guó)際大壩委員會(huì)的統(tǒng)計(jì),土石壩潰壩的數(shù)量占各壩型統(tǒng)計(jì)的70%)。但近些年來(lái),隨著土石壩筑壩技術(shù)的飛速發(fā)展,土石壩的安全性得到了極大地提升,我國(guó)的長(zhǎng)江、黃河、雅礱江、大渡河等大江大河上均建設(shè)了高土石壩工程。對(duì)于土石壩工程而言,造成其潰決失事中的一個(gè)重要原因是漫頂破壞,對(duì)于這一問(wèn)題,現(xiàn)代土石壩工程的設(shè)計(jì)中一方面保留了一定的壩高余量,另一方面也特別強(qiáng)調(diào)通過(guò)多種泄洪形式的組合以保證土石壩泄洪的可靠性。對(duì)于建設(shè)年代較久中小型土石壩工程,大部分都會(huì)存在泄洪能力不足、泄洪形式單一的情況。對(duì)此,可以通過(guò)溢洪道擴(kuò)容的方式提高大壩的泄流能力。同時(shí),也可以對(duì)小型土壩采用非常規(guī)保壩措施,利用碾壓混凝土(RCC)護(hù)面實(shí)現(xiàn)壩頂漫頂泄洪。上世紀(jì)80年代以來(lái),美國(guó)已有幾十座小型土壩采用了這一方法,運(yùn)行情況良好。其實(shí),對(duì)于伊登維爾大壩,其壩線較長(zhǎng),完全可以選擇適當(dāng)壩段,設(shè)置RCC護(hù)面非常溢洪道,從而以較低的投入實(shí)現(xiàn)大洪水情況下的保壩安全。
在大壩安全管理中,除關(guān)注水庫(kù)大壩自身結(jié)構(gòu)安全外,對(duì)于大壩安全事故的應(yīng)急響應(yīng)也是也是大壩安全綜合保障中需要關(guān)注的重要問(wèn)題。此次密歇根州潰壩事件雖然造成了大量的房屋、財(cái)產(chǎn)淹沒(méi)損失,但由于政府管理部門及時(shí)應(yīng)對(duì),措施得當(dāng),洪水未造成人員傷亡,美國(guó)密歇根州政府在洪水應(yīng)急處置方面的經(jīng)驗(yàn)值得借鑒。從報(bào)道資料看,5月19日,美國(guó)國(guó)家?象局持續(xù)向提塔巴瓦西河流域發(fā)布洪?警報(bào),敦促?眾撤離。潰壩發(fā)生后州政府立刻通過(guò)網(wǎng)絡(luò)、手機(jī)等工具及時(shí)發(fā)布潰壩洪水信息,圖14所示為預(yù)先制定的潰壩洪水風(fēng)險(xiǎn)圖,從圖中可以明確了解洪水淹沒(méi)的范圍,圖15為疏散避洪的線路圖。在疏散民眾的過(guò)程中,政府出動(dòng)了國(guó)民警衛(wèi)隊(duì)協(xié)助,進(jìn)行了挨家挨戶的檢查,確保了淹沒(méi)區(qū)居民及時(shí)、徹底的撤離。


圖16 米德蘭市的應(yīng)急疏散線路
附注:從資料分析看,文中所述的伊登維爾水庫(kù)和桑福德水庫(kù)的水位高程與米德蘭市提塔巴瓦西河的水位高程并非采用同一高程系統(tǒng),故兩者數(shù)據(jù)有較大差別。
(注:文中圖片均來(lái)自于網(wǎng)絡(luò),所有權(quán)歸原作者所有)1.Edenville Dam, Wikipedia (https://en./wiki/Edenville_Dam)
2.Sanford Lake -Wikipedia
(https://en./wiki/Sanford_Lake)
3.“Michigan dams fail near Midland; ‘catastrophic’ flooding underway”, Washington Post
4. Dangers of Edenville dam failure evaded state scrutiny, The Detroit News
5.https://www./en-au/news/photos/flood-submerges-central-michigan-city-after-two-dams-breached/ss-BB14nLNI
6. https://www./Top_News/US/2020/05/20/Michigan-river-rises-to-highest-level-ever-after-dam-break/7411589977073/
7.https://edition./2020/05/20/us/michigan-dam-failure-before-after-photos-trnd/index.html
8. “Feds revoked failed Edenville dam's license in 2018 over inability to handle big floods”,Detroit Free Press
9.https://www./picture-gallery/news/local/michigan/2020/05/19/heavy-rain-and-winds-contribute-flooding-southeast-michigan/5223275002/
10. https://www./content/news/Flash-flood-emergency-Edenville-dam-has-failed-residents-advised-to-evacuate-570605051.html
11. https://www./news/world-us-canada-52735170
12. https:///news/people-helping-people/mid-michigan-dam-failures-call-attention-to-safety-of-states-aging-dam-infrastructure
13. https://edition./2020/05/20/us/michigan-dam-failure-before-after-photos-trnd/index.html
14. https://www./weather/2020/05/michigan-just-had-record-breaking-heavy-rains-heres-where-most-of-it-fell.html
15. https://www./story/news/local/michigan/2020/05/19/evacuations-flooding-tittabawassee-river/5219086002/
作者簡(jiǎn)介:中國(guó)水利水電科學(xué)研究院教高,中國(guó)大壩工程學(xué)會(huì)副秘書長(zhǎng)
美國(guó)羅格斯大學(xué)郭祺忠教授對(duì)本文提供了資料支持,在此致謝!