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美國伊登維爾壩和桑福德壩潰壩調查報告:事故本可預防

2022年5月,在美國密歇根州伊登維爾(Edenville)和桑福德(Sanford)大壩潰壩事故兩周年之際,事故獨立調查組發布了《伊登維爾壩和桑福德壩潰壩調查報告》,稱本次潰壩是可預見、可預防的,事故的工程原因是過高的庫水位引起了壩體靜態液化失穩,管理原因是大壩所有者未落實監管要求,且私營性質導致大壩發電收入不足時,無人承擔升級改造溢洪道的費用。

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伊登維爾壩和桑福德壩潰壩后情況


工程簡介

伊登維爾壩和桑福德壩位于Tittabawassee河上,均建成于20世紀20年代,伊登維爾壩處于桑福德壩上游約18.5千米的位置。伊登維爾壩在建成后一直作為發電設施運營,直到2018年被美國聯邦能源管理委員會(FERC)吊銷許可證。工程包含四段土壩、兩座溢洪道和一個發電站,總長度約1820米。伊登維爾壩所蓄積的水庫被稱為Wixom湖,在正常庫水位下,湖面面積約為918公頃。密歇根30號公路將Wixom湖一分為二,東側蓄水來自Tittabawassee河,西側蓄水來自Tobacco河。據調查,在事故發生的前幾十年里,伊登維爾工程中的兩座溢洪道均不能正常使用。
桑福德壩由三段土壩、一座自潰式非常溢洪道、一座閘門溢洪道和一個發電站組成。桑福德湖的湖面面積約為627公頃,海拔約為192.3米。桑福德工程的左壩體從壩肩位置延伸到發電站,長度約為49米,最大高度約為10.4米。電站廠房和閘門溢洪道為組合結構,溢洪道包含六個弧形閘門,閘門底坎高程約為海拔189.7米,比正常湖面低2.6米。電站包含三臺立軸發電機組,總容量為3.6兆瓦。中壩體從閘門溢洪道位置向自潰式非常溢洪道延伸,總長度約為91米,最大高度約為10.4米。右堤壩從自潰式非常溢洪道延伸到右壩肩,長度約為216米,最大高度約為11米。
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密歇根州中部的大壩分布
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伊登維爾壩衛星照片
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桑福德壩衛星照片

事故概況

5月16日,由Boyce Hydro公司運營的包括伊登維爾壩和桑福德壩在內的四座大壩的庫水位均略低于正常庫水位,但已預計到未來幾天會出現大量降雨。
5月17日午夜,伊登維爾壩的庫水位約為海拔205.86米,比正常庫水位低0.12米。
5月18日5:00,庫水位開始上升。至7:00,管理人員開始打開伊登維爾壩的6扇溢洪道閘門,但直至15:30才打開完畢,且均為部分開啟。至13:00,庫水位達到正常庫水位(海拔205.98米)。
5月19日1:00,庫水位達到歷史最高水位(海拔206.75米)。19日全天庫水位仍持續上漲。至17:35,潰壩事故發生。據調查組估計,事故發生時庫水位在海拔207.57米至海拔207.72米之間。
隨后,伊登維爾壩潰決產生的洪水經由Tittabawassee河流入桑福德水庫,雖然桑福德大壩的6扇泄洪閘門已經開啟(均為部分開啟),且庫水位于5月19日19:19達到自潰式非常溢洪道的頂部(海拔193.49米),庫水開始從溢洪道漫出,但泄洪閘門與自潰式非常溢洪道的泄量仍不足以泄出暴漲的洪水,庫水位仍在繼續上升。至19:46,桑福德壩的水位達到海拔194.1米,接近于壩頂位置,且水位還在持續上升,繼而便發生了漫頂潰壩事故,右壩體中很大一部分被沖垮,洪水迅速大量地下泄,淹沒了下游地區。(以上時間均為當地時間)
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伊登維爾壩潰壩時刻和潰壩后28s的情況
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桑福德壩被淹沒后的情況(當地時間2020年5月19日 20:11)

事故原因

深入研判調查報告,可以看出此次潰壩事故是由技術和管理等多方面因素造成的。
技術方面的原因,主要包括以下幾個方面:
1. 伊登維爾壩修建于20世紀20年代,其建造與設計方案存在較大出入,壩體在建造時所采用的材質非常松散,這是壩體靜態液化失穩的直接物理因素。同時,部分壩體部位的建造也不滿足當前的穩定要求。
2. 伊登維爾壩受到美國聯邦能源管理委員會的監管后,對存在穩定問題和滲流問題的部位進行了安全分析,但未能全面評估壩體的穩定性,沒有發現壩體潰決位置所存在的結構缺陷。調查組認為,如果通過檢查提前發現了這個缺陷位置,就可以通過斜坡支撐等方式進行修復,避免事故的發生。
3. 在泄洪過程中,考慮到操作人員的安全問題以及進一步開啟閘門可能會對設備造成的損壞,伊登維爾壩的6扇溢洪道閘門均只做到部分開啟。調查組認為,閘門的開度限制了溢洪道的流量,如果伊登維爾壩的閘門能完全開啟,最大庫水位會比事故發生時下降約0.3米。
4. 2020年5月降雨的時空特征導致流域出現異常徑流量同樣是導致潰壩事故發生的一個重要原因。在事故發生前,大部分降雨出現在流域的北部和東部地區,這增加了Wixom湖流入的水量。并且,幾乎所有的降雨都集中在連續的18個小時內,降雨強度達到平均每小時5.59毫米,這導致徑流量集中在一個相對較短的時間內。調查組通過分析發現,正是由于5月份總降雨量中相對較高的比例(約35%)轉化為徑流,導致了Wixom湖的流入創下記錄。
管理方面的原因則主要包括:
1. 伊登維爾壩流域出現異常大徑流和湖水位上升本是可以預見的,卻未得到大壩管理者的足夠重視。在事故之前,該流域內出現過由于徑流異常導致大壩潰壩的事例。大壩監管機構美國聯邦能源管理委員會和密歇根州環境、五大湖和能源部(EGLE)關于大壩在校核洪水位下不會漫壩的監管要求多年來一直未得到落實,大壩的管理人員也沒有仔細考慮可能出現的洪水及相應的對策。
2.種種原因造成大壩安全的資金保障不足。伊登維爾大壩的兩座溢洪道不能正常使用的問題已存在幾十年之久,但因發電收入不足,大壩的私營業主一直拒絕進行補強加固。調查組指出,如果在潰壩之前,將伊登維爾壩轉化為公有制或建立了某種公私合作關系,便會有足夠的資金來支持溢洪道的升級,有效地提升泄洪能力,大概率會避免此次潰壩事故的發生。即使在目前,如果不抓緊對未潰決壩段進行加固修復以提高其穩定性,則在未來的大洪水中仍然很可能再次出現事故。

經驗教訓

此次潰壩事故為我們進行大壩安全管理提供了一些經驗和教訓。
一、當壩體或者壩基中存在飽和或者松散的砂土、粉質砂土等非塑性砂土時,應當重點考慮對靜態液化失穩這一潛在破壞模式的預防。
二、對大壩進行安全檢查時,要對地質、防洪能力、結構狀態、滲流情況、施工質量、泄洪閘門和啟閉設備、監測系統、運行維護、隱患治理等方面進行全面檢查,并對檢查結果進行認真負責地研判。
三、在大壩日常管理中,要高度重視泄洪閘門的維護,在汛期到來前,尤其應確保閘門處于完全“健康”的待命狀態。
四、面對近年來全球范圍內多發、頻發的極端天氣,要特別重視洪水預報和防范,提升預判、預警、預防能力。
五、在應急管理中,大壩運行管理單位應加強與上下游的協調聯動,并為各種暴雨和洪水等突發事件制定相應的應急預案。
六、應高度重視大壩安全,確保資金投入,切實保障大壩隱患及時排查、及時治理,不斷推進新技術新裝備在大壩運行管理中的實踐運用。

作者:彭之辰、龔士林
圖文編輯:甄喬喬