美国伊登维尔坝和桑福德坝溃坝调查报告:事故本可预防

2022年5月,在美国密歇根州伊登维尔(Edenville)和桑福德(Sanford)大坝溃坝事故两周年之际,事故独立调查组发布了《伊登维尔坝和桑福德坝溃坝调查报告》,称本次溃坝是可预见、可预防的,事故的工程原因是过高的库水位引起了坝体静态液化失稳,管理原因是大坝所有者未落实监管要求,且私营性质导致大坝发电收入不足时,无人承担升级改造溢洪道的费用。

图片

伊登维尔坝和桑福德坝溃坝后情况


工程简介

伊登维尔坝和桑福德坝位于Tittabawassee河上,均建成于20世纪20年代,伊登维尔坝处于桑福德坝上游约18.5千米的位置。伊登维尔坝在建成后一直作为发电设施运营,直到2018年被美国联邦能源管理委员会(FERC)吊销许可证。工程包含四段土坝、两座溢洪道和一个发电站,总长度约1820米。伊登维尔坝所蓄积的水库被称为Wixom湖,在正常库水位下,湖面面积约为918公顷。密歇根30号公路将Wixom湖一分为二,东侧蓄水来自Tittabawassee河,西侧蓄水来自Tobacco河。据调查,在事故发生的前几十年里,伊登维尔工程中的两座溢洪道均不能正常使用。
桑福德坝由三段土坝、一座自溃式非常溢洪道、一座闸门溢洪道和一个发电站组成。桑福德湖的湖面面积约为627公顷,海拔约为192.3米。桑福德工程的左坝体从坝肩位置延伸到发电站,长度约为49米,最大高度约为10.4米。电站厂房和闸门溢洪道为组合结构,溢洪道包含六个弧形闸门,闸门底坎高程约为海拔189.7米,比正常湖面低2.6米。电站包含三台立轴发电机组,总容量为3.6兆瓦。中坝体从闸门溢洪道位置向自溃式非常溢洪道延伸,总长度约为91米,最大高度约为10.4米。右堤坝从自溃式非常溢洪道延伸到右坝肩,长度约为216米,最大高度约为11米。
图片
密歇根州中部的大坝分布
图片
伊登维尔坝卫星照片
图片
桑福德坝卫星照片

事故概况

5月16日,由Boyce Hydro公司运营的包括伊登维尔坝和桑福德坝在内的四座大坝的库水位均略低于正常库水位,但已预计到未来几天会出现大量降雨。
5月17日午夜,伊登维尔坝的库水位约为海拔205.86米,比正常库水位低0.12米。
5月18日5:00,库水位开始上升。至7:00,管理人员开始打开伊登维尔坝的6扇溢洪道闸门,但直至15:30才打开完毕,且均为部分开启。至13:00,库水位达到正常库水位(海拔205.98米)。
5月19日1:00,库水位达到历史最高水位(海拔206.75米)。19日全天库水位仍持续上涨。至17:35,溃坝事故发生。据调查组估计,事故发生时库水位在海拔207.57米至海拔207.72米之间。
随后,伊登维尔坝溃决产生的洪水经由Tittabawassee河流入桑福德水库,虽然桑福德大坝的6扇泄洪闸门已经开启(均为部分开启),且库水位于5月19日19:19达到自溃式非常溢洪道的顶部(海拔193.49米),库水开始从溢洪道漫出,但泄洪闸门与自溃式非常溢洪道的泄量仍不足以泄出暴涨的洪水,库水位仍在继续上升。至19:46,桑福德坝的水位达到海拔194.1米,接近于坝顶位置,且水位还在持续上升,继而便发生了漫顶溃坝事故,右坝体中很大一部分被冲垮,洪水迅速大量地下泄,淹没了下游地区。(以上时间均为当地时间)
图片
伊登维尔坝溃坝时刻和溃坝后28s的情况
图片
桑福德坝被淹没后的情况(当地时间2020年5月19日 20:11)

事故原因

深入研判调查报告,可以看出此次溃坝事故是由技术和管理等多方面因素造成的。
技术方面的原因,主要包括以下几个方面:
1. 伊登维尔坝修建于20世纪20年代,其建造与设计方案存在较大出入,坝体在建造时所采用的材质非常松散,这是坝体静态液化失稳的直接物理因素。同时,部分坝体部位的建造也不满足当前的稳定要求。
2. 伊登维尔坝受到美国联邦能源管理委员会的监管后,对存在稳定问题和渗流问题的部位进行了安全分析,但未能全面评估坝体的稳定性,没有发现坝体溃决位置所存在的结构缺陷。调查组认为,如果通过检查提前发现了这个缺陷位置,就可以通过斜坡支撑等方式进行修复,避免事故的发生。
3. 在泄洪过程中,考虑到操作人员的安全问题以及进一步开启闸门可能会对设备造成的损坏,伊登维尔坝的6扇溢洪道闸门均只做到部分开启。调查组认为,闸门的开度限制了溢洪道的流量,如果伊登维尔坝的闸门能完全开启,最大库水位会比事故发生时下降约0.3米。
4. 2020年5月降雨的时空特征导致流域出现异常径流量同样是导致溃坝事故发生的一个重要原因。在事故发生前,大部分降雨出现在流域的北部和东部地区,这增加了Wixom湖流入的水量。并且,几乎所有的降雨都集中在连续的18个小时内,降雨强度达到平均每小时5.59毫米,这导致径流量集中在一个相对较短的时间内。调查组通过分析发现,正是由于5月份总降雨量中相对较高的比例(约35%)转化为径流,导致了Wixom湖的流入创下记录。
管理方面的原因则主要包括:
1. 伊登维尔坝流域出现异常大径流和湖水位上升本是可以预见的,却未得到大坝管理者的足够重视。在事故之前,该流域内出现过由于径流异常导致大坝溃坝的事例。大坝监管机构美国联邦能源管理委员会和密歇根州环境、五大湖和能源部(EGLE)关于大坝在校核洪水位下不会漫坝的监管要求多年来一直未得到落实,大坝的管理人员也没有仔细考虑可能出现的洪水及相应的对策。
2.种种原因造成大坝安全的资金保障不足。伊登维尔大坝的两座溢洪道不能正常使用的问题已存在几十年之久,但因发电收入不足,大坝的私营业主一直拒绝进行补强加固。调查组指出,如果在溃坝之前,将伊登维尔坝转化为公有制或建立了某种公私合作关系,便会有足够的资金来支持溢洪道的升级,有效地提升泄洪能力,大概率会避免此次溃坝事故的发生。即使在目前,如果不抓紧对未溃决坝段进行加固修复以提高其稳定性,则在未来的大洪水中仍然很可能再次出现事故。

经验教训

此次溃坝事故为我们进行大坝安全管理提供了一些经验和教训。
一、当坝体或者坝基中存在饱和或者松散的砂土、粉质砂土等非塑性砂土时,应当重点考虑对静态液化失稳这一潜在破坏模式的预防。
二、对大坝进行安全检查时,要对地质、防洪能力、结构状态、渗流情况、施工质量、泄洪闸门和启闭设备、监测系统、运行维护、隐患治理等方面进行全面检查,并对检查结果进行认真负责地研判。
三、在大坝日常管理中,要高度重视泄洪闸门的维护,在汛期到来前,尤其应确保闸门处于完全“健康”的待命状态。
四、面对近年来全球范围内多发、频发的极端天气,要特别重视洪水预报和防范,提升预判、预警、预防能力。
五、在应急管理中,大坝运行管理单位应加强与上下游的协调联动,并为各种暴雨和洪水等突发事件制定相应的应急预案。
六、应高度重视大坝安全,确保资金投入,切实保障大坝隐患及时排查、及时治理,不断推进新技术新装备在大坝运行管理中的实践运用。

作者:彭之辰、龚士林
图文编辑:甄乔乔