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美国Spencer坝溃决调查报告:缺乏凌汛应急预案是重要原因

2020年4月,美国国家大坝安全委员会发布《Spencer坝溃坝调查报告》,称大坝的溃坝原因主要为大流量洪水和流冰。

Spencer坝溃坝后情况

2019年3月14日凌晨5点半,美国Niobrara 河上建成已有92年的Spencer坝在强降雨和流冰的双重压力下漫顶垮塌。Spencer工程由土质堤坝(长约975m,最大坝高约7.92m)、多孔支墩式混凝土溢洪道(长约122m)及发电厂房组成。溢洪道由左岸至右岸分别布置1个升降式闸门排冰/污孔(宽约3.05m)、4个弧形闸门孔(宽约10.2m,最大开度约1.82m)以及5个叠梁闸门孔(宽约10.2m,门顶高程约454.5m),其中叠梁闸门竖向为5根工字型钢,横向为堆叠在工字钢槽的6块木质闸板。在所有闸门开启的情况下,在正常蓄水位下(高程约458.5m)溢洪道的泄洪能力约为1076m3/s,库水位在设计坝顶高程时(高程约460.6 m)的泄洪能力约1855 m3/s,设计情况下有足够能力抵御500年一遇洪水。

由于缺乏数字化监测的一手资料,专家组对溃坝的主要分析来自事故现场勘测、观察数据以及运营商的描述。

3月12日,美国中西部大平原受到“炸弹气旋”的影响导致气温在冰点以上,大量降雨或冻雨产生了洪水,河道坚固厚实的冰盖因此破裂。13日晚,大坝运营商打开溢洪道4个弧形闸门至最大开度,随后试图打开叠梁闸门以增加泄流量,但由于冰冻导致大部分叠梁闸门无法打开。13日午夜,大量流冰涌至Niobrara河,冲毁了大坝上游的Stuart-Naper桥和11号高速公路桥。大坝上游出现多处冰塞,其后冰塞的突然碎裂导致大量碎冰和洪水涌向堤坝。碎冰堵塞了溢洪道闸门和叠梁,库水位上涨至堤坝顶部。持续入库的碎冰和洪水导致堤坝漫顶,冲蚀堤坝下游坡面并产生了数处溯源侵蚀。流冰摧毁发电厂房上右侧的砖墙。堤坝在两处位置出现缺口,其中第一个缺口出现在3月14日5:15 AM,随着缺口的扩大洪水和大量碎冰向下游倾泻。洪水裹挟着碎冰破坏了堤坝并席卷摧毁了坝下游不远处的建筑,造成一人溺亡,随后洪峰又摧毁了281号高速公路及下游几座桥梁。

调查组专家通过下游河流水力模型推测,由于Spencer坝库容较小、沿程桥梁等限制物削减了洪峰流量,由冰塞导致的溃坝仅使洪水淹没范围增加了数英里。据估计,13日大坝上游日均流量约为1082m3/s。专家组认为,如此大量的洪水和流冰极大超过了Spencer坝和溢洪道的承载能力,运营人员几乎对溃坝无计可施。

但是专家组指出,导致溃坝的严重后果仍有2个重要的人为因素,分别是:

01

大坝安全行业缺乏凌汛相关的溃坝模式研究。特别是内布拉斯加州自然资源部大坝安全计划组织(NebDSP)作为该州大坝安全监管机构,竟然不知道该坝历史上曾因流冰溃坝或损毁3次,而业主内布拉斯加州公共电力区(NPPD)也知之甚少。

美国大坝安全官员联合会(ASDSO)维护着拥有380例溃坝事故的数据库,但其中并没有因冰凌溃坝的案例。可以说,美国大坝安全行业缺乏流冰对寒冷地区的大坝安全造成风险的知识储备。目前的大坝安全“最佳实践”也没有包含应对凌汛的稳定性评估。

然而,历史上Spencer坝曾三次因流冰溃决或损毁,其中1935年因此决口,而后的1960年和1966年大坝闸门和发电厂房因流冰损毁。这些事故都未收录入ASDSO溃坝数据库。该坝的历史档案丢失、未整理或无法查阅。大坝的维护规定中未包含应对流冰的措施,且NebDSP主要依靠其大坝监察程序对业主进行安全提醒,提交州政府的检查报告中未提示流冰洪水的潜在威胁。

02

专家组认为,NebDSP和NPPD都低估了溃坝对下游房屋、私人财产和人身风险的影响。根据下游潜在风险分类(DHC),该坝级别为“中风险”,因此该坝不需要部署紧急行动计划(EAP),而根据专家组判断应为“高风险”。而划为“高风险”的大坝要求制定应急处置方案,并且还可能需要对大坝进行改造以提升防洪能力。