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初步分析美国奥罗维尔大坝溢洪道事故原因

时间:2017-02-14 17:10来源:大坝新闻 作者:中国大坝工程学会副秘 点击:
中国大坝工程学会副秘书长徐泽平初步分析美国奥罗维尔大坝溢洪道事故,Oroville大坝是美国最高的大坝工程,位于美国加尼福尼亚州的Feather河上,距Oroville市8km。大坝为斜心墙堆石坝,最大坝高234m,坝顶长1700m。



  

正月十五刚过,元宵节鞭炮的硝烟尚未散尽,媒体突然传来一则爆炸性新闻:位于美国加州的奥罗维尔大坝出现险情,大坝溢洪道在泄洪时出现了一个长200英尺、深30英尺的大洞。大坝周边居民被要求紧急疏散。

奥罗维尔大坝是美国最高的大坝,比大名鼎鼎的胡佛大坝还要高十几米。它也是世界上著名的土石坝工程。目前,网络上关于奥罗维尔大坝的新闻众说纷纭,有的说大坝出现了塌陷,有的说大坝即将溃决,下游20万人口紧急撤离,凡此种种,不一而足。那么,奥罗威尔大坝究竟出现了什么样的险情呢?大坝是否面临溃决的风险?造成大坝险情的原因究竟如何?对于这些问题,中国的坝工专业同仁们也高度关注。为此,根据目前能够收集到一些信息,笔者试图从坝工专业的角度对这一事件以及事故的原因做一个初步的分析(由于现场第一手资料有限,此处的分析仅仅是一个初步的分析与判断,谬误之处,欢迎指正)。

作者:中国大坝工程学会副秘书长、

中国水利水电科学研究院教授级高工 徐泽平


奥罗维尔(Oroville)大坝的基本情况:

Oroville大坝是美国最高的大坝工程,位于美国加尼福尼亚州的Feather河上,距Oroville市8km。大坝为斜心墙堆石坝,最大坝高234m,坝顶长1700m。水库总库容43.63亿m3,电站装机容量675MW。枢纽包括:大坝、溢洪道、非常溢洪道和两个电站厂房(包括左岸海厄特地下厂房(Hyatt)和特马利托(Thermalito)发电厂房)。工程的主要用途为供水、发电、防洪和旅游、养殖,于1967年完建。

Oroville大坝坐落于变质火山岩层上,基岩岩石类型主要为角闪岩、并含有大量方解石、石英、绿帘石、石棉和黄铁矿岩脉,岩体坚硬、致密,但存在中至大的裂隙。

Oroville枢纽工程的溢洪道装有8扇宽5.4m、高10.1m的弧形闸门,泄槽为衬砌式陡槽,最大泄量为7100m3/s。除此主溢洪道之外,工程还设置了非常溢流道,非常溢洪道为无闸门控制的反弧堰,堰顶长570m。图1为Oroville大坝的下游鸟瞰。

 


 

图1

Oroville坝址以上流域面积9360km2,年均降雨量1778mm。年平均径流量43亿m3(上游引水之后)。实测最大洪峰流量7530m3/s。大坝按450年一遇洪水设计,设计流量为12460m3/s。计算的最大可能洪水(PMF)相当于千年一遇,相应流量为20388m3/s


工程险情基本情况:

近期,加州北部连续降雨,再加之气温上升的融雪,Oroville水库水位持续快速上涨,为此,水库管理部门开始开闸泄洪。但主溢洪道开始泄洪后,管理部门发现溢洪道泄洪流态异常,经检查发现泄槽底板混凝土上出现了一个大洞,随着泄流的进行,破损的坑洞不断扩大。图2所示为主溢洪道泄洪时的照片,从图中可见,溢洪道下泄的水流流态在破损处发生了明显的变化。图3所示为停止泄洪时观察到的溢洪道底板破损位置。

 


图片2

图片3

 

由于主溢洪道破损,无法充分泄洪,随着水库水位的上涨,库水从主溢洪道右侧的非常溢洪道溢流。非常溢洪道的作用是在紧急情况下泄流以保证大坝不至于漫顶,属于大坝安全的应急泄流设施。Oroville工程的非常溢洪道自1967年工程完建后从未使用过,在非常溢洪道溢流后,水流对山坡的覆土造成了一定的冲刷,大量泥沙入河,同时,对下游的野生动物也会造成一定的伤害。为确保下游受影响区域人员安全,当地政府紧急疏散了部分居民,以预防可能出现的大流量库水下泄。

从目前情况看,奥罗威尔大坝大坝整体稳固,未出现任何险情,也未出现任何结构性安全问题。传言奥罗维尔大坝溃决是不可信的。Oroville大坝的溢洪道建于大坝右岸坡的一个垭口,与坝身不直接接触,目前,溢洪道的破损也并未直接危及大坝的结构。


关于溢洪道混凝土底板破损的原因分析:

从现场照片揭示的溢洪道破坏形式看,Oroville大坝溢洪道的破坏属于较为典型的渗流冲蚀破坏,即溢洪道基础因渗流发生冲蚀,基础土体颗粒流失,形成空洞,并进而导致溢洪道底板塌陷。从网络上的报道可知,Oroville大坝溢洪道的基础为土质山坡。这样的地基如果在施工中基础处理不好,在水流入渗的情况下极易发生冲蚀破坏。事实上,关于溢洪道土质基础的隐忧,几年前就有专家提出了警告,但遗憾的是水库管理当局未能高度重视,也及时采取措施予以补救。

 


图片4

图片5

 

溢洪道基础的渗透破坏,前提条件是有水流渗入。根据现场照片看,很有可能是溢洪道底板混凝土存在缺陷,图3照片中溢洪道下部边墙位置可见明显的修补痕迹。当混凝土底板发生裂缝时,泄流时会造成水流渗入基础,从而形成基础冲蚀破坏的外因。图4、图5两张照片可明显看出基础冲蚀、塌陷的特征,溢洪道混凝土底板下可见明显的空洞。


关于应急抢险:

对于土石坝而言,最大的威胁是水库漫顶。一旦库水漫顶,水流的淘刷将很快导致大坝的溃决。因此,Oroville大坝应急抢险的当务之急是降低水库水位。从现场的照片看,由于主溢洪道不能充分泄流,库水位已升至非常溢洪道堰顶,非常溢洪道开始泄流。为尽快降低水库水位,水库管理部门采取了非常溢洪道与主溢洪道同时泄洪的特殊方式。但由于常规溢洪道已经破损,目前主溢洪道的泄流采取了控制泄流的方式运行。图6可见主溢洪道与常规溢洪道正在同时运行。当水位降至非常溢洪道堰顶高程以下,非常溢洪道将停止泄流,库水位只能靠主溢洪道低流量泄流和电站厂房辅助泄流(电站机组全开最大可泄约460m3/s)。应该说,目前主溢洪道带病运行是存在一定风险的,泄流的流量和流速控制非常关键。但只要控制好出库流量大于入库流量(通过上游水库调节可减少进入Oroville水库的流量),水库水位将进一步降低,从而可以腾出应对可能的进一步降雨的防洪库容,以确保大坝安全。

 


图片6

 

根据目前最近进展,由于主溢洪道的持续泄流及天气放晴,水库水位已经开始下降,非常溢洪道的冲蚀也得到了控制,当地主管部门正在安排紧急抢修。总体而言,险情得到初步缓解。当地的雨季主要集中在11月-3月,天气预报今后几日仍有降雨,因此,水库的险情尚未彻底消除。希望正在进行的抢修工作能顺利、成功。


值得吸取的教训:

水库大坝的安全涉及人民生命财产安全,它关系防洪安全、供水安全、粮食安全,而且关系经济安全、生态安全和国家安全,因此,科学的大坝的安全管理对国家具有十分重要的战略意义,需要高度重视。

高坝大库的安全管理是一项十分细致的工作,不可有丝毫疏忽。加州前几年干旱严重,北加州大部分水库水位将至历史最低水位。但今年北加州雨水丰沛,水库水位暴涨。在水库低水位时未做好工程的安全检查,排除相关隐患,待高水位来临时就会措手不及。

Oroville大坝是半世纪前建设的,当时的大坝建设质量也是很好的。但经过长时间运行,工程各部位的安全情况是否仍处于良好状态?对此,水库管理部门要持续的关注,上级主管部门也应该适时督查。只有常备不懈,方可长治久安。

对于建筑物基础的问题要特别重视,这些位置绝大多数处于隐蔽部位,常规巡查难以发现隐患。现代大坝安全管理特别强调监测仪器的作用,对于老工程,一方面要随时检查已埋设仪器的工作形态和数据可靠性,另一方面,也要随着技术进步,适时增添新型观测仪器,力争实现对大坝的全方位实时监控。

对每一个高坝大库,均需在风险源分析的基础上建立切实可行的应急抢险预案。例如,此次Orovill工程溢洪道发生的问题,应该就有一定的应急处置预案。


监测人网站相关报道:

美国最高水坝出现缺口可能溃坝 附近居民紧急疏散

http://jianceren.cn/dam/hynews/2017/0213/16417.html

美国奥罗维尔土石坝及2017 年溢洪道事故简介(专家点评)

http://bbs.jianceren.cn/read.php?tid=7012





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