美國德里湖大壩潰決事故調(diào)查

杜德進 編 譯

（國家電力監(jiān)管委員會大壩安全監(jiān)察中心，浙江 杭州 310014）

0 前 言

愛荷華州的德里湖大壩于2010年7月潰決，調(diào)查表明事故是由創(chuàng)記錄的降雨、閘門缺陷和與生俱來的設(shè)計缺陷造成的。漫頂導(dǎo)致土壩侵蝕，最終泄空了德里湖，造成了數(shù)百萬美元的財產(chǎn)損失。

在大壩上游流域經(jīng)歷兩天的強降雨后，德里湖大壩于2010年7月24日潰決。下面詳細(xì)分析大壩的歷史、愛荷華州自然資源部在組織和幫助獨立工程師調(diào)查組對潰決事故進行調(diào)查中的作用、大壩潰決調(diào)查過程、大壩潰決可能的原因及得到的教訓(xùn)。

大壩潰決首先是從2010年7月24日下午1點開始的。潰決時估計洪峰流量為69 000 ft3/s（約21 030 m3/s）。大壩潰決給大壩上游庫區(qū)和下游社會造成了大量的財產(chǎn)損失，幸運的是，沒有人員死亡。

失事調(diào)查中，重點考慮了以下幾個方面：

（1）大壩的設(shè)計：該壩為土壩，以鋼筋混凝土心墻作為壩體防滲體；

（2）大壩材料：壩體好像含有低塑性的沙土；

（3）大壩泄洪能力：大壩初始設(shè)計水庫水位為900 ft（274.32 m）時的泄洪能力是 25 000 ft3/s（707.92 m3/s）；

（4）大壩泄洪閘門卡阻，導(dǎo)致洪水時閘門無法全部開啟。

1 德里湖大壩的歷史和背景

德里湖大壩位于德里鎮(zhèn)南部1.4 mi的Maquo-keta河上。Maquoketa河位于愛荷華州的東北部，是密西西比河的支流。大壩由洲際電力公司建設(shè)，建于1922～1929年，主要目的是發(fā)電。

1968年發(fā)電功能被取消。大壩目前由德里湖娛樂協(xié)會擁有并負(fù)責(zé)運行。1991年，按照愛荷華州357E法令成立了德里湖聯(lián)合娛樂和水質(zhì)稅務(wù)管理區(qū)，向湖區(qū)居民按照評估資產(chǎn)征收4～1 000美元的附加稅，以保障大壩和湖區(qū)的管理。2005年為了籌集湖區(qū)疏浚資金，管理區(qū)發(fā)行了免稅債券。

圖1 大壩失事后鳥瞰圖（來自愛荷華州Wing Civil Air Pa-trol）Fig.1 Aerial view of Delhi dam failure(photo courtesy of Iowa Wing Civil Air Patrol)

2008年，大壩的泄洪閘門及導(dǎo)水裝置（wicket gates）被破壞，大壩巖基出現(xiàn)了危害性的沖刷。在接待聯(lián)邦緊急事務(wù)管理署官員時，稅務(wù)管理區(qū)提出修復(fù)湖區(qū)和大壩并得到了批準(zhǔn)。在2010年洪水來臨時，幾項修復(fù)工程已經(jīng)完成，另有幾項工程正在進行中。

盡管臨湖建筑主要為私人所有，公共交通和愛荷華州自然資源部（IDNR）官員的湖面巡邏仍是允許的。愛荷華州自然資源部大壩安全人員每五年對大壩進行安全檢查，2009年進行了最近一次全面檢查。在此次檢查中，提出了需要對溢洪道閘門進行修復(fù)。愛荷華州自然資源部（IDNR）要求德里湖娛樂協(xié)會在2009年底前完成修復(fù)工作。

愛荷華州國家自然資源部（IDNR）2010年1月的復(fù)查發(fā)現(xiàn)，修復(fù)工作正在進行，2010年7月大壩潰決前沒有完成。

德里湖大壩的原設(shè)計壩型是混凝土壩和土壩。704 ft（214.58 m）的大壩由以下幾部分組成：連接左岸石灰?guī)r壩肩的60 ft（18.29 m）長的鋼筋混凝土加固填土斷面、61 ft（18.69 m）長的常規(guī)鋼筋混凝土廠房（廠房內(nèi)安裝了兩臺S.Morgan Smith水輪機和兩臺西屋公司的發(fā)電機，每臺裝機容量750 kW）、一座86 ft（26.21 m）長的帶垂直提升閘門的沃奇式溢洪道，共有3扇閘門，尺寸為25 ft×17 ft（7.62 m×5.18 m）、一座495 ft（150.88 m）長的混凝土心墻土壩。

土壩斷面原施工時上游坡比1V∶3H，下游坡比1V∶2H，嵌入大壩南部（右岸）岸坡。大壩南側(cè)斷面（右岸）壩頂寬度25 ft（7.62 m），壩頂高程904.8 ft（275.78 m，NGVD29坐標(biāo)系）。

大壩混凝土部分的最大斷面高59 ft（17.98 m），土壩斷面最大高度約43 ft（13.11 m）。大壩上游的德里湖水庫庫區(qū)面積大約為440 acre（1.78 km2），水庫正常蓄水位（高程896 ft，273.1 m）時庫容3 790 acre-ft（467.69×104m3），壩頂高程（904.8 ft，275.78m）對應(yīng)庫容為9 920acre-ft（0.12×108m3）。溢洪道堰頂高程879.8 ft（268.16 m）。溢流堰內(nèi)部充填石塊。

大壩左壩肩的混凝土加強土壩原施工時有兩個平行的混凝土擋墻，基礎(chǔ)坐落在基巖上，間距20 ft（6.1 m），中間填充巖石。

1967年，在原擋墻上游設(shè)置了一座混凝土框格墻并再次進行了填充。

該部分下游是一個公園，也是廠房維護時的轉(zhuǎn)運場。

圖2 德里壩潰決過程，心墻依然在（來自愛荷華州自然資源部，IDNR）Fig.2 The breach of Delhi dam in progress;the core wall is still in place(photo courtesy of Iowa Department of Natural Re-sources)

2 大壩失事調(diào)查組的組成

針對德里壩失事，愛荷華州政府向國家大壩安全審計署（the National Dam Safety Review Board）申請，要求組建獨立工程師調(diào)查組（IPE）對德里湖大壩漫頂和失事的原因進行評估。該申請于2010年8月6日向聯(lián)邦緊急事務(wù)管理委員會（FEMA）辦公室提出。國家大壩安全審計署包括聯(lián)邦和州政府代表，也包括私人機構(gòu)的代表，在FEMA的指導(dǎo)下開展工作。國家大壩安全審計署根據(jù)2006年《大壩安全法案》（公共法律109-460）依法成立，為FE-MA主任提供確定國家大壩安全優(yōu)先決策事項、編制影響大壩安全的國家政策的建議。

2010年8月6日，愛荷華州政府以書面形式確定了獨立工程師調(diào)查組的檢查范圍：

（1）檢查工程導(dǎo)致水庫潰決的運行特性；

（2）對大壩失事進行評估，確定失事模式；

（3）就調(diào)查發(fā)現(xiàn)的水庫潰決原因和事故重要教訓(xùn)提交最終報告。

在2010年8月27日FEMA副主任致愛荷華州自然資源部部長的公函中，提出了一個在國家大壩安全審計署主持下的三人獨立工程師調(diào)查組。這三名經(jīng)驗豐富的、在大壩安全方面代表聯(lián)邦機構(gòu)的成員，包括墾務(wù)局的William Fiedler、聯(lián)邦能源監(jiān)管委員會的Wayne King和美國陸軍工程師兵團的Neil Schwanz。

機構(gòu)各自承擔(dān)此次調(diào)查的時間和差旅費用，州財政沒有為調(diào)查支付費用。

3 調(diào)查過程

為了完成此次調(diào)查任務(wù)，獨立工程師調(diào)查組首先收集、分析了關(guān)鍵資料。調(diào)查組獨立運作，可以自由詢問任何個人、查詢?nèi)魏涡枰男畔ⅰ?/p>

工作的主要內(nèi)容包括：德里湖大壩的設(shè)計和施工、大壩的后續(xù)修改、大壩的管理和運行過程、此前大壩的檢查和評估、導(dǎo)致大壩潰決的事件過程和大壩潰決過程以及對大壩潰決的應(yīng)急響應(yīng)。

調(diào)查組主要活動始于2010年9月6日，在愛荷華州持續(xù)開展一周。2010年9月7日，調(diào)查組在位于愛荷華Des Moines的愛荷華州自然資源部辦公室檢查了有關(guān)記錄，并同愛荷華州自然資源部（ID-NR）的有關(guān)人員以及大壩運行人員、業(yè)主代表和當(dāng)?shù)鼐用襁M行了交流。2010年9月8～9日，調(diào)查組檢查了大壩現(xiàn)場、上下游地區(qū)，并同當(dāng)?shù)卣块T和德里湖娛樂協(xié)會的有關(guān)人員進行了補充的交流。2010年9月10日，調(diào)查組在Des Moines的愛荷華自然資源部辦公室工作，檢查其它記錄、安排另外的交流。

資料收集完成后，調(diào)查組開始起草報告。對原設(shè)計和后來修改的地質(zhì)勘探資料進行了徹底的復(fù)核。因為原設(shè)計圖紙和報告對原始基礎(chǔ)和地質(zhì)勘探設(shè)計不是十分清楚，因此對失事后遺留的土壩土樣進行了測試，同時對基礎(chǔ)用兩個手動螺旋鉆進行了取樣。

調(diào)查組用失事后不久IDNR提出的HEC-RAS模型進行了水文和水力學(xué)分析。大壩潰決后對于一扇溢洪道閘門無法完全打開產(chǎn)生了許多疑問。對調(diào)查組而言，關(guān)鍵是做“假定分析”情節(jié)以解答這些疑問。調(diào)查組從水庫上游曼切斯特市的美國地質(zhì)監(jiān)測站取得了一些流量數(shù)據(jù)，但是，依然有明顯的入庫區(qū)間流量需要估計。

調(diào)查組也基于有關(guān)證實材料和照片對應(yīng)急管理響應(yīng)和事件發(fā)生過程進行了評估。

表1 德里湖大壩潰決過程Table 1:Review of the emergency management response and a timeline of events

4 愛荷華州的信息提供作用

為了保證調(diào)查工作的不偏不倚，愛荷華州自然資源部只負(fù)責(zé)收集目擊證據(jù)、提供大壩歷史記錄。愛荷華州自然資源部在調(diào)查報告編制過程中沒有發(fā)揮主動作用，這就保證了調(diào)查組不但可以檢查失事事件本身，而且還可以檢查直到大壩失事那一刻的州大壩安全程序和管理規(guī)則。

5 調(diào)查組結(jié)論

調(diào)查組的主要結(jié)論如下。完整的結(jié)論和建議可以查閱IPE全文。

5.1 大壩設(shè)計和施工

有關(guān)土壩筑壩材料的級配和密度資料非常有限?？雌饋泶髩翁钔潦蔷|(zhì)材料，大壩中心線上游設(shè)有混凝土心墻。對遺留壩體材料進行了取樣和試驗，結(jié)果表明是低塑性的砂土（塑性系數(shù)為9）。

溢洪道右邊墻附近混凝土心墻設(shè)在深入基巖一定深度的鋼板樁頂部。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，從溢洪道邊墻到邊墻以外20ft（6.1 m）的范圍內(nèi)，心墻直接置于基巖上。此點以南的鋼板樁深入基巖的深度是知道的。壩體截水墻延伸到離壩頂約6ft（1.83 m）的位置。

相對于截水墻另一側(cè)的土壩，鋼板樁頂部的混凝土截水墻是壩內(nèi)的垂直剛性單元，不會隨時間產(chǎn)生沉降。這就可能在截水墻位置產(chǎn)生不均勻沉降，從而在截水墻填筑料內(nèi)產(chǎn)生從截水墻頂部開始的裂縫，這些裂縫就成為截水墻可能的滲漏通道。由于壩體材料的低塑性，就出現(xiàn)了壩體內(nèi)部發(fā)生侵蝕并快速發(fā)展的情景。

溢洪道是德里壩的主要泄洪通道。老電廠發(fā)電的泄洪能力大約為500 ft3/s（14.16 m3/s），與溢洪道相比很小。溢洪道由3扇25 ft×17 ft（7.62 m×5.18 m，寬×高）的直升式閘門調(diào)節(jié)，在904.38 ft（275.66 m）（NGVD29坐標(biāo)系，當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系為130 ft，39.62 m）水庫水位、3扇閘門全部打開時的泄洪能力估計約為32 000 ft3/s（906.14 m3/s）。

5.2 2010年7月洪水前的大壩性態(tài)

調(diào)查組沒有得到大壩不利運行的報告，也沒有得到大壩下游面及下游壩趾發(fā)現(xiàn)明顯滲漏的報告。盡管直到最近的失事事件為止大壩運行情況良好，但很可能此前的庫水位沒有達到過超過心墻頂高程（898.8 ft，273.95 m），或者持續(xù)了足夠的時間導(dǎo)致出現(xiàn)內(nèi)部侵蝕。

圖3 德里湖大壩平面布置Fig.3 General layout of the Delhi dam and spillway(photo courtesy of Iowa Department of Natural Resources)

過去大壩閘門就一直操作不靈。閘門導(dǎo)軌在底部成錐形，在完全關(guān)閉或接近完全關(guān)閉位置閘門有卡阻現(xiàn)象。在以前的洪水期間，曾用起重機開啟閘門。

緊鄰溢洪道南部的土壩段缺少維護。2∶1的下游坡面致使難以進行滲漏檢查。

5.3 洪水期間水庫運行情況

在7月22～24日洪水期間，3號閘門開啟高度不超過4.25 ft（1.30 m），顯著降低了溢洪道的泄洪能力，但在庫水位超過心墻頂高程898.8 ft（273.95 m）前大壩運行性態(tài)沒有發(fā)現(xiàn)異常。在此過程的8 h之內(nèi)，在水庫里發(fā)現(xiàn)了漩渦，大壩上游面的高高程部位發(fā)現(xiàn)了滲坑。第一個漩渦是早上3∶30在混凝土結(jié)構(gòu)以南40～50 ft（12.19～15.24 m）處發(fā)現(xiàn)的，后來發(fā)現(xiàn)的第二個漩渦估計在混凝土結(jié)構(gòu)以南約100 ft（30.48 m）。

7月24日上午6時左右，溢洪道邊墻以南40～50 ft（12.19～15.24 m）處首次發(fā)現(xiàn)了下游壩坡的滲漏。上午6時，在首次發(fā)現(xiàn)漩渦和滲坑的地方出現(xiàn)了壩頂沉陷。所有這些現(xiàn)象和土壩心墻頂部以上、混凝土心墻下游部位出現(xiàn)的內(nèi)部侵蝕相一致。

7月24日（星期六）中午12∶30時左右，大壩潰決開始加快。大壩潰決是由于土壩內(nèi)部侵蝕、土壩漫頂水流和混凝土薄心墻結(jié)構(gòu)破壞造成的。

7月24日下午1∶00時左右，土壩完全潰決。混凝土心墻因洪水和土壩下游土料的侵蝕造成的荷載差異而破壞。由于土壩壩體材料的不斷侵蝕，心墻段也發(fā)生了傾倒，最終形成的潰口寬度達235 ft（71.63 m）?？赡苷怯捎诨炷列膲Φ淖钃踝饔?，減緩了大壩潰決的速度。

德里湖大壩潰決沒有造成人員死亡。這可以歸結(jié)于以下幾個因素：心墻可能減緩了大壩潰決的速度；大壩潰決前幾小時就發(fā)布了大壩失事警報；潰壩洪水波在農(nóng)田里發(fā)生擴散，降低了下游Hop-kinton、Monticello社區(qū)的洪水水位；在 Hopkinton、Monticello社區(qū)進行了挨家挨戶的動員，撤離了后來被淹地區(qū)的所有居民。

5.4 洪水期間水庫可能的運行方式

調(diào)查組評估了許多場景以確定不同的溢洪道運行方式是否會出現(xiàn)不同的庫水位、大壩是否會出現(xiàn)潰決的后果。

研究的一個選題是溢洪道閘門部分關(guān)閉的后果。2011年7月22～24日洪水期間，對3扇閘門都開啟到1號閘門的最大開度18 ft（5.49 m）的情況進行了調(diào)洪演算。調(diào)洪演算結(jié)果表明，如果3扇閘門完全打開，德里湖大壩不會漫頂。然而，水庫水位將持續(xù)超過心墻頂高程2.4 ft（0.73 m）約一天時間，這也可能會引發(fā)土壩內(nèi)部的侵蝕。根據(jù)可能出現(xiàn)的通過土壩滲漏的持續(xù)時間可以斷定，即使3扇閘門完全開啟，大壩也會遭受毀壞甚至可能徹底潰決。

來自下游居民的一個質(zhì)疑是大壩運行人員應(yīng)該根據(jù)預(yù)計的入庫洪峰流量預(yù)先降低水庫水位。為此進行了調(diào)洪演算，對洪水來臨前降低水庫水位2 ft、4 ft、8 ft（0.61 m、1.22 m、2.44 m）的效果進行了評估。調(diào)洪演算評估結(jié)果表明，按設(shè)想水平降低庫水位，大壩仍可能漫頂，且?guī)焖粫喈?dāng)長時間內(nèi)超過心墻頂高程。這反映出一個事實，即與洪水洪量相比，水庫庫容相對較小，提前預(yù)泄騰出的庫容都可能在洪峰來臨前就被充滿。

5.5 大壩失事原因

根據(jù)目擊者的描述、照片、視頻和有限的開挖勘測，大壩潰決的原因是土壩內(nèi)部的侵蝕和漫頂水流。

圖4 庫水位高于心墻頂高程（898.8 ft，273.95 m）的估計時間Fig.4 Estimated time of reservoir levels higher than the top of core wall(shown at EL898.8 feet NGVD)

壩體內(nèi)部侵蝕最可能是由鄰近心墻土壩材料的不均勻沉陷引發(fā)的滲漏通道引起的。

事后調(diào)查表明，失事模式是由庫水位超過混凝土心墻頂高程引發(fā)的，由于3號閘門開啟4.25 ft（1.30 m）后無法繼續(xù)開啟而加劇。

混凝土心墻的布置位置、設(shè)計和沒有伸入壩頂這一事實上使得庫水位一旦達到心墻頂高程就使土壩材料更易發(fā)生內(nèi)部侵蝕。

調(diào)查組相信，任何只要洪量足夠?qū)焖惶粱炷列膲敻叱桃陨蠋讉€小時的洪水，都會導(dǎo)致壩體發(fā)生管涌/內(nèi)部侵蝕。

如果壩體內(nèi)部不出現(xiàn)侵蝕，根據(jù)洪水模型（一扇閘門不能正常運行）預(yù)計的洪水最大漫頂深度（1.4 ft，0.43 m）和持續(xù)時間（16 h），也可能因漫頂和溯源沖刷而造成潰決。

根據(jù)NRCS侵蝕分析程序WINDAM對潰決點的漫頂沖刷侵蝕進行了預(yù)測，WINDAM分析摘要已經(jīng)包括在完整的調(diào)查報告中。

其它幾個能夠增加漫頂侵蝕可能性的因素是下游1∶2的壩坡、在最近檢查報告中描述的位于壩趾的侵蝕特征、塊石壩趾和1920年代施工時的路基材料、未知的（但可能是較低的）土料現(xiàn)場密度以及下游坡的樹木和雜草。

相反，如果大壩沒有經(jīng)受漫頂水流（這就要求3號閘門在2010年7月22～24日洪水中完全正常運行），大壩仍可能因壩體自身的內(nèi)部侵蝕機制而導(dǎo)致大壩潰決。

5.6 建議和教訓(xùn)

目前為止，調(diào)查組的調(diào)查范圍是有限的。為了更好地理解德里湖大壩的潰決機理，提出以下幾點建議：

（1）對遺留的滲坑和滲坑到出露點的水流路徑進行勘查；

（2）對遺留的土壩、1967馬道和基礎(chǔ)土料（包括但不限于土料級配和關(guān)鍵的材料特性參數(shù)）進行徹底的勘查。

獨立工程師調(diào)查組也對大壩安全管理和大壩安全程序提出了以下幾點建議：

（1）應(yīng)開發(fā)一種更切合實際的、根據(jù)危害程度對大壩進行分類的方法，以符合相關(guān)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。愛荷華州自然資源部將德里大壩劃為中等危害程度的大壩，但Ashton工程公司將該大壩劃為低危害程度的大壩。這個分類影響了大壩的設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)。

（2）承擔(dān)愛荷華州自然資源部大壩安全檢查的檢查人員和進行大壩安全評價的工程咨詢公司應(yīng)有很豐富的大壩工程和潛在失事模式分析的經(jīng)驗。德里湖大壩設(shè)計上有薄弱環(huán)節(jié)，有經(jīng)驗的工程師應(yīng)該能夠認(rèn)識到這些薄弱環(huán)節(jié)，并可能因此進行進一步的勘察。

（3）洪水期間3號閘門不能完全開啟看起來是由閘門左導(dǎo)軌混凝土沒有完全修復(fù)造成的。為了能夠清楚地界定大壩安全關(guān)鍵問題及其影響，必須進行嚴(yán)格的培訓(xùn)和建立一套有效的處理機制，確保這些問題能夠盡快得到徹底解決。

（4）根據(jù)德里湖大壩的歷史入庫洪水，復(fù)核/更新2010年7月洪水的重現(xiàn)期。

5.7 下一步工作

德里湖娛樂協(xié)會正計劃重建大壩，可能重新安裝發(fā)電機。這一重建計劃的資金來源還未得到落實。娛樂協(xié)會正計劃開展全面的工程研究以確定大壩可能的重建方案。

愛荷華州正會同大壩業(yè)主和評估大壩潰決的其他人員繼續(xù)改進管理程序。

ASDSO最近已經(jīng)組成了一個委員會來評估德里湖大壩及其他潰決大壩的失事調(diào)查（程序）以改進現(xiàn)行的大壩失事調(diào)查方式。

[1]Fiedler,W.,King,W.,Schwanz,N.2010,Independent Panel of Engineers:Report on Breach of Delhi Dam,December 2010[R].State of Iowa,Lake Delhi Recover and Rebuild Taskforce Report,December 2010.