美國皮克威克大壩潰決風險預防措施

［美國］B.奧爾德

1 皮克威克大壩概況

皮克威克（Pickwick Landing）大壩位于美國田納西州哈丁郡，修建在田納西河上，東距孟菲斯市和新馬德里斷層約160 km。該壩始建于1935年，目前的主要功能包括防洪、航運、供水、發(fā)電、娛樂及水生態(tài)維護等，皮克威克水庫是田納西河和湯比格比河航道的關鍵連接點。

大壩南部土石堤壩全長1.3 km，最大壩高19.8 m，壩頂高程436.50 m。由于洪泛平原內的土壤深度約為16.7 m，通過常規(guī)開挖放置混凝土結構來形成壩體不現(xiàn)實。因此，堤壩的施工采取了水力充填法，該方法可以全年進行施工，同時又可以就地利用從水閘挖掘出來的有用土料，降低成本和工作量。當初修建大壩時，人們對大壩建設的抗震安全性還知之甚少。地震穩(wěn)定性評估得出的結論是，皮克威克大壩容易出現(xiàn)變形，不符合目前田納西河流域管理局（TVA）的震后穩(wěn)定性標準，如上下游方向的變形要小于0.6 m（變形分析并不考慮大壩內部產(chǎn)生的裂縫，這種裂縫也可能導致潰壩）。

雖然壩址附近的條件未發(fā)生改變，但壩體存在受遠處地震影響的可能性，即沿新馬德里斷層發(fā)生的大規(guī)模地震可能會波及到大壩并對堤壩造成破壞。需要指出的是，這樣的地震事件可能造成很大范圍的破壞。因此，TVA一直在致力于實現(xiàn)以下目標：

（1）保障公眾安全；

（2）臨時性風險消減措施（IRRM），包括溝通、教育及意識提高，完善緊急行動計劃（EAP）及加強監(jiān)控監(jiān)測等；

（3）通過可行性研究項目解決現(xiàn)代化抗震問題；

（4）國家環(huán)境保護法案（NEPA）的準許；

（5）減災措施的設計和實施。

堤壩潰決可能導致的洪水，與田納西州薩凡納河近些年多次發(fā)生的洪水類似，相當于10 a一遇。然而，由于目前水面上升的速度比以往要快，所以洪水波到達的速度比以前也要快很多。為解決快速洪水波問題，TVA建立了“大壩潰決預警系統(tǒng)”，并維護其正常運行，以及時向居民發(fā)出警報并保護下游社區(qū)。

2 臨時性風險消減措施（IRRM）

TVA持續(xù)對堤壩進行監(jiān)測，并提高了對受影響地區(qū)的通知效率。同時，TVA正在分步實施“社區(qū)推廣計劃”，并聯(lián)合當?shù)鼐o急事務管理機構（EMA）和國家氣象局（NWS）編制了《疏散指南和地圖》。該手冊描述了皮克威克堤壩的現(xiàn)狀，通過圖片對比分析了最近一次洪水（2013年）和地震可能引發(fā)潰壩造成的洪水分別淹沒的地區(qū)，介紹了早期預警系統(tǒng)及其組成部分，并提供了緊急聯(lián)系方式、應急準備措施等信息。

TVA向當?shù)氐腅MA提供了補充后的緊急行動計劃，其中包括特定場景下的淹沒區(qū)域。該區(qū)域顯示出淹沒區(qū)人口信息、關鍵設施和需要特殊救助的人員，以方便大壩下游住宅區(qū)、商業(yè)區(qū)、學校和其他設施內的人員能夠在緊急情況下迅速撤離。

3 建立大壩潰決預警系統(tǒng)

在為該項目選擇最有效的監(jiān)測及預警方案時，TVA將公共安全放在首位，并采用了大壩潰決預警系統(tǒng)，其中包括：①強大、可靠和冗余的方法和技術；②遠程監(jiān)控單元（RMU）；③由強烈震動觸發(fā)的自動化系統(tǒng)（地震記錄儀）；④用于檢測受地震破壞堤壩長度的儀器（時域反射計TDR）；⑤復合視頻；⑥TVA河流預報中心工程師全天候監(jiān)測的預警系統(tǒng)；⑦美國陸軍工程師兵團（USACE）全天候水閘操作驗證；⑧NWS在堤壩發(fā)生變形或潰決時發(fā)出語音警報；⑨為可能受洪水影響地區(qū)的家庭提供天氣廣播；⑩無線電備份。

為確保所有數(shù)據(jù)和組件都能安全正常運行，TVA與泛達（Panduit）公司簽訂了儀器設備購買合同，由其提供項目所需的所有儀器和設備。通過雙方共同努力，兩個月完成了大壩潰決預警系統(tǒng)的安裝并投運，比最初預計的時間提前了10個月。為了便于在地面強烈震動后快速發(fā)出通知，該系統(tǒng)還安裝了地震記錄儀來收集震動觸發(fā)的地震波形數(shù)據(jù)。

時域反射計（TDR）可以監(jiān)測滑坡和堤壩的穩(wěn)定性。TDR的基本原理與雷達類似，即沿同軸電纜發(fā)出電脈沖，當電脈沖在電纜中遇到斷裂或變形時，就會被反射，并顯示為典型電纜信號曲上的一個“尖峰”，從而可以及時、準確地判定位移的相對大小和速率，以及變形區(qū)域的位置。根據(jù)TVA的設計，TDR電纜沿著堤壩的上游壩頂、下游壩頂和下游壩底水平布置（總長度約為4.8 km），實現(xiàn)了對整個堤壩的變形監(jiān)測（約1.6 km）。

通過安裝熱成像攝像機，可以觀察堤壩上下游的情況，紅外輻射或物體散發(fā)出的熱量會在熱成像攝相機內形成圖像。因為所有物體都有一個熱信號，所以熱成像攝像機可以一直工作，甚至在完全黑暗的環(huán)境中運轉。由于熱成像攝像機是通過“看到”熱量而不是反射光來工作，因此可以將物體的溫度轉換成不同的灰度。在寒冷的天氣中，人體溫度因為比周圍環(huán)境高，所以可能呈現(xiàn)為顏色較淺的圖像，而天氣炎熱時，則可能呈現(xiàn)為顏色較深的圖像，對水來說也是一樣。復合視頻可以提供疊加熱成像的高質量光反射圖像，無論白天還是夜間，均可以通過熱信號對堤壩內部潛在的滲流或潰決情況進行監(jiān)測。

TVA河流預報中心位于田納西州的諾克斯維爾（距離堤壩526 km），這里的操作員負責監(jiān)控大壩潰決預警系統(tǒng)。該監(jiān)控工作和通過USACE閘門監(jiān)控工作人員（通過衛(wèi)星電話）進行的操作驗證每天24 h不間斷進行。該系統(tǒng)通過特定的操作對監(jiān)控設備發(fā)回的警報進行評估，以避免發(fā)出錯誤的通知，一旦變形或潰決情況得到核實，NWS將立即收到通知，并通過語音提示系統(tǒng)發(fā)出警報。此外，TVA還向洪泛區(qū)內的下游居民發(fā)送天氣廣播。為了保證冗余度，警報系統(tǒng)內除復合視頻以外的所有檢測儀器都配備了無線電備份。

4 結語

考慮到皮克威克大壩的多重用途和長期效益，TVA要求任何對大壩的改造都必須經(jīng)過深入的分析，以確保公眾安全和堤壩效益不會受到損害。TVA對堤壩風險緩解措施進行了排序，其中包括“什么都不做”并維持現(xiàn)有預警系統(tǒng)、新建大壩、碾壓混凝土、結構加固樁、錨桿加固混凝土護面、上游隔水墻、地基加固和護堤，或以上措施的任意組合。最終推薦的設計解決方案是在上游和下游修建護堤并向外延長土堤，以符合TVA規(guī)定的震后變形標準（橫向或剪應變小于0.6 m），設計利用3 000 a均布危害度反應譜。

項目詳細設計已于2017年10月完成，預計整個項目將于2020年完工。為了符合《國家環(huán)境保護法案》（NEPA）和《瀕危物種法案》（ESA）的規(guī)定，TVA付出了巨大的努力，并將通過大量持續(xù)的監(jiān)管來確保符合法案的所有要求。

“增強型監(jiān)視與監(jiān)測系統(tǒng)”安裝并啟用之后，TVA已經(jīng)證實該系統(tǒng)的運行符合預期。TVA采取的IRRM將繼續(xù)發(fā)揮重要作用。事實上，在該項目之前從未應用過這種類型的系統(tǒng)，而TVA能夠在兩個月內成功應用該系統(tǒng)，確實是其致力于公共事業(yè)的又一例證。

當然，TVA希望永遠都不會用到皮克威克大壩的潰壩預警系統(tǒng)，但如果地震真的發(fā)生，TVA會盡一切努力幫助周圍社區(qū)、急救人員和TVA工作人員做好有效應對緊急情況的準備。