論下游事件的影響
——溢洪道出流的潛在失事模型

美國·Gregory Richards，Paul Schweiger，Benjamin Israel

（甘尼特弗萊明公司）

1 簡介

近年來，多個土石壩發(fā)生了多起嚴重的事故，凸顯了理解和評估大壩溢洪道出流工況的重要意義。在這些案例中，溢洪道的峰值出流量都明顯小于設計洪水流量，但仍導致土石壩接近潰壩、溢洪道破壞或嚴重影響大壩性態(tài)。

潛在失事模式是“對大壩失事的物理推理過程，肇因是天然壩基條件、大壩或附屬建筑物設計、施工、材料、運行維護或老化過程等存在不足或缺陷，可導致庫水不受控制地下泄”。因溢洪道出流引發(fā)或加劇的潛在失事模式可分為以下三類失事機制：

（1）溢洪道或出水渠的破壞或侵蝕；

（2）土石壩的侵蝕；

（3）因抬高的尾水位，影響了泄水建筑物或溢洪道的性態(tài)。

對給定的大壩，就這三種失事機制中的任意一種，都可以有無數(shù)種潛在失事模式。以下章節(jié)介紹這三種失事機制以及說明潛在失事將如何發(fā)展的案例。

2 溢洪道或出水渠的破壞或侵蝕

無論溢洪道是何種型式，若消能不充分，溢洪道出水口都會遭受破壞或侵蝕?；炷粱蚱鍪r砌渠道、擋水墻、泄槽或消力池的失事會導致對溢洪道控制段的水力切割、侵蝕或破壞，最終導致庫水不受控制地下泄。在某些案例中，這些失事也會造成溢洪道泄水直接沖刷土石壩，最終導致土石壩下游的侵蝕。

土或石砌的溢洪道易遭受水力切割或侵蝕，特別是在溢洪道出水渠或泄水建筑物結構有不連續(xù)的情況時。這些情況包括道路、排水溝、圍墻、因行人或車輛在其間通行而踩出的道路或車輪留下的車轍。這些不連續(xù)的結構特點都會成為溢洪道出口處現(xiàn)成的水力切割點，且會聚集水流，加速溢洪道的侵蝕。若溢洪道下的材料易被侵蝕，則該水力切割過程可通過溢洪道頂端發(fā)展到上游，最終導致庫水不可控制地下泄。土溢洪道或已有渠道的水力切割還會破壞護堤或邊墻，從而危及整個壩體，因為水流并未進入預期的溢洪道渠道，而是直接沖向土石壩。

2.1 案例1：英國約克郡Ulley大壩

Ulley大壩之前用于供水，現(xiàn)在用于休閑娛樂。2007年6月底，大壩處發(fā)生一場重現(xiàn)期約200年的大洪水。溢洪道泄槽由多級消力臺階和消力池組成，位于石砌邊墻側，從壩肩連接處下的左壩肩一直延伸到自然河道。洪水期間，溢洪道泄槽中的水流速度快、湍流顯著，邊墻的石塊被沖出，最終導致右側邊墻垮塌失事。邊墻失事后，鄰近的土石壩材料隨后發(fā)生侵蝕。雖然在大壩徹底潰決前水勢已有所減弱，但官員們?yōu)榱朔烙?，仍緊急疏散了下游居民。

2.2 案例2：美國密歇根州馬奎特縣銀湖大壩

銀湖大壩始建于1896年。土石壩壩長1 500 ft（457.2 m），壩高30 ft（9.144 m），其主要用途是為下游的水電設施蓄水。2002年，為增大溢洪道的泄洪能力，以通過最大可能洪水，對大壩進行了升級改造。升級改造工程包括在非常溢洪道中新建5.5 ft（1.68 m）高的自潰堤，并對土石壩進行加高。2003年5月14日，大壩壩址處發(fā)生了一場重現(xiàn)期約5～10年的洪水，啟用了自潰式非常溢洪道。洪水不僅對自潰堤產生了侵蝕，非常溢洪道下游的渠道也遭受了嚴重的侵蝕，并通過溢洪道向上發(fā)展直到水庫。最后，溢洪道侵蝕破壞深度達到了自潰堤基礎下25 ft（7.62 m）。溢洪道失事造成了1億美元的經(jīng)濟損失，并有170人因此緊急疏散。因大壩有應急行動計劃且響應迅速，沒有造成人員傷亡。

圖1 銀湖大壩非常溢洪道中穿過的河道，從上游看（圖片來源：聯(lián)邦能源監(jiān)管委員會）Fig.1 Channel cut through the Silver Lake Dam emergency spillway,looking upstream(photo courtesy of FERC)

圖2 溢洪道首次啟用前后輔助溢洪道出水渠（頂部和底部）的對比圖，從上游看Fig.2 Auxiliary spillway discharge channel before(TOP)and after(BOTTOM)initial activation of the spillway,looking upstream

2.3 案例3：美國弗吉尼亞州奧古斯塔縣的Upperherando大壩

Upper Sherando大壩由美國水土保持局（Soil Conservation Service）于1958年修建，主要用于防洪。1961年，大壩業(yè)主變更為美國林務局（U.S.Forest Service）。2003年9月19日，伊莎貝爾颶風的殘余風力導致了壩址區(qū)域的強降雨。以前從未啟用過的輔助溢洪道迎來了超過10 cm深的水流。在該水流作用下，沿土石壩壩趾延伸的下游出水渠遭遇了嚴重的侵蝕，某些部位的破壞深度超過20 ft（6.096 m）。若水流持續(xù)更長時間或水量更大的話，則可能會造成更嚴重的侵蝕甚至是大壩失事。

2.4 案例4：美國密西西比州黑溪大壩

黑溪大壩是美國自然資源保護局（Natural Resources Conservation Service，NRCS）用于防洪的大壩，位于密西西比州的霍爾姆斯縣。1983年5月，大壩所在流域降雨達14 in（35.56 cm），導致大量洪水流經(jīng)土砌的輔助溢洪道。洪水期間，溢洪道面長滿青草，工況良好，溢洪道內也沒有明顯的不連續(xù)結構特征。溢洪道的竣工剖面顯示，有一條現(xiàn)場道路穿過了溢洪道的出水渠，和水流方向垂直，形成了兩次急跌，見圖3。這兩次急跌確定是主要沖擊和最初水力切割形成的點位。原本深5 ft（1.524 m）、寬100 ft（30.48 m）的溢洪道被沖蝕成深40 ft（12.192 m）、寬160 ft（48.768 m）。從水庫中泄放的洪水量約為555.3×104m3，被沖蝕的材料約為14.297×104m3，全部堆積在下游河段中。下游的道路嚴重受損，但未造成人員傷亡。

圖3 黑溪53號壩段輔助溢洪道竣工圖Fig.3 As-built profile of the auxiliary spillway at Black Creek No.53 Dam.Note the“field road”excavated into the exit slope of the spillway

3 土石壩的侵蝕

設計下游出水渠道時，考慮可能發(fā)生的非常規(guī)水情是非常重要的，非常規(guī)水情會導致溢洪道水流曲流、改變方向和折返來侵蝕土石壩。這種情況不是鐵定的，因為可導致這種情況發(fā)生的地質條件非常復雜，且也未明確確定。對許多已建大壩，原有的溢洪道設計是基于簡化的計算方式，忽略了溢洪道出流復雜的三維特性。因此，常見的疏忽就是對可能危及整個大壩的水流情況欠考慮。若水流重新流向大壩，且水流量大或持續(xù)時間長，則可能對大壩下游壩坡造成侵蝕。下游溢洪道出口渠發(fā)生意料之外的侵蝕或水力切割也可能導致水流變向而流向大壩。大壩設計人員和監(jiān)管人員在評估或設計大壩時，需警惕這種潛在失事模式。

圖4 黑溪53號壩段輔助溢洪道失事圖Fig.4 Overview of the failed auxiliary spillway at Black Creek Dam block No.53

案例研究：美國俄克拉荷馬州卡多縣的糖溪大壩（L-44）。

2007年8月18 ～19日這個周末，熱帶低氣壓艾琳橫掃俄克拉荷馬州?？ǘ嗫h多地降雨量遠遠超過重現(xiàn)期100年雨量。糖溪大壩L-44的上游流域進行初步的降雨測量結果顯示12 h內的降雨量達到12 in（30.48 cm），啟動了輔助溢洪道。輔助溢洪道下泄的洪水越過了土石壩壩趾，但在遇到第81號高速公路的路堤后又折返回來，大壩下游壩坡發(fā)生了嚴重侵蝕，差點潰決失事。81號高速公路涵洞中雜物淤積而導致的回水也許就是非常規(guī)水情。最后，侵蝕發(fā)展超過壩頂一半寬度。若溢洪道出流持續(xù)更長時間，大壩可能因剩余壩料發(fā)生侵蝕和失穩(wěn)而最終潰決。

圖5 俄克拉荷馬州卡多縣糖溪大壩下游壩坡的侵蝕Fig.5 Photograph showing the erosion in the downstream slope of Sugar Creek Dam in Caddo County,Oklahoma

圖6 糖溪大壩下游壩坡的水流路徑和侵蝕Fig.6 Photograph showing the flow path and erosion in the downstream slope of Sugar Creek Dam in Caddo County,Oklahoma

4 因尾水抬升而受損的出水建筑物或溢洪道性態(tài)

大壩下游的尾水工況可對大壩性態(tài)產生不利影響，可能以多種方式促發(fā)大壩失事。比如，尾水位抬升會影響水庫排水設施或水電設施的運行或降低其效率。局部尾水增多也會影響某些型式的溢洪道（如自潰堤、自潰門或插板）的功能，或導致非控制段溢洪道淹沒，造成溢洪道泄流能力降低，增大漫頂?shù)娘L險。另一方面，若尾水位低于預期，則會降低消力池或其他消能設施的效率，因此會增大對下游設施的沖刷和侵蝕風險。

此外，應考慮尾水工況因下游自然或人為條件而隨時間的變化。例如，新建了路堤或更替了涵洞、修建了堆木壩和存在其他自然障礙物，或因大壩侵蝕問題在下游河道中存在沉積物堆積，都會導致尾水工況發(fā)生巨大改變，甚至是突變。

案例分析：美國加利福尼亞州的奧洛維爾大壩（2017年）。

奧洛維爾大壩建于20世紀60年代，主要功能為發(fā)電。奧洛維爾大壩壩高770 ft（234.696 m），是全美最高壩。2017年2月，大壩所在區(qū)域發(fā)生暴雨，雨水徑流量巨大，期間混凝土主溢洪道發(fā)生失事。受損的主溢洪道繼續(xù)泄洪及非常溢洪道的啟用都造成了嚴重的侵蝕，超過129.97×104m3的材料沉積于特馬利托（Thermalito）的導流池和菲澤河的下游河段。這些沉積物使奧洛維爾大壩的水力發(fā)電設施——海厄特（Hyatt）電廠尾水渠中的尾水位大幅升高，致使電站無法運行。雖然用受損的主溢洪道泄洪轉移了風險，但應注意到將洪水排出大壩或繞過大壩的三種主要方式都同時受損或無法運行，這是非常重要的。當徑流減小、主溢洪道可關閉時，工作人員夜以繼日地連續(xù)工作，從阻塞下游渠道的淤積材料中清理出一條通道，此舉是為了降低海厄特電廠的尾水水位，恢復其工作狀態(tài)。

圖7 對奧洛維爾大壩下的導流池進行清淤，背景是受損的主溢洪道Fig.7 Debris removal in the diversion pool below Oroville Dam with the damaged principal spillway in the background

5 溢洪道設計和評估工具

水力建模模擬和溢洪道完好性分析軟件的最新進展可幫助工程師們更有效地識別因溢洪道出流可能比之前更復雜而引起的潛在失事模式。例如，二維和三維的水力模型可幫助工程師基于現(xiàn)有的或提出的地形條件分析多種水流條件下的復雜水流模式。這些分析對識別可能更易遭受侵蝕破壞的高速區(qū)域十分有幫助。除這些水力模型之外，美國自然資源保護局還開發(fā)了SITES和WinDAM軟件，能分析土砌/石砌溢洪道及土石壩地質剖面的完好性。這些都是強大的工具，可用于評估洪水事件過程中可能發(fā)生的侵蝕程度，識別當遭遇設計洪水時易發(fā)生失事的溢洪道。

尤其對設計、評估和檢查大壩的工程師來說，意識到這些潛在失事模式并考慮其在某一特定壩址處的適用性是非常重要的。在現(xiàn)場走訪或對設計圖紙和設計文件進行復核時，通?？梢宰R別出遭遇復雜水流工況或發(fā)生嚴重侵蝕的可能性。一旦識別出了潛在失事模式，就可以通過其他分析進行調查和驗證。

6 結語

大壩溢洪道出流可能導致土石壩受損甚至潰決。在許多案例中，其流量遠小于設計洪水，但仍差點造成土石壩潰決、溢洪道失事和庫水不受控制地下泄，或對大壩性態(tài)造成嚴重影響。這些潛在工況通常可在現(xiàn)場走訪或復核設計圖紙或設計文件時發(fā)現(xiàn)。應用最先進的水力建模模擬和溢洪道完好性分析軟件可幫助識別這些潛在失事模式。