奧洛維爾大壩溢洪道事故獨(dú)立調(diào)查組

1 概述

2017年2月7 日，奧洛維爾大壩溢洪道啟用運(yùn)行期間，在較陡峭的泄槽段，水流沖刷注入溢洪道泄槽底板的裂縫和接縫，導(dǎo)致底板下的浮托力超過(guò)底板的抗浮承載力和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。隆起的部分底板暴露了該位置下方的劣質(zhì)基巖，已被嚴(yán)重沖蝕，并導(dǎo)致更嚴(yán)重的底板剝落以及更大范圍的沖蝕。

溢洪道泄槽損壞后，水庫(kù)水位不斷上升，是否繼續(xù)使用溢洪道需要進(jìn)行艱難的風(fēng)險(xiǎn)權(quán)衡。沒(méi)有充分了解相應(yīng)不確定性和后果的情況下做出了決定，使水庫(kù)水位在歷史上首次超過(guò)非常溢洪道堰頂高程，致使溢流堰下游迅速、嚴(yán)重侵蝕，最終導(dǎo)致下達(dá)疏散命令。

2 事故物理現(xiàn)象分析

2.1 溢洪道

2.1.1 泄槽初始失事位置和事件順序

獨(dú)立調(diào)查組認(rèn)為，溢洪道泄槽事故最初很可能發(fā)生在2017年2月7日10∶10，由樁號(hào)33+50位置附近的底板隆起并剝落而引發(fā)。一旦泄槽底板部分剝落，其底板下中等至高度風(fēng)化的巖石和類(lèi)土基礎(chǔ)材料就直接暴露于高速泄洪水流中。高速水流迅速?zèng)_蝕了該處的基礎(chǔ)材料，并向上游和下游方向發(fā)展，剝除了更多的泄槽底板，并迅速形成了2月7日12∶30關(guān)閉溢洪道閘門(mén)時(shí)觀察到的沖蝕孔。這些發(fā)現(xiàn)基于目擊者的說(shuō)法、攝影和影像記錄。

2.1.2 溢洪道泄槽失事的物理因素

雖然促成失事的物理因素非常多，但獨(dú)立調(diào)查組得出結(jié)論認(rèn)為，最初隆起并剝落的底板很可能是由泄槽底板下方的上浮力造成的，這一上浮力超過(guò)了該位置底板的抗浮承載力?？垢〕休d力是由混凝土底板的自重、底板上水的重力、基礎(chǔ)錨固系統(tǒng)的抗浮承載力、以及混凝土底板和基礎(chǔ)之間的其他連接力構(gòu)成的。一旦某塊底板的上游端發(fā)生隆起，使水流發(fā)生偏移，底板下的壓力迅速增大，導(dǎo)致底板突然失事。

最初失事的泄槽底板部分可能非常小，但一小塊底板剝落，高速水流快速?zèng)_刷其下方的易受沖蝕的基礎(chǔ)材料，并開(kāi)始剝除更多的底板。

過(guò)高的上浮力主要是由于溢洪道高速水流注入及穿過(guò)底板的表面結(jié)構(gòu)，例如開(kāi)放型伸縮縫、人字形排水管上未密封的裂縫、新修或先前修復(fù)部分的接縫或排水管處的碎裂混凝土，以及以上這些情況的組合。2月7日最初失事的底板區(qū)域存在局部底板惡化和維修的情況，這些底板在高速泄洪水流中易受破壞。

圖1 奧洛維爾大壩鳥(niǎo)瞰圖（2017年2月事故發(fā)生前）Fig.1 Overview of Oroville dam facility prior to the February 2017 incident

圖2 閘門(mén)關(guān)閉后觀察到溢洪道泄槽受損Fig.2 Spillway chute damage observed after gates were closed

在溢洪道泄洪期間，水流穿過(guò)了泄槽底板表面結(jié)構(gòu)侵入基礎(chǔ)。在集水溝排水口可觀察到底板下方水流，流量相當(dāng)大。獨(dú)立調(diào)查組認(rèn)為，通過(guò)裂縫和接縫侵入的水流超過(guò)了底板下排水系統(tǒng)的排水能力，導(dǎo)致水流在人字形排水管周?chē)皟?chǔ)存”起來(lái)，增加了底板下的上浮力。

侵入基礎(chǔ)的水流通常會(huì)隨著泄槽表面水流流速的增大而增多。溢洪道閘門(mén)打開(kāi)后更增加了溢洪道泄槽的下泄量，不久即發(fā)生失事，導(dǎo)致了更高的表面流速和更多的侵入水流和上浮力。

在評(píng)估物理因素時(shí)，重要的是思考為什么溢洪道在2017年下泄流量為52500cfs（約1486.8m3/s）時(shí)發(fā)生失事，而不是在曾經(jīng)泄洪量更大時(shí)。最近一次2006年，泄流量超過(guò)70000cfs（約1982.4m3/s），而歷史上，1997年泄洪量曾高達(dá)160 000 cfs（約4 531.2 m3/s）。換句話(huà)說(shuō)，2006～2017年發(fā)生了什么變化，使失事發(fā)生在2017年而不是2006年或更早？

可能發(fā)生的變化很多，獨(dú)立調(diào)查組認(rèn)為，最可能的原因是以下一些情況的組合：

（1）泄槽底板受到新的損傷，或以前修復(fù)的底板惡化；

（2）因黏土受侵蝕或減少，底板下方的淺層空隙相對(duì)擴(kuò)大；

（3）混凝土裂縫或接縫處的鋼筋或銷(xiāo)釘銹蝕；

（4）錨固能力降低。

圖3 中度和高度風(fēng)化巖石的范圍，來(lái)自最終地質(zhì)報(bào)告Fig.3 Extents of moderately and strongly weathered rock.Geologic mapping from Final Geologic Report

獨(dú)立調(diào)查組還確定了一些設(shè)計(jì)和施工帶來(lái)的問(wèn)題，特別是關(guān)于泄槽底板的細(xì)節(jié)，增大了泄槽底板的脆弱性。

（1）嵌入泄槽底板的排水暗管使暗管上方的混凝土厚度降至7英寸（177.8 mm）或更薄，其他部分底板設(shè)計(jì)的最小厚度為15英寸（381 mm）。這一情況導(dǎo)致大部分人字形排水暗管上方都出現(xiàn)了裂縫。水通過(guò)裂縫侵入底板，導(dǎo)致混凝土有分層和剝落的傾向。

（2）底板的橫向伸縮縫未填充止水材料，水容易透過(guò)底板侵入基礎(chǔ)。而且這些接縫也過(guò)寬，不能防止排水暗管上方產(chǎn)生寬縫。

（3）在溢洪道渠首和非常溢洪道頂部結(jié)構(gòu)完成之后，溢洪道泄槽底板的施工，特別是基礎(chǔ)預(yù)制和處理過(guò)程不夠嚴(yán)謹(jǐn)。某些位置高達(dá)50%或以上的基礎(chǔ)未妥善處理，未清理表面的風(fēng)化巖土和類(lèi)土材料。

（4）設(shè)計(jì)方案包括淺層巖石錨固，基礎(chǔ)中只有5英尺（127 mm）埋置長(zhǎng)度，而底板厚度大于15英尺（381 mm）的位置其錨桿埋置深度更小。此外，在泄槽最初失事的位置，一些錨桿位置處于嚴(yán)重風(fēng)化的基礎(chǔ)中，難以達(dá)到預(yù)期的抗拔強(qiáng)度。錨桿在15英尺（381 mm）厚底板中的埋置深度可能也不足以達(dá)成充分的錨桿強(qiáng)度。

（5）排水系統(tǒng)存在許多缺陷，例如無(wú)反濾系統(tǒng)；由于安裝方法錯(cuò)誤，排列方向不正確或排水孔缺失，排水管破損或未連通。這些問(wèn)題導(dǎo)致底板的排水能力不足，沒(méi)有裕度。

（6）底板只在靠近頂部有一層鋼筋，若設(shè)兩層更堅(jiān)固的鋼筋，可能會(huì)減少底板的開(kāi)裂情況。

（7）由于連接銷(xiāo)釘和鋼筋網(wǎng)都放置在底板表面附近，與銷(xiāo)釘放置在中間層的情況相比，在連接處的上表面產(chǎn)生了明顯的薄弱面，增加了連接處混凝土分層和剝落的可能性。

（8）混凝土中的最大骨料粒徑相對(duì)較大（6英寸，152.4 mm），導(dǎo)致抗剪鍵和排水管容易開(kāi)裂和剝落，并且在混凝土澆筑期間對(duì)排水管有損壞。

2.2 非常溢洪道

如大事年表所示，非常溢洪道在2017年2月11日和12日啟用了約36 h。2月12日下午15∶00左右，在啟用31h后，泄洪量估計(jì)達(dá)到12500cfs（354m3/s），僅為非常溢洪道允許下泄可能最大洪水（PMF）的3%。

在事故響應(yīng)過(guò)程中，為了準(zhǔn)備使用非常溢洪道，在洪水漫頂前已清理了溢洪道下游自然山體上的樹(shù)木。洪水下泄過(guò)程中流過(guò)了溢洪道頂下游的自然山體表面，隨即發(fā)生山體侵蝕。雖然已預(yù)料到表層土壤會(huì)遭到侵蝕，但侵蝕深度出乎預(yù)料。事故指揮部表示，至2月12日下午，受到侵蝕的區(qū)域快速向非常溢洪道堰頂上游發(fā)展，導(dǎo)致當(dāng)天下午15∶44發(fā)布緊急疏散令。

圖4 奧洛維爾大壩非常溢洪道開(kāi)始泄洪（2017年2月11日）Fig.4 Oroville dam emergency spillway as overflow began on February 11

非常溢洪道受損的主要物理因素顯然是易被侵蝕的土壤和巖石量較大，深度較深，導(dǎo)致了向堰頂控制結(jié)構(gòu)的快速溯源沖刷。易受侵蝕的材料與剪切帶等地質(zhì)特征有關(guān)。其他造成非常溢洪道受損的因素為：

（1）山坡地形易匯集水流，增大侵蝕力，促進(jìn)了溯源侵蝕的形成；

（2）溢洪道堰頂?shù)撞康南苣芰Σ蛔悖?/p>

（3）溢洪道堰頂下游無(wú)抗沖刷保護(hù)措施。

圖5 事故發(fā)生之后的奧洛維爾大壩非常溢洪道Fig.5 Emergency spillway after the incident

3 事故原因分析

事故獨(dú)立調(diào)查小組認(rèn)為，不是單一的原因或某些簡(jiǎn)單的事件導(dǎo)致的最終疏散命令的下達(dá)。相反，事故是從項(xiàng)目設(shè)計(jì)開(kāi)始到事故發(fā)生，由于物理因素、人為、組織和行業(yè)因素的復(fù)雜相互作用造成的。

物理因素分為兩大類(lèi)：

（1）溢洪道設(shè)計(jì)和竣工時(shí)已存在的固有缺陷，以及隨后的泄槽底板惡化；

（2）溢洪道局部基礎(chǔ)條件差。

3.1 物理因素

溢洪道設(shè)計(jì)和竣工時(shí)已存在的固有缺陷反映了其工程設(shè)計(jì)未根據(jù)實(shí)地情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷?。在大壩建成之后不久，排水暗溝上方及其沿線(xiàn)的混凝土泄槽底板已出現(xiàn)裂縫，底板下方出現(xiàn)大流量排水。起初，底板裂縫及其下方的排水被認(rèn)為是不正常的現(xiàn)象，但很快被視為“正?！鼻闆r，僅需要持續(xù)進(jìn)行修補(bǔ)。但反復(fù)的修補(bǔ)不僅毫無(wú)裨益，更可能是有害的。

在大壩建成后的50年里，盡管進(jìn)行了大量的安全檢查和審核，但都未認(rèn)識(shí)到建成后的不良情況以及耐久性維修的缺乏。久而久之，泄槽排水及溫度變化導(dǎo)致混凝土逐漸惡化、鋼筋和錨桿銹蝕、底板強(qiáng)度和錨固力可能逐步喪失。此外，可能還伴隨著底板下方的輕微沖蝕和排水系統(tǒng)部分失效，這些共同導(dǎo)致了底板上浮力的增加。而溢洪道最先出現(xiàn)破損的位置，其極差的基礎(chǔ)條件，加劇了錨固力不足及底板下方的輕微沖蝕。

由于未認(rèn)識(shí)到設(shè)計(jì)和竣工時(shí)已存在的固有缺陷以及泄槽底板的惡化，無(wú)人預(yù)料到會(huì)發(fā)生溢洪道事故，盡管這一事故不可避免。

一旦底板的某個(gè)初始部位隆起，其下方的劣質(zhì)基礎(chǔ)材料就直接暴露于高速水流中并被迅速?zèng)_蝕。而泄槽底板某個(gè)部位出現(xiàn)沖蝕和隆起之后，就會(huì)導(dǎo)致底板進(jìn)一步剝落，地基沖蝕更嚴(yán)重。

盡管溢洪道和非常溢洪道的劣質(zhì)基巖情況在檔案的地質(zhì)報(bào)告中有詳細(xì)記載，但這一情況并未在最初的設(shè)計(jì)和施工中得到妥善解決，甚至隨后的所有審查都將基巖錯(cuò)誤地描述為優(yōu)質(zhì)巖體。因此，誰(shuí)也沒(méi)有預(yù)料到溢洪道基礎(chǔ)會(huì)受到如此嚴(yán)重的沖蝕。

圖6 溢洪道樁號(hào)33+00處受損區(qū)域（底板混凝土厚度薄厚不均）Fig.6 Damaged area downstream from Sta.33+00.Note the concrete slab thickness varies in the center of the chute

圖7 樁號(hào)33+00處右邊緣泄槽底板下的錨筋（底板底面平滑，底板僅放置在基巖上，未與基巖緊密結(jié)合）Fig.7 Anchor bars on the underside of the slab upstream of Sta.33+00(on right edge).Note the smooth underside of the chute slab that was to have been placed on a rock foundation which would have been expected to be irregular

3.2 人為因素

當(dāng)溢洪道泄槽底板出現(xiàn)預(yù)料之外的破壞和沖蝕后，溢洪道閘門(mén)隨即關(guān)閉以檢查受損程度，并在接下來(lái)的幾天內(nèi)分析各種風(fēng)險(xiǎn)，并作出權(quán)衡和妥協(xié)?；蛘咧貑㈤l門(mén)，溢洪道有可能進(jìn)一步破壞，甚至破壞附近的輸電塔；或者庫(kù)水位繼續(xù)上升，造成非常溢洪道漫頂，非常溢洪道可能遭到?jīng)_蝕。此外，沖蝕已裹挾巨量碎屑進(jìn)入河道，由此產(chǎn)生的高尾水有水淹發(fā)電廠房的風(fēng)險(xiǎn)。決策者試圖找到一個(gè)“最佳平衡點(diǎn)”，即繼續(xù)使用溢洪道，以維持庫(kù)水位不超過(guò)非常溢洪道堰頂，但下泄流量盡量小。

事故過(guò)程中，盡管發(fā)電廠房受淹的風(fēng)險(xiǎn)逐步降低，但溢洪道下泄流量非常有限，最終導(dǎo)致庫(kù)水位上升漫過(guò)非常溢洪道堰頂。這些決定的初衷是好的，但卻與土木工程師和地質(zhì)專(zhuān)家的意見(jiàn)相違背，當(dāng)時(shí)專(zhuān)家們已意識(shí)到基巖條件較差，且非常溢洪道此前從未經(jīng)過(guò)測(cè)試，倉(cāng)促啟用可能會(huì)帶來(lái)不良后果。通過(guò)限制溢洪道下泄量降低了水淹廠房的可能性，但未考慮到啟用非常溢洪道對(duì)大壩安全的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)非常溢洪道發(fā)生漫頂時(shí)，這一風(fēng)險(xiǎn)迅速變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，繼而不得不發(fā)布疏散命令。

調(diào)查小組認(rèn)為，干預(yù)并阻止事故發(fā)生的機(jī)會(huì)其實(shí)很多，但系統(tǒng)內(nèi)各因素的互相作用最終致使錯(cuò)失了這些機(jī)會(huì)。眾多人為、組織和行業(yè)因素導(dǎo)致物理因素未得到充分認(rèn)識(shí)和妥善解決，并在事故發(fā)生時(shí)影響了決策過(guò)程。

3.3 加利福尼亞水資源部的問(wèn)題

以下因素分析針對(duì)加利福尼亞水資源部（DWR）存在的問(wèn)題：

（1）雖然DWR的大壩安全文化和規(guī)劃日漸成熟且方向正確，但在事故發(fā)生時(shí)仍顯得相對(duì)不成熟，過(guò)于依賴(lài)監(jiān)管機(jī)構(gòu)和監(jiān)管程序；

（2）與其他大壩業(yè)主類(lèi)似，DWR在基礎(chǔ)設(shè)施的完好性上過(guò)于自信甚至自滿(mǎn)，并且傾向看重短期運(yùn)營(yíng)考慮。再加上成本壓力，導(dǎo)致內(nèi)部關(guān)系緊張，對(duì)大壩安全不夠重視；

（3）DWR較為保守，阻礙了行業(yè)知識(shí)的獲取和必要技術(shù)專(zhuān)家的培養(yǎng)；

（4）受制于官僚主義，DWR很難建立一支在規(guī)模、成員構(gòu)成和專(zhuān)業(yè)水平與大壩工程與安全相適應(yīng)的專(zhuān)業(yè)隊(duì)伍。

圖8概述了人為、組織和行業(yè)因素與這兩類(lèi)物理因素的相互作用。

圖8 奧洛維爾大壩溢洪道事故原因概覽圖Fig.8 Overview of interacting factors leading to the Oroville dam spillway incident

奧洛維爾溢洪道事故為全球大壩安全提供了一些經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)：

（1）大壩業(yè)主必須制定和維護(hù)成熟的大壩安全管理計(jì)劃，這基于強(qiáng)有力的“自上而下”的大壩安全文化。應(yīng)配備一位專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)大壩安全的高級(jí)人員，通過(guò)指定的大壩安全專(zhuān)員的直接或間接報(bào)告，充分掌握大壩安全問(wèn)題和優(yōu)先事項(xiàng)，確保平衡組織內(nèi)的優(yōu)先事項(xiàng)；

（2）頻繁的物理檢查并不足以識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)，確保安全；

（3）有必要對(duì)原始設(shè)計(jì)、施工以及后期性態(tài)進(jìn)行定期的綜合評(píng)估。這些審查應(yīng)以完整的檔案為基礎(chǔ)，而且需要比一般定期審查更深入，例如目前聯(lián)邦能源管理委員會(huì)（FERC）強(qiáng)制的五年審查；

（4）與大壩相關(guān)的附屬結(jié)構(gòu)，例如溢洪道、泄水建筑物、發(fā)電廠等，必須由有資質(zhì)的人員跟蹤關(guān)注。這種關(guān)注應(yīng)與設(shè)施對(duì)公眾、環(huán)境和大壩業(yè)主的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)應(yīng)，包括可能不會(huì)造成水庫(kù)決口但仍然非常重要的事件；

（5）必須認(rèn)識(shí)并解決當(dāng)前面對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)，潛在失事模式分析（PFMA）處理流程存在的缺點(diǎn)。將其優(yōu)缺點(diǎn)與全球其他行業(yè)和其他聯(lián)邦機(jī)構(gòu)使用的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程相對(duì)比，對(duì)大壩安全實(shí)踐進(jìn)行嚴(yán)格審查是必要的。，通過(guò)適當(dāng)補(bǔ)充現(xiàn)在的新方法，“最佳實(shí)踐”必須繼續(xù)改進(jìn)。

（6）遵守監(jiān)管要求并不足以管理風(fēng)險(xiǎn)和滿(mǎn)足大壩業(yè)主的法律及道德責(zé)任。

許多一般性經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)是不證自明的，并且在此次事故獨(dú)立調(diào)查開(kāi)展之前就已有人提出。避免事故的關(guān)鍵在于，大壩的業(yè)主、監(jiān)管人員和其他大壩安全專(zhuān)業(yè)人員能否認(rèn)識(shí)到這些經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)仍需要學(xué)習(xí)。雖然20世紀(jì)70年代之后，大壩安全實(shí)踐水平得到了很大提升，然而，處于聯(lián)邦機(jī)構(gòu)的監(jiān)管之下，位于具有領(lǐng)先的大壩安全監(jiān)管程序的加州，并由知名的外部顧問(wèn)進(jìn)行了反復(fù)評(píng)估的美國(guó)最高大壩發(fā)生了如此嚴(yán)重的事故，這一事實(shí)對(duì)所有大壩安全行業(yè)內(nèi)的人員都敲響了警鐘，應(yīng)對(duì)大壩安全領(lǐng)域的“最佳實(shí)踐”打上一個(gè)問(wèn)號(hào)。

4 結(jié)語(yǔ)

奧洛維爾大壩溢洪道事故是由于加利福尼亞水資源部（DWR）長(zhǎng)期的系統(tǒng)性失效導(dǎo)致的，監(jiān)管、辨識(shí)、處理溢洪道設(shè)計(jì)和建設(shè)中薄弱環(huán)節(jié)的行業(yè)慣例、較差的基巖質(zhì)量和惡化的溢洪道泄槽工況都是失事的原因。這一事故不能僅僅歸咎于某一個(gè)人、團(tuán)體或組織。 ■