楊彥龍，黃維，杜雪珍

（國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江 杭州，311122）

2019年3月13 日，“炸彈氣旋”（指劇烈氣象事件）襲擊美國內布拉斯加州中西部，低氣壓裹挾著墨西哥灣帶來的溫暖潮濕空氣，在降雨和升溫的雙重作用下，尼奧布拉拉河（Niobrara River）流域積雪融化和冰層破裂，產生了快速的洪水和冰塞。3月14日凌晨，流冰涌至斯賓塞大壩上游，部分疊梁閘門由于冰凍無法打開，碎冰堵塞了已開啟的泄洪孔，持續(xù)的入庫碎冰和洪水漫過土質堤壩并最終導致潰壩[1]。我國約有75%以上的地區(qū)有冰凌現(xiàn)象發(fā)生，其中黃河內蒙古河段、嫩江上游、黑龍江上游等河段尤為嚴重[2]。水在結凍過程中由于體積的增大會形成巨大的壓力，解凍時，冰體由于受到水流和風的作用會發(fā)生漂移，與結構發(fā)生相互作用，有時候冰對結構的作用遠比波浪和風的影響大得多，甚至還會給國民經濟、人民生產生活帶來意想不到的災害。冰壓力及流冰撞擊力等可能會對大壩、閘門等水工建筑物和設備造成不同程度的破壞[3-5]。如1957年、1967年官廳水庫中的媯水河大橋總計11個橋墩被冰力剪斷；2021年3月，哈爾濱方正縣新興大橋因河面冰凌撞擊，導致2號和3號橋墩坍塌。目前，國內外大壩安全管理中缺乏凌汛相關的潰壩模式研究及應對冰凍災害的應急預案。近些年來極端寒冷氣候頻發(fā)，冰凍及冰凌災害對大壩安全運行帶來一定影響。筆者對斯賓塞潰壩調查結果進行研究分析，對大壩潰壩原因及應對措施進行了探討，以期對我國大壩安全管理有所啟示。

1 斯賓塞大壩潰壩事故

1.1 工程基本情況

斯賓塞水電站位于美國內布拉斯加州尼奧布拉拉河上，距密歇根河匯合口約60 km，流域面積34 913 km2，河口處多年平均流量50 m3/s，大壩下泄流量最終匯入密歇根河上的加文斯角水庫，見圖1。電站總裝機容量6 MW，為徑流式電站，無洪水調節(jié)能力。水庫正常蓄水位458.45 m，相應庫容1 023萬m3，壩頂高程460.60 m，對應庫容2 035萬m3。工程1927年投入運行。大壩重現(xiàn)期100年的洪峰流量為827 m3/s，重現(xiàn)期500年的洪峰流量為1 209 m3/s。

圖1 斯賓塞大壩工程位置示意圖Fig.1 Location of Spencer project

電站樞紐工程自右岸向左岸依次布置土質堤壩、支墩式混凝土溢洪道及發(fā)電廠房。土質堤壩長約975 m，最大壩高約7.92 m，設計壩頂高程460.60 m，2012年實測壩頂高程最低為460.25 m（僅局部）。土質堤壩建在河床沉積層上，北部（即左岸）壩體設置了黏土心墻，南部（即右岸）壩體較淺部分未設置截水心墻，大壩上游壩坡坡比為1∶2.5，下游側坡比為1∶2。

支墩式混凝土溢洪道長122 m，自左至右依次布置1個排冰/污孔和9孔泄洪孔。排冰/污孔布置于發(fā)電廠房右側，寬約3.05 m。泄洪孔堰頂高程454.50 m，寬10.2 m，其中1～4號泄洪孔由4個弧形閘門控制，最大開度約1.82 m；5～9號孔由5個疊梁閘門控制，疊梁閘門豎向為5根工字型鋼，由堆疊在工字鋼槽的6塊木質閘板控制下泄流量。所有泄洪孔閘門全開工況下，正常蓄水位458.45 m對應的溢洪道泄流能力約1 076 m3/s，庫水位在設計壩頂高程460.60 m對應的泄流能力約1 855 m3/s，庫水位在實測最低壩頂高程460.25 m對應的泄流能力約1 722 m3/s，大壩有抵御重現(xiàn)期500年洪水的能力。

圖2 斯賓塞大壩潰決前衛(wèi)星圖及現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.2 Satellite and site map before Spencer dam failure

泄洪孔閘門操作的正常程序是首先使用弧形閘門，通常從1號閘門開始，然后繼續(xù)操作2號、3號和4號閘門，1號和2號弧形閘門在面板下方有一個金屬外殼，允許冬季加熱以防止閘門上結冰?；⌒伍l門完全打開后，如果水位繼續(xù)上升將開始打開疊梁閘門。

斯賓塞大壩所有者為內布拉斯加州公共電力局（NPPD），為一家公共公用事業(yè)公司，大壩安全由內布拉斯加州自然資源廳（NDNR）負責監(jiān)管，下設內布拉斯加州大壩安全計劃（NebDSP）具體負責大壩安全檢查評估。NPPD擁有9座大壩，4座由美國聯(lián)邦能源監(jiān)管委員會（FERC）監(jiān)管，5座由NebDSP監(jiān)管（含斯賓塞大壩）。

NebDSP擁有8名全職員工，管理內布拉斯加州的2 913座大壩，人均管理大壩數量約是全美平均數的兩倍。NebDSP主要任務是審查大壩建設或改造計劃；定期檢查所有管轄大壩，確保業(yè)主對檢查結果意見做出響應落實；為業(yè)主和工程師提供培訓；協(xié)助大壩相關應急準備和響應活動，并確保所有高風險大壩都有應急行動計劃。NebDSP根據大壩失事后果評定大壩風險等級，管轄大壩中有145座高風險大壩、212座中風險大壩和2 556座低風險大壩，斯賓塞大壩被確定為中風險大壩。2005年以來，NebDSP將25座大壩由低風險或中風險調整為高風險，但未調整斯賓塞大壩風險等級。NebDSP每三年對斯賓塞大壩進行檢查和安全評估，最近的一次定期檢查于2018年4月開展，檢查結論指出大壩“存在的缺陷可能導致大壩在遇到罕見的極端風暴天氣時失事”，發(fā)現(xiàn)的缺陷主要有：大壩壩腳有部分滲水；大壩北部斜坡腳下有潮濕區(qū)域；混凝土溢洪道底板磨損、鋼筋外露；消能工磨損到與溢洪道底板相同的高度。

1.2 失事過程回顧

2019年3月13 日上午，斯賓塞水庫庫面一直被冰層和積雪覆蓋，降雨和升溫造成了大壩上游徑流和冰層破裂，隨著時間的推移，大壩上游開始出現(xiàn)冰塞和洪水。下午14∶30，根據美國地質勘探局報告，大壩上游64 km處的馬里亞維爾（Mariaville）洪峰流量為875 m3/s，電站運行人員18∶00曾收到上游洪水通知，于20∶00將溢洪道1～4號泄洪孔弧形閘門全開度運行，22∶30水庫超過正常蓄水位458.45 m，運行人員決定開啟疊梁門泄洪孔，但由于冰凍原因導致大部分疊梁閘門無法打開。

3月14日凌晨，大壩上游出現(xiàn)多處冰塞和流冰，大量的流冰沖毀了470公路的斯圖爾特-納珀橋（大壩上游40.2 km）和11號國道巴特橋（大壩上游19.3 km）。冰塞的突然碎裂導致大量碎冰和洪水涌向斯賓塞大壩，部分大塊的碎冰堵塞了已開啟的泄洪孔，庫水位上漲至土質堤壩頂部。持續(xù)入庫的碎冰和洪水漫過土質堤壩頂部，沖蝕土質堤壩下游坡面并產生了數處溯源侵蝕，同時流冰摧毀了發(fā)電廠房上游側的磚墻。3月14日早上5∶15，土質堤壩首次出現(xiàn)潰口，隨著潰口的擴大，洪水和大量碎冰向下游傾瀉，洪水裹挾著碎冰破壞了土質堤壩并席卷摧毀了大壩下游不遠處的建筑，并造成一人溺亡，隨后潰壩洪峰又摧毀了281號高速公路及下游幾座橋梁。根據潰壩后調查，土質堤壩最終分為兩個潰口，北缺口約198 m寬，南缺口約244 m寬，見圖3。

圖3 斯賓塞潰壩后潰口位置及形態(tài)圖Fig.3 Location and shape of dam breach after Spencer dam failure

1.3 應急處置

斯賓塞大壩是一個中風險大壩，未制定應急行動計劃，也沒有潰壩洪水下游淹沒圖。斯賓塞大壩下游500 m處，肯尼·安吉爾先生擁有的房產（包括一處住宅、音樂場所、稻草屋和一個露營區(qū)）建設于1965年，位于大壩建成之前的河道邊。由于大壩下游存在生命損失，大壩應為高風險大壩，需要制定應急行動計劃，以便發(fā)生險情時及時和下游聯(lián)系撤離。漫壩發(fā)生的午夜，電站運行人員曾上門建議肯尼·安吉爾先生撤離，但還是不幸遇難。

斯賓塞大壩失事后，意味著尼奧布拉拉河在匯入密蘇里河前的最后一道屏障失效，斯賓塞大壩距離密歇根河上的加文斯角大壩約111 km，潰壩洪水以非?？斓乃俣攘鞯矫芴K里河干流，直接沖擊加文斯角大壩。加文斯角水庫防洪庫容十分有限，面對從尼奧布拉拉河滾滾而來的潰壩洪水，水庫水位暴漲到比歷史最高水位還高出近0.5 m，入庫洪峰流量一度達到5 097 m3/s，遠超過該水庫的3月平均入庫流量113 m3/s。為確保加文斯角大壩安全，美國陸軍工程師兵團于3月14日上午及時采取了應急調度措施：一是停止上游蘭德爾堡大壩向下游泄水以減小加文斯角水庫入庫流量；二是加大加文斯角大壩下泄流量，溢洪道14個泄洪閘除2孔因冰凍原因無法啟閉操作外，其余12孔泄洪閘均開閘泄洪，將下泄流量從13日的764 m3/s大幅提高到2 831 m3/s[6]。加文斯角下泄洪水導致兩個城鎮(zhèn)（Niobrara和Verdigre）水廠停運和交通不便，由于擔心密蘇里河沿岸的堤壩潰決，諾?？说牧硗? 000人被臨時疏散。

1.4 潰壩原因分析

1.4.1 氣象水文因素

2019年2 月—3月初，美國內布拉斯加州遭遇了極端低溫天氣，最低氣溫達到-15℃，尼奧布拉拉河上形成了相當厚的冰層，厚度達0.6 m。3月11—13日，氣溫有所升高，最高氣溫達到9℃，3月13日形成的“炸彈氣旋”襲擊了美國內布拉斯加州中西部，將溫和的空氣和濕氣推向流域上游，加速了融雪，氣旋帶來的降雨變成了凍雨。在降雨和升溫的雙重作用下，河道兩岸積雪融化、凍土解凍，形成了快速徑流和凌汛。大壩上游河道冰層也開始融化，水庫厚實冰層的破裂最后導致形成冰塞。冰塞破裂形成洪水，3月13日下午14∶30，大壩上游64 km處的馬里亞維爾（Mariaville）流量為875 m3/s，遠大于歷史實測最大流量176 m3/s（1988年）。3月14日，斯賓塞大壩日平均值估計為1 082 m3/s，實際最大入庫洪峰流量肯定大于該值。

圖4 斯賓塞水庫庫面冰層圖Fig.4 Ice on the Spencer reservoir surface

1.4.2 大壩結構因素

斯賓塞大壩為均質土壩，最大壩高約7.92 m，南部壩段擋水高度很小，未設防滲墻，2012年檢查發(fā)現(xiàn)土質堤壩壩頂局部實測高程最低460.25 m，較設計高程低0.35 m，未加高處理。大壩安全定期檢查曾發(fā)現(xiàn)土質堤壩下游壩腳有部分滲水，土質堤壩北部斜坡腳下有潮濕區(qū)域，混凝土溢洪道存在底板磨損、鋼筋外露，消能工磨損到與溢洪道底板相同的高度，但上述缺陷部分已經修復，并不是本次潰壩的主要誘因。3月14日斯賓塞最大入庫流量尚未可知，但肯定大于1 082 m3/s，且超過正常蓄水位溢洪道的泄洪能力，由于流冰堵塞了部分泄洪通道，加速了大壩漫頂過程。根據事故后調查，潰壩過程中水庫最高水位達461.16 m，漫過大壩設計壩頂高程0.56 m。除洪水漫頂外，流冰也大量漫過土質堤壩，進一步加劇了土質堤壩下游壩坡淘刷，加速了大壩潰決過程，從潰壩后的圖片（見圖5）可知，土質堤壩頂部堆滿冰塊。

圖5 斯賓塞土質堤壩潰口現(xiàn)場圖Fig.5 The breach of Spencer dam

1.4.3 運行管理因素

溢洪道1號和2號弧形閘門在面板下方有一個金屬板外殼，可以在冬季加熱，以防止閘門上結冰。其余閘門在極端寒冷天氣條件下，運行極其困難，其中5孔疊梁閘門開啟完全依賴于液壓千斤頂，寒冷天氣冰凍使疊梁閘門無法開啟。

1935年斯賓塞大壩曾因冰凍發(fā)生過事故，1960年和1966年，大壩的閘門和發(fā)電廠房都曾被冰凌損壞。運行單位NPPD沒有完整保存上述歷史事故檔案資料，以至目前的運行人員并不知道冰凍災害風險的存在，雖然大壩似乎維護得很好，但大壩的維護規(guī)定中未包含應對流冰的措施及預案。

大壩安全管理機構NebDSP人員偏少，一直使用非專業(yè)工程師來執(zhí)行對所有低風險等級大壩和大約一半的中風險等級大壩的檢查。2018年對斯賓塞大壩的檢查是由兩名非專業(yè)工程師進行的，提交州政府的大壩安全檢查報告中未提示流冰洪水對大壩的潛在威脅。

2 我國冰凍地區(qū)水工建筑物破壞

2.1 冰凌災害

寒冷地區(qū)開河或封河過程中常常出現(xiàn)冰塞、冰壩致使水位大幅度上漲，導致嚴重的凌汛災害。如1962年黑龍江支流結雅河率先開河，而黑龍江未開河，結雅河開河后，流冰順流而下聚積在河流交匯口，導致黑龍江下游黑河港碼頭翼墻被冰塊沖擊毀壞，不得不人工破除冰壩避免更大的險情發(fā)生[7]。1982年松花江佳木斯河段春季流冰形成冰壩，上下游水位差高達5～6 m，當地駐軍及時炸毀冰壩才避免了災害的發(fā)生[8]。

2.2 冰凍對水工建筑物破壞

根據原因不同，冰凍對水工建筑物的破壞可分為冰推破壞、冰拔破壞、動冰撞擊破壞和凍融破壞等[9]。冰推破壞：冰層膨脹產生的靜冰壓力將土壩的護坡推起造成的破壞；冰拔破壞：冰層和護坡凍結在一起，庫水位上升時護坡、齒墻等被拔起或松動，庫水位下降時冰塊與護坡凍結在一起，護坡受到冰面下降的拉力，向庫內傾斜；動冰撞擊破壞：主要發(fā)生在初春解凍時，庫冰融化破裂，在風力與水力作用下向壩坡涌進，撞擊水工建筑物，或者冰塊被推上壩坡甚至壩頂，導致壩坡及防浪墻被沖擊破壞；凍融破壞：冬季室外溫度較低的情況下，混凝土結構因水汽進入而受凍結冰，體積膨脹，使混凝土內部結構遭到破壞。河北黃壁莊水庫副壩上游護坡曾受冰推、冰拔循環(huán)作用發(fā)生明顯的隆起破壞，位于庫區(qū)內的橋墩在冰推剪力作用下開裂、傾斜，大部分土壩護坡和建筑物遭到不同程度冰壅破壞，嚴重影響水庫運行管理[10]。太平哨水電站泄洪閘門沒有防冰措施，水庫封凍后冰層與閘門牢固凍結，閘門前冰層在溫度回升時產生的膨脹壓力和水位升（降）產生的上抬力（下拉力）對閘門有一定的影響和破壞。1984—1997年中，曾有4年太平哨水電站共11扇閘門被冰壓力上抬開啟，還有3扇閘門頂梁出現(xiàn)向下游的彎曲變形，閘門上抬開啟后，雖開度不大（一般約為2 cm），但影響閘門的正常運行，也造成一定的水量損失，尤其閘門頂梁彎曲變形威脅閘門的安全運行[11-12]。豐滿大壩（舊）由于施工質量差，運行中溢流面出現(xiàn)嚴重的凍融破壞，影響大壩泄洪安全[13]。

3 啟示與思考

3.1 大壩設計、運行維護應充分考慮冰荷載及冰凍（塞）災害

大壩設計雖有考慮冰荷載，但行業(yè)內對冰力學的認識還不夠充分，運行中對冰凍災害的認識和應對措施仍存在不足。在寒冷地區(qū)河流中修建水壩，需要評估河流是否容易受到周期性嚴重冰流的影響，大壩相關設施設計應考慮在極端寒冷天氣期間能安全運行的保障措施。因此，有必要對寒冷地區(qū)河流的動態(tài)性質進行更多研究，包括這些地區(qū)的天氣系統(tǒng)，冰流的形成、頻率、運動、破壞，以及如何在設計、維護和運行時使大壩等設施能抵御冰凍災害。

3.2 大壩運行單位應重視歷史上發(fā)生的事故和災害

斯賓塞大壩1935年、1960年和1966年都曾發(fā)生過和冰凍災害相關的大壩安全事故，由于歷史事故檔案丟失、未整理或無法查閱，后期運行人員并不知道冰凍災害風險的存在。大壩運行單位應對大壩運行歷史上出現(xiàn)的事故和異常情況有完整記錄并歸檔保存，且有必要為重大的大壩運行維護記錄制作一份完整的電子記錄留存。

1966—2019 年間，斯賓塞水庫未真正發(fā)生過較大的冰塞災害，大壩運行單位每年都成功將有限的庫冰通過泄洪閘門及排冰孔排向下游，運行人員因此相信大壩可以正常排冰。如果運行單位對上游冰塞有足夠的認識和敏銳性，則可以提前采取預防措施，在事故前的3月13日白天溫度相對較高時將所有疊梁閘門全部打開，提前降低水庫水位，可能不至于造成大壩漫頂潰決。

3.3 應保證極寒天氣河流上大壩泄洪閘門的正常啟閉功能

斯賓塞大壩1號和2號弧形閘門在面板下方有一個金屬板外殼，可以在冬季加熱，以防止閘門上結冰，其余各閘門均沒有保暖措施。斯賓塞潰壩事故中，庫水位開始上漲時，由于午夜時分氣溫低，疊梁閘門無法打開，行洪通道受阻，加速了漫壩過程。我國也發(fā)生過因冰凍膨脹導致閘門被動開啟和變形的事故。對于寒冷地區(qū)的大壩，泄洪閘門開啟應充分考慮冰凍及冰荷載影響，確保大壩設施在極端天氣事件中能安全、可靠運行。

3.4 大壩安全風險等級應定期重新評估，高風險大壩應制定應急行動計劃

斯賓塞大壩被確定為中風險大壩，沒有制定應急行動計劃，其實NebDSP和NPPD都低估了潰壩對下游房屋、私人財產和人身安全的影響。根據大壩下游潛在風險分類，斯賓塞大壩應確定為高風險大壩，高風險大壩要求制定應急行動計劃，并且還可能需要對大壩進行改造以提升防洪能力。

3.5 大壩安全定期檢查應該專業(yè)化，充分考慮大壩潛在外部風險

2018年斯賓塞大壩安全定期檢查由兩名非專業(yè)工程師進行，從NebDSP提出的大壩安全定期檢查結果看，大壩結構沒有特別重大問題，但本次定期檢查工作對大壩失事模式認識不足，對大壩安全運行的風險識別不清。大壩安全定期檢查應有專業(yè)技術人員參與，專業(yè)配置要齊全，要結合歷史事故，除結構安全評價外，還應識別大壩風險源及失事模式，如果讓非專業(yè)工程師來檢查評價大壩，則需要經過專業(yè)人士的評審。另外，大壩安全定期檢查必須包括對關鍵文件和歷史記錄的審查，大壩潛在失事模式分析應作為大壩安全審查的一部分。在寒冷地區(qū)從事大壩安全管理工作的工程師需要評估河流是否容易受到周期性嚴重結冰的影響。

3.6 大壩安全監(jiān)管機構應熟悉所管理大壩的潰決模式及大壩對下游的潛在風險

美國大壩安全行業(yè)缺乏對流冰風險的知識儲備。美國大壩安全官員聯(lián)合會（ASDSO）維護著有380例潰壩事故的數據庫，但其中并沒有因冰凌潰壩的案例。由于歷史記錄遺失，NebDSP作為該州大壩安全監(jiān)管機構，竟然不知道斯賓塞大壩歷史上曾三次因流冰潰壩或損毀，業(yè)主NPPD對歷史事故也知之甚少。

大壩安全監(jiān)管機構最重要的職責之一是定期評估大壩對下游潛在風險，評估大壩風險等級，應采用標準化的現(xiàn)場檢查程序（包括審查歷史數據，利用航空或衛(wèi)星攝影，并在現(xiàn)場檢查期間進行驗證），對下游有風險人群的大壩應制定并實施應急行動計劃。對某大壩存在的問題，監(jiān)管機構應及時檢查評估同地區(qū)其他大壩，避免再發(fā)生同一錯誤。

3.7 為寒冷地區(qū)有冰凌的河流建立冰凍災害預警系統(tǒng)

電站運行單位NPPD雖然有收到上游64 km處的馬里亞維爾的洪水信息，但是沒有收到任何個人或機構關于冰情的通知，電站人員還是按照日常洪水進行調度，沒有對上游冰塞災害做好應對準備。因此，所有產生冰流的河流應建立冰情監(jiān)測措施，并在關鍵大壩、橋梁等基礎設施位置建立適當的警報系統(tǒng)。

4 結語

未來我國水電開發(fā)重點地區(qū)在西藏等西南高海拔、寒冷地區(qū)，容易產生冰凍災害，或河道兩岸有冰川分布，冰凌和冰川潰決洪水會給水電建設和運行帶來極大挑戰(zhàn)，其相關問題是高海拔地區(qū)水電開發(fā)和后期運行面臨的重大課題。特別近年來全球極端天氣事件頻發(fā)，在全球范圍內造成了多起潰壩，對下游造成了重大損失，大壩安全管理面臨越來越嚴峻的考驗。斯賓塞大壩失事為我國嚴寒地區(qū)的大壩建設和運行敲響了警鐘，其經驗教訓非常值得學習，以避免類似災害發(fā)生。