中国水科院教高、学会副秘书长解读美国溃坝

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概述

2020年5月中旬，美国密歇根州大范围持续降雨，河道水位暴涨。5月19日下午7:30（当地时间），提塔巴瓦西河（Tittabawassee）河上的伊登维尔（Edenville）大坝发生溃坝事故，溃坝洪水下泄后，于晚上8:49造成下游桑福德（Sanford）大坝发生漫顶破坏。

伊登维尔大坝溃决事故的洪水对下游造成了重大影响。当地管理部门紧急疏散和转移附近一万多居民，同时，美国联邦气象局也及时发布了对两座大坝下游河道沿岸以及米德兰市（Midland）的洪水预警。所幸事故未造成人员伤亡。

尽管美国伊登维尔大坝和桑福德大坝失事事件发生在新冠疫情肆虐期间，但这一突发事件还是立刻引起了国内外工程界的高度关注。中国大坝工程学会、大坝安全监察中心和中国水利水电科学研究院等单位及时进行了跟踪报道。本文将根据收集的相关资料，对造成溃坝事件的原因进行分析，并以此对大坝安全管理的相关问题进行讨论与思考。

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工程概况

伊登维尔大坝位于密歇根州中部的提塔巴瓦西河及其支流托巴克河（Tobacco）的交汇处。大坝由两部分组成，一部分位于托巴克河，另一部分位于提塔巴瓦西河。大坝坝型为土坝，两段坝体均设有混凝土溢洪道。大坝总长度约2km，坝高16m。水库总库容8170万m3，水面面积约15km2。伊登维尔大坝建于1924年，工程目前的主要功能为发电和防洪，电站装机4.8MW（22.4MW）。

图1 伊登维尔大坝（2016年7月影像）

桑福德大坝位于伊登维尔大坝下游，水库蓄水位631英尺（192m），库面面积5.06km2，库容1714.4万m3。大坝为沿提塔巴瓦西河干流布置的闸坝，坝高约36英尺（10.97m），水头26英尺（7.92m），坝顶长度1579英尺（481.28m），溢流闸坝宽度139英尺（42.37m）。溢流闸坝由6孔液压启闭闸门控制，布置于左岸，右侧为土坝。桑福德大坝建于1925年，目前主要功能为发电。

图2 桑福德大坝（2019年12月影像）

伊登维尔大坝与桑福德大坝区间距离约11.3km，米德兰市位于桑福德大坝下游约9.7km处。两座大坝及米德兰市的位置如图1所示。

图3 伊登维尔大坝及桑福德大坝的位置

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溃坝事件回顾

伊登维尔大坝的溃决发生于2020年5月19日下午7:30左右，大坝溃决前，水库所在的提塔巴瓦西河流域遭遇了持续的降雨过程（水库下游的米德兰市48小时降雨量达4.7英寸（119mm）），水库水位快速上涨。尽管大坝溢洪道全力泄洪，但水库水位仍涨至接近坝顶附近。从影像资料看，左段坝体溢洪道泄槽的水流不时翻出边墙，而与溢洪道左边墙相连的坝体已经产生了渗透冲蚀破坏。随着库水位持续保持在接近坝顶的高水位，坝体下游坡出现渗出的水流，且出水位置较高。随后，左坝段溢洪道左侧附近的坝体产生滑动，坝体随之垮塌，大坝溃决。大坝溃决后，溃口迅速展宽，并最终趋于稳定。溃坝洪峰向下游推进，进入下游的桑福德水库，造成桑福德水库水位暴涨。桑福德水库为一狭长的河道水库，水深较浅，伊登维尔溃坝洪水进入水库后，很快就漫过桑福德大坝土坝一侧的坝顶，并导致右侧土坝漫顶溃决。图4 为溃决后的伊登维尔大坝，图5为桑福德大坝混凝土溢流闸坝右侧土坝部分的漫顶过流，图6所示为土坝部分漫顶溃决后的情况。

图4 溃决后的伊登维尔大坝

图5 桑福德大坝的漫顶过流

图6 桑福德大坝混凝土闸坝右侧土坝的漫顶溃决

距离桑福德大坝约9km的米德兰市人口超过40000，溃坝洪水进入市区，造成市区大面积淹没。图7所示为米德兰市提塔巴瓦西河水位涨落过程线，图中，左侧的蓝线为实测水位，后续的红棕色点线为水位预测值。由图中可见，截至20日晚8:00，水位已升至35.05英尺（10.68m），这一水位导致了市区大部分房屋被淹。图中的黑色横线为历史记录的最高水位33.9英尺（10.33m）（1986年9月13日）。

图7 米德兰市提塔巴瓦西河水位过程线

洪水发生后，当地政府及时发出了预警，超过10000人被紧急疏散。由于预警及时，溃坝洪水未造成人员伤亡。图8、图9所示为米德兰市遭遇溃坝洪水的淹没情况。

图8 溃坝洪水进入米德兰市区

图9 米德兰市中心被洪水淹没

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溃坝原因分析

回顾人类大坝建设历程中发生的大坝破坏事件，任何大坝安全事故的发生，基本上都可以归因为外部因素、自身因素（大坝结构或地质条件）和人为因素（管理及人为失误）这三个主要方面的问题。一次严重的大坝溃决事件，通常都是三方面因素综合作用的结果，此次美国密歇根州伊登维尔大坝事故也充分证明了这一点。

造成伊登维尔大坝和桑福德大坝事故的一个重要外部因素是密歇根州提塔巴瓦西河流域的异常降水。据象资料显示，2020年5月，热带风暴“亚瑟（Arthur）”在大西洋中部海岸登陆，热带潮湿气流自东海岸向西进入密歇根，形成了一场覆盖全州的强降雨过程。图10所示为5月17日至5月19日密歇根州下半岛地区的降雨分布。

图10 密歇根州下半岛地区2020年5月17日至5月19日的降雨分布

据美国国家象局报道，517至19，提塔巴瓦西河流域降量达100~180mm。集中的强降雨导致水库水位迅速上涨，水位逼近伊登维尔大坝坝顶，从而造成了对大坝安全的严重威胁。

根据伊登维尔大坝的基本资料，大坝的坝型为土坝。从溃坝后的坝体断面看（图11、图12），可以判断大坝坝型为均质土坝，坝体上游坝坡采用碎石护坡，下游坝坡为草皮护坡。

图11 伊登维尔大坝的溃口

图12 伊登维尔大坝溃口

根据最初的网络新闻报道，伊登维尔大坝的溃决是库水漫顶所致。但从后续的大坝溃决过程视频资料看，溃坝时水库水位并未漫过坝顶。从图13可以看出，大坝将溃时，坝顶上游侧已经出现明显的塌陷，下游坝坡较高处出现流水。坝顶上游侧的塌陷可能是在高水位浸泡下，土体抗剪强度降低后导致的坝顶上游坡局部滑坡，但也可能是坝体渗透破坏通道形成后导致上游侧渗流入口处的塌陷。

（视频：伊登维尔大坝的溃决过程）

图13 伊登维尔大坝溃决过程

图14所示为伊登维尔大坝未溃时溃口附近坝体及溢洪道泄流情况，从大坝坝体下游坡大面积渗水外溢的情况看，坝体渗透破坏的可能性较大，同时，也可以判断坝体的渗流浸润线较高，坝身土体大部分处于饱和状态。图中也可以看到溢洪道左边墙外侧的坝体已发生了渗透破坏。

图14 伊登维尔大坝溃决前下游坝坡及溢洪道

大坝的最终溃决产生于坝身滑坡破坏，滑坡的过程表现出较典型的深层圆弧滑动模式，符合均质土坝坝身滑坡的基本破坏形式。导致坝体滑动破坏的原因主要包括上游高库水位的荷载作用、坝体的渗透破坏、坝体较高的渗流浸润线、大坝土体剪切强度的降低等。

总结以往大坝溃决失事的经验，可以看出，最终形成大坝溃决的破坏形式、破坏机理和触发原因等并非某一单一因素，现实情况下，各因素之间通常都是相互关联、相互复合的。在伊登维尔大坝溃决前，坝前的水位荷载、坝顶的塌陷和坝体的渗透破坏等要素相互作用，又相互推动加剧，最终导致大坝溃决。美国科学院出版的《Safety of Existing Dams (Evaluation and Improvement)》中指出：“溃坝往往并非发生于单一要素，而是复合的”，“用传统的漫顶、水流冲蚀、失稳滑动、渗流潜蚀和管涌等来唯一确定某坝的失事原因，通常是困难的、牵强的”。因此，在分析溃坝原因时，应将各类因素分为在某一破坏阶段起主要作用，而最终的溃决则是多种因素复合作用的结果。

伊登维尔大坝和桑福德大坝都是建于上世纪20年代的老坝，从大坝和水库的运行管理上看，在其近100 年的运营期间，水库的产权几经变迁，目前，水库由私营企业博伊斯电公司（BoyceHydro）管理。除这两座水库外，博伊斯电公司还拥有该流域的另外两座水库，均主要用于发电。

根据美国大坝安全管理的分工，美国能源监管委员会（FERC）负责监管主要功能为发电的水库大坝的安全管理，FERC会定期对水电站大坝进行安全评估。伊登维尔大坝的安全评估结果表明，大坝的泄流能力不足，无法有效应对大规模洪水威胁。因此，2004年以来，美国能源监管委员会一直敦促博伊斯电公司扩建溢洪设施，加强大坝保护。2012年，博伊斯电公司修改后的溢洪道改建方案获得了FERC的批准，但由于业主无力负担800万美元的改建费用，实际的更新改造行动一直未能实施。

2018年，FERC在多次规劝无效情况下，吊销了博伊斯电公司的联邦发电许可证，并在其文件中指出了工程中存在的七个关键安全隐患，其中最重要的就是 大坝“无法承载可能最大洪水 (inability to pass the Probable Maximum Flood (PMF)) ”，以及“大坝可能在大洪水洪峰到来时无法及时泄洪（the dam may not have the ability to pass enough water, if a severe flood were to hit）”。

在FERC吊销发电许可证后，密歇根州大湖能源环境部（EGLE）接受了博伊斯电公司管理请求（电站发电不并入联邦电网）。EGLE组织了对大坝的安全检查，得出的结论是“大坝结构状况良好（it was in fair structural condition.）”，但同时也对大坝泄洪能力不足的问题表示了强烈的关注。2019年密歇根州的指定机构 Four Lakes Task Force 花费了940万美元购买了博伊斯电公司名下的四座大坝（其中500万来自密歇根州政府资金），使得这些大坝直接为州拥有（但仍然由Boyce 管理）。

根据1997年公共法案451的307部分（Part 307 of Public Act 451 of 1997）规定，博伊斯水电公司在提塔巴瓦西河流域的四座水库受州法律管辖，允许州的郡政府调节水库的水位。在许可的条件下，水库水位通常会在冬季下降，以帮助防止冰的积聚对大坝的破坏。但在2018年秋季和2019年，博伊斯水电公司与EGLE在降低水库水位一事上产生了争议，州总检察长办公室指控其在两次冬季水位下降期间危害了淡水贻贝的生存。

根据第307部分许可证的规定，水库水位的降低通常从12月15日开始，冬季库水位一般下降3英尺。初春，当水温达到39华氏度（3.9摄氏度）时，水库水位逐渐恢复至夏季运行库水位675.8英尺（205.98m）。2020年4月9日，EGLE颁发了重新蓄满水库的许可，至4月15日，水库水位以每天约8英寸（20.32cm）上升的速度恢复到正常的夏季水位。5月2日，水位仅比夏季库水位低6英寸（15.24cm）。在这个水位上，大多数湖滨居民可以有足够的水深来放置和正常使用吊艇架和码头，第二天，水库水位已经达到了夏季的最高水位。

根据相关资料，在今年的早春时节，整个密歇根州的河道水位都达到创纪录的高度，而且最近连续几年都有异常强劲的春雨。在这种情况下，仍将水库水位提高，这种做法令人质疑。根据博伊斯水电公司5月20日的声明，今年春天水库水位的升高是在水库沿岸居民和管理部门的压力下造成的。在博伊斯水电公司这么做之前，EGLE向它颁发了提高水库蓄水位的许可证，但事实上EGLE大坝安全部门非常清楚，大坝的泄洪能力实际上无法达到泄流可能最大洪水（PMF）标准的一半。

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事件的启示与思考

水库大坝是促进人类社会进步和国民经济发展的重要基础设施。近些年来，随着全球经济的快速增长和社会的持续繁荣，水库大坝的安全与公共安全的相关性也越来越密切。保障水库大坝的安全，已经成为大坝建设和管理中的最为重要的问题，应该引起政府各级管理部门和社会公众的高度重视。

就目前全球大坝安全的形势而言，一方面，自20世纪初以来，大坝工程的设计、施工和管理迅速发展，使得大坝的安全性日益增强。20世纪初，水库大坝的溃坝率约为4~10%，但到21世纪初，这一数值已降至0.2%。近些年来，国际大坝委员会（ICOLD）提出了“为了更美好的世界建设更好的大坝（Better Dam for Better World）”的口号，将大坝安全和大坝的环境友好置于大坝建设的优先地位。今年，国际大坝委员会还发布了“大坝安全世界宣言（World Declaration on Dam Safety）”，将消除溃坝作为全球大坝工程界的最高奋斗目标。另一方面，随着新形势的发展，全球大坝安全也面临着气候变化加剧、自然灾害频发、已建工程老化、大坝产权多样化，以及复杂地形和地质条件下高坝大库建设等前所未有的严峻挑战。此次美国密歇根州两座大坝的溃坝事件，又一次为我们的大坝安全监管工作敲响了警钟，提示我们大坝安全管理是一项十分细致的工作，必须高度重视，不可有丝毫疏忽。

从此次美国密歇根州两座大坝的溃坝事件看，异常气象条件所导致的强降雨是此次溃坝事故的重要外部因素。大坝的结构形式和泄水建筑物的设计通常都是根据历史水文资料确定的，但随着时间的推移和流域气象条件的变化，水库大坝所面临的水文条件也会发生变化，尤其是在当前全球气候变化的背景之下。为此，在大坝安全管理和大坝安全评估中，要特别关注设计洪水标准的变化，并及时复核工程的泄洪能力是否满足现实的要求。在考虑气候变化对大坝安全的影响时，一方面要考虑气候变化引起的流域降雨和径流变化，另一方面，还要注意特殊气象所引发的地质灾害对大坝安全的影响。对于此次发生溃坝事故的伊登维尔大坝，FERC的评估已经指出了大坝泄洪能力不足的问题，而且该流域近几年已经出现了春季降雨异常的现象，但遗憾的是大坝管理部门并未及时采取行动。

对于大坝安全的保障，除了需要在设计和建设阶段按照严格的规范要求，精心设计，确保施工质量外，大坝建成后运行期的安全监管也是涉及大坝安全的重要组成部分。此次密歇根州大坝事故的最大教训就是监管不能落实到位。本来，美国能源监管委员会在对大坝的安全评估中已经发现了大坝存在的安全问题，并因此吊销了电站的发电许可，但水库转到州府管辖后，州政府管理单位的评价却是“大坝结构良好”，虽然也指出了大坝泄流能力不足的问题，但却无人督促切实整改。从这一事件的过程中可以看出，对于大坝安全评价中发现的问题，不能仅仅指出问题、完成评估报告后就万事大吉，必须要针对问题及时处理，并加强监管。对于伊登维尔大坝这种情况，如果业主无力投入资金扩建溢洪道，就一定要采取措施，限制水库水位，甚至放空水库，绝不能使之带病运行。如心存侥幸，大自然必将会以加倍的力度惩罚人类的轻慢。

从大坝安全管理的角度看，中小型水库大坝和建设年代较久的老坝是当前大坝安全管理的短板，也是大坝安全事故的多发区。从国内外的普遍情况看，高坝大库工程绝大部分都是管理规范、维护资金充足、安全监测到位，总体安全状况良好。而中小型水库和老旧工程则较多存在管理和维护资金不到位的情况。因此，若要有效改善大坝安全管理的总体状况，必须切实加强中小型水库和老旧工程的安全评价和监督管理。从中国的经验看，在20世纪80年达前，由于筑坝技术、施工质量和安全管理中存在的诸多问题，我国曾出现过两次溃坝数量的高峰期。前些年国家投入大量资金进行了大规模的病险水库除险加固工作（其中绝大部分是中小型和老旧工程），使我国的大坝安全面貌得到了彻底的改变，进入了世界低溃坝率国家行列。

此次密歇根州溃坝事故的两座大坝均为土坝，在早期的溃坝事件统计中，土石坝数量最多（根据上世纪90年代国际大坝委员会的统计，土石坝溃坝的数量占各坝型统计的70%）。但近些年来，随着土石坝筑坝技术的飞速发展，土石坝的安全性得到了极大地提升，我国的长江、黄河、雅砻江、大渡河等大江大河上均建设了高土石坝工程。对于土石坝工程而言，造成其溃决失事中的一个重要原因是漫顶破坏，对于这一问题，现代土石坝工程的设计中一方面保留了一定的坝高余量，另一方面也特别强调通过多种泄洪形式的组合以保证土石坝泄洪的可靠性。对于建设年代较久中小型土石坝工程，大部分都会存在泄洪能力不足、泄洪形式单一的情况。对此，可以通过溢洪道扩容的方式提高大坝的泄流能力。同时，也可以对小型土坝采用非常规保坝措施，利用碾压混凝土（RCC）护面实现坝顶漫顶泄洪。上世纪80年代以来，美国已有几十座小型土坝采用了这一方法，运行情况良好。其实，对于伊登维尔大坝，其坝线较长，完全可以选择适当坝段，设置RCC护面非常溢洪道，从而以较低的投入实现大洪水情况下的保坝安全。

在大坝安全管理中，除关注水库大坝自身结构安全外，对于大坝安全事故的应急响应也是也是大坝安全综合保障中需要关注的重要问题。此次密歇根州溃坝事件虽然造成了大量的房屋、财产淹没损失，但由于政府管理部门及时应对，措施得当，洪水未造成人员伤亡，美国密歇根州政府在洪水应急处置方面的经验值得借鉴。从报道资料看，5月19日，美国国家象局持续向提塔巴瓦西河流域发布洪警报，敦促众撤离。溃坝发生后州政府立刻通过网络、手机等工具及时发布溃坝洪水信息，图14所示为预先制定的溃坝洪水风险图，从图中可以明确了解洪水淹没的范围，图15为疏散避洪的线路图。在疏散民众的过程中，政府出动了国民警卫队协助，进行了挨家挨户的检查，确保了淹没区居民及时、彻底的撤离。

图15 溃坝洪水风险图

图16 米德兰市的应急疏散线路

附注：从资料分析看，文中所述的伊登维尔水库和桑福德水库的水位高程与米德兰市提塔巴瓦西河的水位高程并非采用同一高程系统，故两者数据有较大差别。

参考资料

（注：文中图片均来自于网络，所有权归原作者所有）

1.Edenville Dam, Wikipedia （https://en.wikipedia.org/wiki/Edenville_Dam）

2.Sanford Lake -Wikipedia

（https://en.wikipedia.org/wiki/Sanford_Lake）

3.“Michigan dams fail near Midland; ‘catastrophic’ flooding underway”, Washington Post

4. Dangers of Edenville dam failure evaded state scrutiny, The Detroit News

5.https://www.msn.com/en-au/news/photos/flood-submerges-central-michigan-city-after-two-dams-breached/ss-BB14nLNI

6. https://www.upi.com/Top_News/US/2020/05/20/Michigan-river-rises-to-highest-level-ever-after-dam-break/7411589977073/

7.https://edition.cnn.com/2020/05/20/us/michigan-dam-failure-before-after-photos-trnd/index.html

8. “Feds revoked failed Edenville dam's license in 2018 over inability to handle big floods”，Detroit Free Press

9.https://www.detroitnews.com/picture-gallery/news/local/michigan/2020/05/19/heavy-rain-and-winds-contribute-flooding-southeast-michigan/5223275002/

10. https://www.abc12.com/content/news/Flash-flood-emergency-Edenville-dam-has-failed-residents-advised-to-evacuate-570605051.html

11. https://www.bbc.com/news/world-us-canada-52735170

12. https://wwmt.com/news/people-helping-people/mid-michigan-dam-failures-call-attention-to-safety-of-states-aging-dam-infrastructure

13. https://edition.cnn.com/2020/05/20/us/michigan-dam-failure-before-after-photos-trnd/index.html

14. https://www.mlive.com/weather/2020/05/michigan-just-had-record-breaking-heavy-rains-heres-where-most-of-it-fell.html

15. https://www.freep.com/story/news/local/michigan/2020/05/19/evacuations-flooding-tittabawassee-river/5219086002/

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