美國密歇根州大壩潰決事件的分析與思考

（中國水利水電科學研究院，北京 100048）

1 潰壩事件概述

2020年5月中旬，美國密歇根州大范圍持續降雨，河道水位暴漲。5月19日19：30（當地時間），提塔巴瓦西（Tittabawassee）河上的伊登維爾（Edenville）大壩發生潰壩，潰壩洪水下泄后，于20：49造成下游桑福德（Sanford）大壩發生漫頂破壞。

伊登維爾大壩潰壩洪水對下游造成了重大影響。當地緊急疏散和轉移附近10 000多名居民，同時，美國國家氣象局也及時發布了對兩座大壩下游河道沿岸以及米德蘭縣（Midland）的洪水預警。

美國伊登維爾大壩和桑福德大壩失事事件引起了國際大壩工程界的高度關注。本文將根據收集的相關資料，對造成潰壩事件的原因進行分析，并以此對大壩安全管理的相關問題進行討論與思考。

2 工程概況

伊登維爾大壩位于密歇根州中部的提塔巴瓦西河及其支流托巴克（Tobacco）河的交匯處，見圖1。大壩由兩部分組成，一部分位于托巴克河，另一部分位于提塔巴瓦西河。大壩壩型為土壩，兩段壩體均設有混凝土溢洪道。大壩總長度約2km，壩高16m。水庫總庫容8 170萬m3，集水面積約15 km2。伊登維爾大壩建于1924年，電站裝機4.8MW（2×2.4MW），目前的主要功能為發電和防洪。

桑福德大壩位于伊登維爾大壩下游（見圖2），水庫正常蓄水位192 m，水庫集水面積5.06 km2，庫容1 714.4萬m3。大壩為沿提塔巴瓦西河干流布置的閘壩，壩高10.97 m，水頭7.92 m，壩頂長度481.27 m。溢流閘壩寬度42.37 m。溢流閘壩由6孔液壓啟閉閘門控制，布置于左岸，右側為土壩。桑福德大壩建于1925年，目前主要功能為發電。

伊登維爾大壩與桑福德大壩區間距離約11.3 km，米德蘭市位于桑福德大壩下游約9.7 km處。2座大壩及米德蘭縣的位置如圖3所示。

圖2 桑福德大壩（2019年12月影像）

圖3 伊登維爾大壩及桑福德大壩的位置

3 潰壩事件回顧

伊登維爾大壩的潰決發生于2020年5月19日19：30左右，大壩潰決前，水庫所在的提塔巴瓦西河流域遭遇了持續性降雨過程（水庫下游米德蘭市48 h降雨量達119 mm），水庫水位快速上漲。盡管大壩溢洪道全力泄洪，但水庫水位仍漲至接近壩頂附近。從影像資料看，左段壩體溢洪道泄槽的水流不時翻出邊墻，而與溢洪道左邊墻相連的壩體已經產生了滲透沖蝕破壞。隨著庫水位持續保持在接近壩頂的高水位，壩體下游坡出現滲出的水流，且出水位置較高。隨后，左壩段溢洪道左側附近壩體產生滑動并隨之垮塌，大壩發生潰決。大壩潰決后，潰口迅速展寬，并最終趨于穩定。潰壩洪峰向下游推進，進入桑福德水庫，造成水庫水位暴漲。桑福德水庫為一狹長的河道水庫，水深較淺，伊登維爾潰壩洪水進入水庫后，很快就漫過桑福德大壩土壩一側的壩頂，并導致右側土壩漫頂潰決。圖4為潰決后的伊登維爾大壩，圖5為桑福德大壩混凝土溢流閘壩右側土壩部分的漫頂過流，圖6所示為桑福德大壩土壩部分漫頂潰決后的情況。

圖4 潰決后的伊登維爾大壩

圖5 桑福德大壩的漫頂過流

圖6 桑福德大壩混凝土閘壩右側土壩的漫頂潰決

距離桑福德大壩約9 km的米德蘭市人口超過40 000人，潰壩洪水進入市區，造成市區大面積淹沒。圖7為米德蘭市提塔巴瓦西河水位漲落過程線，圖中左側的藍線為實測水位，后續的紅棕色點線為水位預測值。截至5月20日20：00，水位已升至10.68 m，導致了市區大部分房屋被淹。圖7黑色橫線為歷史記錄的最高水位10.33 m（1986年9月13日）。

洪水發生后，當地政府及時發出了預警，超過10 000人被緊急疏散。由于預警及時，截至5月27日，尚未見潰壩洪水造成人員傷亡的報道。圖8～9為米德蘭市遭遇潰壩洪水的淹沒情況。

圖7 米德蘭市提塔巴瓦西河水位過程線

圖8 潰壩洪水進入米德蘭市區

圖9 米德蘭市區被洪水淹沒

4 潰壩原因分析

回顧人類大壩建設歷程中發生的大壩破壞事件，任何大壩安全事故的發生，基本上都可以歸因為外部因素、自身因素（大壩結構或地質條件）和人為因素（管理不當及人為失誤）這3個主要方面的問題。一次嚴重的大壩潰決事件，通常都是3方因素綜合作用的結果，此次美國密歇根州大壩潰決事故也充分證明了這一點。

4.1 氣象條件因素

造成伊登維爾大壩和桑福德大壩事故的重要外部因素之一是密歇根州提塔巴瓦西河流域的異常降水。據氣象資料顯示，2020年5月，熱帶風暴“亞瑟（Arthur）”在大西洋中部海岸登陸，熱帶潮濕氣流自東海岸向西進入密歇根，形成了一場覆蓋全州的強降雨過程。圖10為5月17～19日密歇根州下半島地區的降雨分布。據美國國家氣象局報道，5月17～19日，提塔巴瓦西河流域降雨量達100～180 mm。集中的強降雨導致水庫水位迅速上漲，水位逼近伊登維爾大壩壩頂，從而造成了對大壩安全的嚴重威脅。

圖10 密歇根州下半島地區2020年5月17～19日降雨分布

4.2 大壩結構因素

根據伊登維爾大壩的基本資料，大壩的壩型為土壩。從潰壩后的壩體斷面（見圖11～12）可判斷大壩壩型為均質土壩，壩體上游壩坡采用碎石護坡，下游壩坡為草皮護坡。

圖11 伊登維爾大壩的潰口

圖12 伊登維爾大壩的潰口

根據最初的網絡新聞報道，伊登維爾大壩的潰決是庫水漫頂所致。但從后續的大壩潰決過程視頻資料看，潰壩時水庫水位并未漫過壩頂。從圖13可以看出，大壩將潰時，壩頂上游側已經出現明顯的塌陷，下游壩坡較高處出現流水。壩頂上游側的塌陷可能是在高水位浸泡下，土體抗剪強度降低后導致的壩頂上游坡局部滑坡，但也可能是壩體滲透破壞通道形成后導致上游側滲流入口處的塌陷。

圖13 伊登維爾大壩潰決過程

圖14所示為伊登維爾大壩未潰時潰口附近壩體及溢洪道泄流情況，從大壩壩體下游坡大面積滲水外溢的情況看，壩體滲透破壞的可能性較大，同時，也可以判斷壩體的滲流浸潤線較高，壩身土體大部分處于飽和狀態。由圖14可見，溢洪道左邊墻外側的壩體已發生了滲透破壞。

圖14 伊登維爾大壩潰決前下游壩坡及溢洪道

大壩的最終潰決產生于壩身滑坡破壞，滑坡的過程表現出較典型的深層圓弧滑動模式，符合均質土壩壩身滑坡的基本破壞形式。導致壩體滑動破壞的主要原因包括上游高庫水位的荷載作用、壩體的滲透破壞、壩體滲流浸潤線較高、大壩土體抗剪切強度降低等。

總結以往大壩潰決失事的經驗可以看出，最終形成大壩潰決的破壞形式、破壞機理和觸發原因等并非某一單一因素，現實情況下，各因素之間通常都是相互關聯、相互復合的。在伊登維爾大壩潰決前，壩前的水位荷載、壩頂的塌陷和壩體的滲透破壞等要素相互作用，又相互推動加劇，最終導致大壩潰決。美國科學院出版的《現存大壩的安全性（評價與改進）》（《Safety of Existing Dams（Evaluation and Improvement）》）中指出：“潰壩往往并非發生于單一要素，而是復合的”“用傳統的漫頂、水流沖蝕、失穩滑動、滲流潛蝕和管涌等要素用以確定某壩的失事原因，通常是困難的、牽強的”。因此，在分析潰壩原因時，應將各類因素分為在某一破壞階段起主要作用，而最終的潰決則是多種因素復合作用的結果。

4.3 運行管理因素

伊登維爾大壩和桑福德大壩都是建于20世紀20年代的老壩，從大壩和水庫的運行管理上看，在其近100 a的運營期間，水庫產權幾經變遷。目前，水庫由私營企業博伊斯水電公司（BoyceHydro）管理。除這兩座水庫外，博伊斯水電公司還擁有該流域另外兩座水庫產權，均主要用于發電。

根據美國大壩安全管理的職責分工，美國聯邦能源管理委員會（FERC）負責監管主要功能為發電的水庫大壩的安全管理，并定期對水電站大壩進行安全評估。伊登維爾大壩的安全評估結果表明，大壩泄流能力不足，無法有效應對大規模洪水威脅。因此，2004年以來，FERC一直敦促博伊斯水電公司擴建溢洪設施，加強大壩保護。2012年，博伊斯水電公司提出了修改后的溢洪道改建方案，獲得了FERC批準，但由于業主無力負擔800萬美元的改建費用，更新改造工程一直未能實施。

2018年，在多次規勸無效情況下，FERC吊銷了伊登維爾大壩的發電許可證，并在文件中指出大壩存在的7個關鍵安全隱患，其中最重要的就是“大壩無法承載可能最大洪水（PMF）”以及“大壩可能無法在大洪水洪峰到來時及時泄洪”。

在FERC吊銷伊登維爾電站發電許可證后，密歇根州大湖能源環境部（EGLE）接受了博伊斯水電公司的管理請求（電站發電不并入聯邦電網），組織了對大壩的安全檢查，得出“大壩結構狀況良好”的結論，但同時也對大壩泄洪能力不足的問題表示了強烈的關注。2019年密歇根州指定四湖特別工作小組（Four Lakes Task Force）花費940萬美元（其中500萬美元來自密歇根州政府資金）購買了博伊斯水電公司名下的4座大壩，使這些大壩直接為密歇根州所有，但仍然由博伊斯水電公司管理。

根據美國1997年公共法案451的307部分（Part 307 of Public Act 451 of 1997）規定，博伊斯水電公司在提塔巴瓦西河流域的4座水庫受州法律管轄，允許州下屬縣政府調節水庫水位。在許可的條件下，水庫水位通常會在冬季下降，以防止冰的積聚對大壩造成破壞。但在2018年秋季和2019年，博伊斯水電公司與EGLE在降低水庫水位一事上產生了爭議，州總檢察長辦公室指控該公司在2次冬季水位下降期間危害了淡水貽貝的生存。

根據第307部分許可證的規定，水庫水位的降低通常從每年12月15日開始，冬季庫水位一般下降0.91 m。初春，當水溫達到3.9℃時，水庫水位逐漸恢復至夏季運行庫水位205.98 m。2020年4月9日，EGLE頒發了重新蓄滿水庫的許可，至4月15日，水庫水位以每天約20.32 cm的上升速度恢復到正常的夏季水位。到5月2日，水位僅比夏季庫水位低15.24 cm，有足夠的水深供大多數湖濱居民放置和正常使用吊艇架和碼頭。5月3日，水庫水位達到了夏季最高水位。

根據相關資料，在2020年早春時節，整個密歇根州的河道水位都達到歷史紀錄的最高值，而且最近連續幾年都有異常強勁的春雨。在這種情況下，仍將水庫水位提高的做法令人質疑。博伊斯水電公司在5月20日發表聲明稱，2020年春天提高水庫水位是在水庫沿岸居民和管理部門的壓力下進行的。而且，盡管EGLE大壩安全部門非常清楚，大壩的實際泄洪能力無法達到可能最大洪水標準的一半，仍向其發放了提高水庫蓄水位的許可證。

5 潰壩事故應急響應

從報道資料看，2020年5月19日，美國國家氣象局持續向提塔巴瓦西河流域發布洪水警報，敦促民眾撤離。潰壩發生后州政府立刻通過網絡、手機等渠道及時發布潰壩洪水信息。圖15所示為預先繪制的潰壩洪水風險圖，從圖中可以明確了解洪水淹沒的范圍。圖16為疏散避洪的線路圖。在疏散民眾的過程中，政府出動了國民警衛隊協助，進行挨家挨戶的檢查，確保了淹沒區居民及時、全部撤離。

6 啟示與思考

圖15 潰壩洪水風險

圖16 米德蘭市的應急疏散線路

（1）應密切關注異常氣象條件對大壩運行安全的影響。對于此次美國密歇根州2座大壩的潰壩事件，異常氣象條件所導致的強降雨是潰壩事故的重要外部因素。大壩的結構形式和泄水建筑物的設計通常都是根據歷史水文資料確定的，但隨著時間的推移和流域氣象條件的變化，尤其是在當前全球氣候變化的背景之下，水庫大壩所面臨的水文條件也會發生變化。為此，在大壩安全管理和大壩安全評估中，要特別關注設計洪水標準的變化，并及時復核工程的泄洪能力是否滿足現實的要求。在考慮氣候變化對大壩安全的影響時，一方面要考慮氣候變化引起的流域降雨和徑流變化，另一方面還要注意特殊氣象條件引發地質災害對大壩安全的影響。對于此次伊登維爾大壩潰壩事故，FERC的評估已經指出了大壩泄洪能力不足的問題，而且該流域近幾年都出現了春季降雨異常的現象，但大壩管理部門并未及時采取行動。

（2）通過優化工程設計和合理改造提高土壩安全性。此次密歇根州潰壩事故的兩座大壩均為土壩，在早期的潰壩事件統計中，土石壩發生事故最多。根據20世紀90年代國際大壩委員會（ICOLD）的統計，土石壩潰壩數量占各壩型統計的70%。但近年來，隨著土石壩筑壩技術的飛速發展，土石壩的安全性得到了極大地提升，我國長江、黃河、雅礱江、大渡河等大江大河上均建設了高土石壩工程。對于土石壩工程而言，造成其潰決失事的重要原因之一是漫頂破壞，鑒于此，現代土石壩工程的設計中一方面保留了一定的壩高余量，另一方面也特別強調通過多種泄洪形式的組合以保證土石壩泄洪的可靠性。對于建設年代較久的中小型土石壩，大部分都存在泄洪能力不足、泄洪形式單一的問題。對此，可以通過溢洪道擴容的方式提高大壩的泄流能力。同時，也可對小型土壩采用非常規保壩措施，利用碾壓混凝土（RCC）護面實現壩頂漫頂泄洪。20世紀80年代以來，美國已有幾十座小型土壩采用了這種處理方法，處理后的大壩運行情況良好。對于伊登維爾大壩，由于壩線較長，可選擇適當壩段設置RCC護面非常規溢洪道，從而以較低的投入實現大洪水情況下的保壩。

（3）加強大壩運行期的安全監管，注意安全隱患的及時處置。對于大壩安全保障，除了需要在設計和建設階段嚴格按照規范的要求，精心設計，確保施工質量外，大壩建成后運行期的安全監管也是大壩安全的重要組成部分。此次密歇根州2座大壩潰壩事故的最大教訓就是監管沒有落實到位。FERC在對大壩的安全評估中本已發現了大壩存在的安全問題，并吊銷了電站的發電許可。但水庫轉到州府管轄后，州政府管理單位的評價卻是“大壩結構良好”。雖然也指出了大壩泄流能力不足的問題，但卻未能督促切實整改。從這一事件的發展過程可以看出，對于大壩安全評價中發現的問題，不能僅僅停留在指出問題、完成評估報告，必須針對問題及時處理，并加強監管。對于伊登維爾大壩這種情況，如果業主無力投入資金擴建溢洪道，就一定要采取措施限制水庫水位，甚至放空水庫，絕不能讓大壩帶病運行。

從大壩安全管理的角度看，中小型水庫大壩和建設年代較久的老壩是當前大壩安全管理的短板，也是大壩安全事故的多發區。從國內外的普遍情況看，高壩大庫工程絕大部分都管理規范、維護資金充足、安全監測到位，總體安全狀況良好。而中小型水庫和老舊工程則較多存在管理和維護資金不到位的問題。因此，要有效改善大壩安全管理的總體狀況，必須切實加強中小型水庫和老舊工程的安全評估和監督管理。20世紀80年代前，由于筑壩技術、施工質量和安全管理中存在的諸多問題，我國曾出現過2次潰壩數量高峰期。近年來，國家投入大量資金進行了大規模的病險水庫除險加固（其中絕大部分是中小型和老舊工程），使我國的大壩安全面貌得到了徹底改變，進入了世界低潰壩率國家行列。

（4）完善大壩安全事故應急處置機制，盡力減小事故損失。在大壩安全管理中，除關注水庫大壩自身結構安全外，對于大壩安全事故的應急響應也是大壩安全綜合保障中需要特別關注的問題。雖然此次密歇根州潰壩事件造成了大量的房屋、財產淹沒損失，但由于政府管理部門及時應對，措施得當，截至2020年5月27日尚無洪水造成人員傷亡的報道。美國密歇根州政府在洪水應急處置方面的做法值得借鑒。

7 結語

水庫是促進人類社會進步和國民經濟發展的重要基礎設施。近年來，隨著全球經濟的快速增長和人類社會發展的持續繁榮，水庫大壩的安全與公共安全的相關性也越來越密切。保障水庫大壩安全已成為工程建設和管理中最為重要的問題，應引起各級政府管理部門和社會公眾的高度重視。

就目前全球大壩安全的總體形勢而言，一方面，自20世紀初以來，大壩工程的設計、施工和管理技術迅速發展，大壩的安全性日益增強。20世紀初，水庫大壩的潰壩率為4%～10%，到21世紀初，這一數值已降至0.2%。近年來，國際大壩委員會提出了“為了更美好的世界建設更好的大壩（Better Dam for Better World）”的口號，將大壩安全和大壩的環境友好置于大壩建設的優先地位。2019年，國際大壩委員會發布了“大壩安全世界宣言（World Declaration on Dam Safety）”，將消除潰壩作為全球大壩工程界的最高奮斗目標。另一方面，全球大壩安全面臨著氣候變化加劇、自然災害頻發、已建工程老化、大壩產權多樣化，以及復雜地形和地質條件下高壩大庫建設等前所未有的嚴峻挑戰。此次美國密歇根州2座大壩潰壩事件，又一次給大壩安全監管工作敲響了警鐘。大壩安全管理是一項十分細致的工作，必須高度重視，不可有絲毫疏忽。

（文章圖片和部分內容綜合自維基百科、華盛頓郵報、底特律新聞、CNN、BBC、ABC等網站）