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奧洛維爾土石壩溢洪道破壞事件概況

1. 工程概況

奧洛維爾水利樞紐位于加利福尼亞州羽毛河上游、奧洛維爾市東部，由加州政府主持修建，于1968年建成投產(chǎn)。攔河大壩為心墻堆石壩，最大壩高234.7m，壩軸線長2109m，是美國最高的大壩。水庫（即奧洛維爾湖）庫容44億m3，樞紐主要用于灌溉、防洪，兼有發(fā)電功能。

圖1 奧洛維爾大壩布置圖

圖2 主溢洪道（右側(cè)）和非常溢洪道（左）


如圖1所示，溢洪道布置于大壩右岸山體上。如圖2所示，靠近壩體一側(cè)的為主溢洪道，遠(yuǎn)離壩體的為非常溢洪道。主溢洪道采用正槽式，由進(jìn)水渠段、控制堰段、泄槽段、消能段等組成，控制堰上設(shè)有閘門。非常溢洪道上部控制堰段為混凝土結(jié)構(gòu)，下游為巖土質(zhì)山體。

2005年10月17日，三個環(huán)保組織曾向聯(lián)邦能源立法委員會（Federal Energy Regulatory Commission）發(fā)起動議，敦促聯(lián)邦政府對大壩的緊急溢洪道進(jìn)行改造。動議指出，巖土質(zhì)未襯砌泄槽不符合現(xiàn)行安全標(biāo)準(zhǔn)，因而應(yīng)修建混凝土溢洪道；在極端降雨或洪水的情況下，主溢洪道將無法應(yīng)對快速上漲的水位，此時水流將從非常溢洪道下泄，導(dǎo)致非常溢洪道的嚴(yán)重侵蝕，危及下游居民安全。但是，聯(lián)邦能源立法委員會和負(fù)責(zé)對改造出資的水資源部門稱上述改造并無必要，導(dǎo)致動議被擱置。

圖3奧洛維爾大壩結(jié)構(gòu)示意圖



2. 2017年溢洪道破壞事件

 

2.1 主溢洪道的初步破壞

當(dāng)?shù)貢r間2017年2月7日（以下均為當(dāng)?shù)貢r間），經(jīng)歷了一場強降雨后，隨著泄量達(dá)1400 m3/s的洪水下泄，主溢洪道泄槽出現(xiàn)沖刷破壞。但迫于奧洛維爾庫水位持續(xù)上漲，運行單位不得不繼續(xù)使用破損的溢洪道泄流，這使得破壞進(jìn)一步擴大。

圖4主溢洪道的初期破壞情況


截至2月10日，主溢洪道上的沖刷破壞區(qū)域已經(jīng)增長到91.4m寬，152.4m長，13.7m深（如圖4所示）。同時，主洪道泄槽沖刷區(qū)的混凝土和巖塊被帶到下游，導(dǎo)致下游羽毛河漁場（Feather River Fish Hatchery）遭到破壞。

（a）主溢洪道沖刷破損的發(fā)展：2月7日至2月10日

（b）破損處尺寸

圖5 主溢洪道的初期破壞情況


雖然工程師們曾希望只使用破損的主溢洪道達(dá)到控制奧洛維爾水庫水位的要求，從而避免啟用非常溢洪道，但考慮到泄洪可能對主溢洪道泄槽結(jié)構(gòu)造成更大的損害，運行單位不得不將下泄流量從1800 m3/s降低至1600 m3/s。


 

2.2 非常溢洪道的啟用

圖6 泄洪中的主溢洪道（2017年2月11日）


2月11日早晨8時左右，非常溢洪道開始泄流（如圖6），這是該壩自1968年建成以來非常溢洪道首次被使用。由于溢洪道和主壩是相對獨立的結(jié)構(gòu)，且非常溢洪道頂高程低于壩頂高程，一旦庫水位上升至非常溢洪道頂部，即會從非常溢洪道下泄。因此，當(dāng)局稱主壩并沒有發(fā)生破壞的危險，目前還不需要考慮主壩破壞對公共安全的威脅。運行單位稱，根據(jù)設(shè)計，水流會從非常溢洪道上部的混凝土溢流堰下泄至下游的巖土質(zhì)山體，設(shè)計允許下泄流量可達(dá)360 m3/s。

圖7 水位超過非常溢洪道頂部（2017年2月11日）


當(dāng)?shù)貢r間2月12日，由于預(yù)測非常洪道可能發(fā)生破壞，當(dāng)局下令位于羽毛盆地（Feather River Basin）的Butte、 Yuba 和Sutter郡的居民撤離。此時，非常溢洪道下游山體的沖蝕已逐步向上部混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)展，而非常溢洪道上部的混凝土結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生破壞，會導(dǎo)致最高9.1m的庫水從缺口處下泄。而為減緩非常溢洪道的沖蝕，主溢洪道的下泄流量已增大至2800 m3/s。

圖8 非常溢洪道下游沖蝕情況


截至2月12日晚上8時，水位已被成功降低至非常溢洪道頂高程以下，從而使非常溢洪道停止泄流。泄洪停止后，對沖蝕部位進(jìn)行了快速的檢查（如圖8所示），并用大塊石進(jìn)行了臨時加固。值得注意的是，工程師們對主溢洪道情況仍表示擔(dān)憂——主溢洪道的損壞一旦持續(xù)向上部發(fā)展將危急控制段安全，就會導(dǎo)致沒有任何安全的泄洪途徑可用；此外，主溢洪道將來的修復(fù)也更加昂貴。由于泄槽仍在泄洪，主溢洪道的破壞程度目前仍未可知；預(yù)計將在13日早晨進(jìn)行估算。

2月13日，直升機開始向非常溢洪道拋投沙袋和大石塊。截至該日，18.8萬人口已從當(dāng)?shù)爻冯x，而緊急撤離命令尚未被取消。此外，2.3萬名士兵被要求隨時準(zhǔn)備“一旦發(fā)生溢洪道垮塌，立即投入救援”。


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