溃坝模拟、洪水淹没图和后果分析

崔弘毅，周克发编译

（1.国家能源局大坝安全监察中心，浙江杭州，310014；2.水利部大坝安全管理中心，江苏南京，210029）

阿美科集团（AMEC plc）是为全球的石油天然气、矿冶、清洁能源和基础设施行业客户提供顶级项目管理和资产运营支持服务的国际性公司，总部位于英国伦敦，是伦敦证交所上市公司，年营业额度超过42亿英镑。公司办公室遍及全球40多个国家及地区，拥有29000多名员工。

在水利水电方面，为了满足全球的供水、采矿、休闲娱乐、水力发电和防洪需求，阿美科公司设计并建造堤坝的历史已超过了50年。其参与过的大坝和挡水设施项目小到小型土石堤，大到数百英尺高的获奖碾压混凝土坝。

阿美科公司提供范围广泛的综合服务，从项目规划、现场研究到项目核准、地质和岩土工程调查、水利研究、设计、施工管理和测试以及仪器相关工作。施工之后，阿美科小组会进行大坝安全评估、仪器监控并制定应急预案。

阿美科公司最近为美国陆军工程兵团（US Ar⁃my Corps of Engineers，USACE）和太平洋煤电公司（Pacific Gas and Electric，PG&E）服务的两个项目充分展示了其雄厚的实力。

1 溃坝模拟、洪水淹没图和后果分析

自2008年以来，阿美科公司协助美国陆军工程兵团对其所属和维护的大坝进行全国范围内的溃坝模拟、洪水淹没图制作和后果分析工作，以评估与大坝相关的风险。美国陆军工程兵团国土安全办公室（USACE Office of Homeland Security）的任务是制作全美其下约600座大坝的溃坝洪水淹没图。该项目为美国陆军工程兵团领导的维克斯堡地区的国家关键基础设施保护和恢复小组提供支持。多年努力的目标是坚持衡量与全国大坝和堤防相关的风险，同时协助在当地区域降低风险。包括后果评估信息（如生命损失、经济影响、风险人口）等主要可交付成果都被应用到了最新的数字应急预案中。

阿美科公司协助美国陆军工程兵团确定基线洪水淹没图制作、溃坝模拟和确定后果的程序，以评估溃坝和淹没风险。该项任务包括文档、数字地图、数据库格式、最大可能洪水和天晴条件下的淹没模拟程序、洪水影响分析的标准化，考虑到现代洪水淹没图格式，任务还包括修订RD-13中与应急预案制定相关的内容。

项目初始阶段制定的程序结合了美国陆军工程兵团现有的资料，以形成最初的标准操作程序文件（StandardOperatingProceduresDocument，SOP）。修订后的标准操作程序文件概述了溃坝模拟、洪水淹没图和后果估计程序，同时还修订了美国工程兵团应急预案导则方面的内容，名为RD-13，以适应修订后的“溃坝模拟、洪水淹没图和后果分析”项目中的制图和数据。变化不仅涉及到具体的制图要素，还包括与制图结果关联的规划元素。

通过采用整体方法来评估与工程兵团所拥有的大坝和堤防有关的风险，美国陆军工程兵团对该项目提供了强有力的领导和帮助。例如，美国陆军工程兵团和阿美科公司并非对所有低水头航运坝都进行建模模拟，而是开发了一个筛选程序，消除了满足某些特定条件时为某些低水头大坝开发水力模型的需求。“溃坝模拟、洪水淹没图和后果分析”项目的另一个极有价值的成果是改进过的可能最大降水（Probable Maximum Precipitation，PMP）工具。这一新的基于地理信息系统的工具仍然依赖于混合多区域方法，但可通过用户界面自动处理，大量减少了发现可能最大降水的工作量。

阿美科公司的参与使项目极具活力，并几乎与美国陆军工程兵团的每个地区和部门都有互动交流。这些模拟和制图工作的产品包括交付给美国陆军工程兵团国土安全办公室的数据和文档成果以及交付给大坝运营单位用于制定应急预案的数据和纸质地图。对这些被模拟大坝进行的标准化占据了大部分工作量，并使整个资产组合过程中对大坝失事相关风险进行计算成为可能。

2 太平洋煤电公司所属白鹤谷大坝的抗震加固

白鹤谷大坝为一坝高44 m的土石坝，建于1900年代早期。大坝和水库位于加利福尼亚马德拉县柳溪河的北部支流、内华达山脉山脚，归太平洋煤电公司加利福尼亚旧金山分公司所有并运营。

2004年，为适应抗震稳定分析实践中的变化，以及针对自上次评估后未来近25年时间内本地地震风险增大的情况，太平洋煤电公司启动了大坝抗震稳定重新评估项目。

阿美科公司提供设计和工程分析、大坝加固设计和施工期间的技术分析。

阿美科公司对大坝的设计和工程分析工作包括地震动设计、现场调查、实验室试验和选择在稳定分析中使用的材料动态和静态特性。

为评估潜在液化问题，阿美科公司采用了现代、实践中运用的程序，对坝址处地震稳定评估，阿美科公司更新了地震动工作。通过使用动态有限元方法来分析大坝典型断面，阿美科公司评估了土石坝内部由地震引发的加速度和应力。阿美科公司还利用最近和之前现场调查取得的标准贯入度测试结果，评估了土石坝材料的周期强度。

2005年和2006年进行的地震稳定分析结果表明，若坝址处发生地震，则大坝的水力吹填土石堤段在地震中和地震后将发生液化和大变形。变形量会非常大，在当前正常最高运行水位时，很可能会引发失控性的水库泄洪。相应地，结论就是为增强大坝的抗震稳定性和改进大坝性态，需对大坝进行除险加固。

阿美科公司是在册的大坝土石堤抗震加固的设计工程师，设计工作包括在大坝上游坡和下游坡新建块石支墩、改进内部排水、将坝顶加高约1.5 m和设置新的渗透监测仪器。

加利福尼亚水资源部大坝安全处和联邦能源管理委员会对阿美科公司的稳定评估和加固设计进行了复核并接受其方案。大坝的加固施工于2010年10月开工，并于2012年11月完工。

白鹤谷大坝地处环境敏感区域，是许多鱼类和其他水生动物、陆生动物的栖息地，同时也是许多湿地和河岸所在地。为减小对这些环境和生物的潜在影响，制定了恢复措施和方法以限制工程的人为痕迹。

由于工程坝址处森林茂密、地形陡峭、多岩石且地处偏远，因此需要采用灵活的设计方案来适应有限的可获取的次表层信息和应对施工中可能遭遇到的设计假设与坝基条件存在差异的风险。

巴斯湖是一个非常受欢迎的度假胜地，当地经济极度依靠该湖的娱乐休闲收益。该湖同样也是附近社区的市政供水源。水库运营同时受以上这些因素、发电目标、环境要求、和下游水资源使用者间的协议等方面的影响。因此，需要坚守富有挑战性的湖水位方案，以保证后续运行的安全水位。

为避免干扰当地居民和游客并降低运输成本、减少对环境的影响，设计加固方案使用现场资源并限制需要外运处理的废旧材料量。

鉴于公众安全和需要保护关键水电和防洪基础设施不受地震损害等事宜，太平洋煤电公司制定了一年期设计和施工计划。

虽然工程施工过程中遇到了独特的物理和环境挑战，但阿美科公司与加利福尼亚水资源部大坝安全处、联邦能源管理委员会及太平洋煤电公司通力合作，最终按时完成。

抗震加固工程完工之后，现在的白鹤谷大坝达到了当前加州和联邦颁布的与大坝抗震性态相关的大坝安全标准要求。

图1 加固前的白鹤谷大坝（图片来自于太平洋煤电公司）Fig.1 Crane Valley Dam prior to remediation（Photo courtesy of Pacific Gas and Electric Company）

图2 疏浚和在上游坡新建支墩（图片来自西Keiwit基础设施公司）Fig.2 Dredging and buttressing the upstream slope（Photo courtesy of Keiwit Infrastructure West）

图3 下游坡的土石支墩（图片来自西Keiwit基础设施公司）Fig.3 Rockfill buttresses of the downstream slope（Photo cour⁃tesy of Keiwit Infrastructure West）

图4 白鹤谷大坝抗震加固工程于2012年12月完工（图片来自马克巴斯湖度假租赁公司的马克·索贝尔）Fig.4 Completed Crane Valley Dam seismic retrofit project in December 2012（Photo Courtesy of Marc Sobel，of Marc’s Bass Lake Vacation Rentals）

“阿美科公司与客户的长期合作关系、其雇员与监管机构的成功互动都是能按时完成该抗震加固项目的关键因素。”阿美科公司该项目的项目经理Faiz Makdisi说。

3 基于风险的实践

“大坝安全正逐渐发展为基于风险的实践活动，其关注焦点已从工程模型转移到降低与水资源资产相关的风险上来。这是令人非常兴奋的工作，可以将阿美科公司信息管理和在水利领域的专业技能融合进来以评估、交流和减轻国内最大大坝的溃坝后果。”阿美科公司“溃坝模拟、洪水淹没图和后果分析”项目的项目经理Jeff Albee说。

关于未来的关注焦点，联邦层面上也对此有规划。未来的关注焦点是与气候变化相关的风暴事件的发生频率和持续时间。不仅仅着眼于具体的单个坝，业主和运营者需开始计划应对流域层面上的极端降雨事件并将大坝作为一个系统加以运营来降低洪水风险。■

[1]Jeffrey M.Albee.Modeling,mapping and consequences[N/OL].Water Power&Dam Construction,[2013-12-13].http://www.waterpowermagazine.com/features/featuremodelingmapping-and-consequences-4146017/.