美国奥洛维尔水库溢洪道泄槽破坏事件简介及初步分析

张秀丽，沈海尧，郑子祥，聂广明，杨 鸽

（国家能源局大坝安全监察中心，浙江杭州，311122）

美国奥洛维尔水库溢洪道泄槽破坏事件简介及初步分析

张秀丽，沈海尧，郑子祥，聂广明，杨 鸽

（国家能源局大坝安全监察中心，浙江杭州，311122）

2017年2月7日，美国奥洛维尔水库主溢洪道泄槽局部发生破损，此后事态逐步升级，最终导致下游18.8万人紧急撤离。主溢洪道地质条件较差、结构较薄弱、混凝土材料强度偏低，加之日常检查维护工作不到位，导致了破损的发生和快速发展。而应急调度失误致使非常溢洪道被动启用，进而导致其过流区山体严重冲刷、危及混凝土溢流堰稳定性，直接迫使大规模人口撤离。

奥洛维尔大坝；溢洪道；泄槽破坏；应急调度；强制撤离

0 引言

2017年2月7日，美国奥洛维尔（Oroville）水库主溢洪道泄槽局部发生破坏，之后5 d内事态迅速升级，最终导致18.8万人紧急撤离，造成很大的社会影响和国际影响。笔者在介绍事件经过的基础上，初步分析事件原因，探讨暴露出的问题，总结该事件对我国大坝安全管理的启示。

1 工程概况

奥洛维尔水库位于加利福尼亚州北部菲泽河（Feather River）上游、奥洛维尔市东部，于1968年建成投产。水库库容44亿m3，正常蓄水位为900 ft，主要用于防洪、灌溉，兼有发电功能[1]。水库设计洪水重现期为450年，对应最大入库流量12 320 m3/s；校核洪水重现期为10 000年，对应最大入库流量为20 160 m3/s。汛期为11月至次年3月，汛限水位为850ft（丰水年）至875 ft（枯水年）。拦河大坝为心墙堆石坝，最大坝高234.7 m，坝轴线长2 109 m，是美国最高的大坝。

此次发生破坏的溢洪道布置于大坝右岸山体上，如图1所示，靠近坝体一侧的为主溢洪道，远离坝体的为非常溢洪道。主溢洪道采用正槽式布置，由进水渠段、控制段、泄槽段、消能段组成，控制段设有8扇弧形闸门。泄槽宽54.5 m，长930 m；865 ft高程以上混凝土28 d抗压强度约为20 MPa，865 ft高程以下混凝土抗压强度约为27 MPa。泄槽底板最小厚度为38 cm，采用灌浆锚杆锚固于地基上；泄槽底板下布设有排水网管，排水管直径约15 cm。施工过程中对溢洪道地基进行了清基和开挖[2]。

非常溢洪道控制段为开敞式混凝土堰，堰顶高程901 ft；靠近大坝一侧为实用堰，总长283.5 m，高15.24 m；远离大坝一侧为宽顶堰，总长244 m。下游为自然山坡，未进行开挖和衬护。

奥洛维尔大坝由加州政府投资修建，加州水资源部门（Departmentof Water Resources，DWR）负责运行管理，联邦能源监管委员会（Federal Energy Regulatory Commission，FERC）负责监管。

图1 奥洛维尔大坝布置图Fig.1 Aerialview of Oroville dam and lake Oroville

2 事件过程

水库满蓄：奥洛维尔坝所在地区近5年极为干旱，各水库都急于蓄水。而随着2016年12月以来的多场暴雨以及雪水融化，2017年1月中旬起，奥洛维尔水库水位一直保值在850 ft左右，即防汛调度要求的汛限水位[3]（如图2所示）。而据当时预报，2月中旬该地区还将发生多次强降雨。

图2 奥洛维尔水库水位及出入库流量过程线[4]Fig.2 Reservoir elevation,inflow and outflow of lake Oroville

主溢洪道初期破坏：2月2～4日，奥洛维尔水库入库流量又有增加。为确保库水位低于汛限水位，主溢洪道泄洪流量有所增大，至2月6日达到1 096 m3/s。2月7日，发现主溢洪道混凝土泄槽出现冲刷破坏[5]，破坏位置距挑坎约300 m，距控制段约600 m（见图3）。2月8日，主溢洪道泄洪流量降低至330 m3/s。

主溢洪道破坏发展：由于2月7日起水库入库流量持续增大，最大入库流量达到4 500 m3/s，水库水位快速攀升，主溢洪道下泄流量在经过2月8日的短暂降低后不得不再次增大。2月10日，主溢洪道泄洪量增大至1 717 m3/s。泄槽冲刷破坏区域发展到91.4 m宽、152.4 m长、13.7 m深[6]（见图4）。而受到前一日大量来水的影响，库水位升高至899.4 ft，逼近非常溢洪道堰顶。

图3 主溢洪道的初期破坏情况Fig.3 Initialdamage of main spillway

图4 主溢洪道破坏情况的发展：2月7～10日Fig.4 Development of damage of main spillway,February 7 to 10,2017

非常溢洪道的启用：2月10日晚至11日，为了避免大流量泄洪对主溢洪道泄槽的进一步破坏，主溢洪道下泄流量降低至约1 600 m3/s。而库水位持续上涨，至11日早晨8时左右，库水位超过非常溢洪道堰顶高程，非常溢洪道开始泄洪（见图5），最大下泄流量360 m3/s[5]。这是工程投运以来非常溢洪道首次参与泄洪。非常溢洪道下游山体冲刷情况恶化：2月12

日，非常溢洪道下游山体的冲刷逐步向混凝土控制段地基发展（如图6所示），而该结构一旦破坏，将导致15 m深的库水无控制地下泄。因此，加州政府发布强制撤离令，要求位于菲泽河盆地的比尤特（Butte）、萨特（Sutter）和尤巴（Yuba）县的居民紧急撤离。为减缓非常溢洪道的冲刷，主溢洪道的下泄流量增大至2 800 m3/s[5]。

图5 非常溢洪道泄洪（2017年2月11日）Fig.5 Water overflowing into the emergency spillway,February 11,2017

非常溢洪道停止泄洪：2月12日晚上8时，库水位降至非常溢洪道堰顶以下，非常溢洪道停止泄洪（如图7所示）[7]。随后对冲刷部位进行快速检查，并用大块石进行临时回填。

非常溢洪道抢修，主溢洪道持续泄洪：2月13日起，开始对非常溢洪道进行紧急修复，采取的措施包括直升机抛投沙袋、石块，混凝土砂浆加固等[5]。主溢洪道则仍持续泄洪，如图8所示，主溢洪道中下部位的左边墙已经冲毁，水流从泄槽左侧分流并冲刷山体；2月13～16日下泄流量保持在2 800 m3/s左右，17日降低至2 100 m3/s，此后至24日，下泄流量保持在1 500～1 700 m3/s之间[4]（见图9）。

3 相关部门的应急响应

3.1 大坝业主

加州政府是政府管理部门也是大坝业主，加州水资源部门代表加州政府对奥洛维尔大坝进行运行管理，相当于大坝的运行单位。本次事件中，其主要承担与工程相关的应急工作，包括水库的运行调度以及组织非常溢洪道的紧急修复工作。此外，直接参与紧急修复工作的单位还包括加州消防部门以及比尤特县政府、警务部门和消防部门。

图6 非常溢洪道泄洪情况（2017年2月12日）Fig.6 Water overflowing into the emergency spillway,February 12,2017

图7 非常溢洪道下游冲刷情况（2017年2月12日）Fig.7 Erosion of emergency spillway,February 12,2017

图8 2月12日主溢洪道泄洪状况Fig.8 Aerialview of main spillway on February 12,2017

2月13日，由于非常溢洪道已停止泄洪，施工人员开始采用直升机向非常溢洪道冲刷部位抛投石块和沙袋。2月15日，继续对非常溢洪道进行修复：125人24 h不间断轮班工作，采用直升机和重型机械以1 200 t/h的施工强度向溢洪道抛填材料。2月16日，开始对主溢洪道下游河道消力区中的块石进行清理。2月17日，开始采用块石和混凝土砂浆对非常溢洪道下游进行修复和回填。截至2月24日，抢修工作仍在继续[7]。

3.2 地方政府

加州地方政府主要承担了这次事件的公共应急工作，包括向社会发布相关信息、组织撤离以及提供应急服务等。

2月12日，加州应急服务办公室（California Governor's Office of Emergency Services）启动了位于萨克拉门托市（Sacramento）的加州行动中心（State Operations Center）应对奥洛维尔水库溢洪道事件。同日，由于预测非常溢洪道可能发生破坏，州政府发布了紧急强制撤离命令。加州州长发布了全州应急命令以协助调配应急资源并帮助当地居民撤离。州应急服务办公室和红十字会联合在萨克拉门托、奇科（Chico）等地设立了紧急庇护所，向撤离的当地居民提供食物、住宿等必需服务[5]。

2月13日，18.8万居民已从当地撤离，2.3万名士兵待命——“一旦发生非常溢洪道垮塌，立即投入救援”。2月14日，比尤特县警务部门将强制撤离命令降级为警告，允许当地居民恢复正常活动。2月21日，尤巴县强制撤离命令撤销。2月23日，州长办公室向外发布消息称奥洛维尔水库溢洪道状况已稳定[5]。

3.3 联邦应急管理部门

联邦应急管理署（Federal Emergency Manage⁃ment Agency，FEMA）调动全美资源向加州政府提供物资和技术支持。

2月14日，特朗普总统签署FEMA提交的向加州政府提供联邦紧急援助的提案。此后，FEMA在加州应急服务办公室和水资源部门部署了联络人，并向加州应急服务办公室派出了由专业技术人员和计划决策专家组成的事故管理协助小组。此外，FEMA还与红十字会联合帮助加州政府在全国范围内筹备应急物资[8]。

3.4 大坝监管部门

联邦能源监管委员会在应急工作中履行了针对工程的监督管理职责。

2月13日，FERC的大坝安全和检查委员会向加州水资源部发文，要求立即开始制定应急修复方案、尽快成立独立咨询组和事故调查组；此外，还对修复方案的主要内容、事件分析取证工作做了具体要求，并强调技术咨询和司法取证分析必须由完全独立的第三方机构完成。2月14日，FERC宣布已派遣工作组到达现场。2月21日，FERC再次发函要求3月15日之前成立事故调查组，确定司法取证分析的带头人，提出具体的计划和时间表，并尽快执行[9]。

4 事件原因初步分析

此次事件中，主溢洪道底板冲刷破坏是后续一系列问题的起点，而应急调度失当导致非常溢洪道在非设计工况下被动启用，则是18.8万人口撤离的直接原因。通过分析工程设计资料、近年安全检查报告以及本次事件过程，初步探讨事件发生及发展的原因。

4.1 主溢洪道破坏原因

首先，如图2所示，2月7日之前，主溢洪道泄洪的最大流量为1 096m3/s，远小于其设计泄流量4 200 m3/s[1,2]。因此，主溢洪道并不存在结构超设计荷载工作的情况，其破坏原因为内因。

如前文所述，主溢洪道泄槽865 ft高程以上混凝土的抗压强度约为20 MPa，865 ft高程以下约为27 MPa[2]。结合其平面布置图可知，在靠近控制段的100 m左右范围内混凝土强度为20 MPa，其后的泄槽的混凝土强度都仅为27 MPa。相对于单宽流量近100 m3/s、设计最大流速达47 m/s，混凝土结构材料强度和抗冲能力偏低，一旦混凝土底板表面有裂缝或不平整，在高速水流作用下极易发生冲刷破坏。同时，泄槽结构也较为单薄，底板最小厚度仅为38 cm[2]。而从图10所示的现场照片来看，底板下地质条件较差，岩石相对破碎。上述三方面因素综合作用使得底板在高速水流脉动作用下更容易发生破损。

而在地质条件较差、岩石破碎的情况下，一旦混凝土底板发生破坏，高速水流从破坏处窜入、带走松散的岩块，就会使底板失去支撑、受力情况恶化，导致底板破坏进一步发展。而失去底板保护后的岩块更容易被水流淘空，从而导致更大范围的底板失去支撑。如此恶性循环，底板破坏迅速恶化。

图10 主溢洪道泄槽地质条件较差Fig.10 Relatively poor geology condition

4.2 非常溢洪道破坏原因

如前文所述，除控制段为混凝土堰以外，非常溢洪道用于过流的区域事实上只是未经开挖衬护的天然山体。非常溢洪道泄流过程中，如果水流对山体的冲刷过于严重，导致混凝土堰趾处的山体被淘空，混凝土堰就会发生倾覆。此时，约15 m高的库水（约8.9亿m3）就会无控制地一泄而下。

从图7所示的泄洪后的山坡情况看，混凝土堰下游山坡表层风化严重，特别靠近左侧公路部位水流汇集，山坡被冲蚀下切形成空洞，确实已经严重威胁首部混凝土堰安全。正是因为这一情况，加州政府发布了强制人员撤离令。

4.3 紧急撤离原因

由前文分析可知，如果非常溢洪道未泄洪，就不会导致之后的紧急撤离事件。而根据水库水情以及结构设计情况，如果调度合理，此次事件中非常溢洪道并不需要泄洪。

首先，主溢洪道设计泄流量4 200 m3/s，而如图2所示，在2月11日之前，主溢洪道实际最大下泄流量仅为1 717 m3/s，远小于其设计泄量。同时，虽然主溢洪道泄槽发生了破坏，但破坏位置距离控制段至少600 m之远，且破坏发展方向也为远离控制段，所以，即使主溢洪道破坏进一步恶化，仍可以保证库水有控制的下泄。

因此，如果主溢洪道保持较大的下泄流量，避免库水位抬升至非常溢洪道堰顶以上，很可能可以避免此次的紧急撤离事件。

5 暴露的问题

此次奥洛维尔水库溢洪道破坏事件目前虽然已经得到了控制，且并未造成人员伤亡，但仍然带来了比较恶劣的社会影响——下游18.8万居民的紧急撤离、渔场遭到破坏并停产，经济损失超过1亿美元。而此次事件也暴露出美国大坝建设和安全管理中的一些问题。

首先，奥洛维尔水库溢洪道存在设计缺陷，有本质安全隐患。主溢洪道泄槽结构单薄、混凝土强度低以及泄槽底板地基的地质条件差、地基处理不到位直接导致了其破坏事件的发生和快速发展。非常溢洪道过流区地质条件差以及混凝土堰趾附近缺少必要的防冲措施，造成了其在较低的泄流量下就发生了严重的冲蚀，出现险情。

其次，运行单位应急调度失当，技术决策能力差。主溢洪道的设计泄流量为4 200 m3/s，对应设计洪水重现期450年、入库峰值流量12 320 m3/s。而此次事件中，最大入库流量仅为4 400 m3/s，主溢洪道2月11日之前最大下泄流量仅为1 717 m3/s。非常溢洪道在非设计工况下被启用，并在泄洪过程中出现了严重冲刷，直接导致了本次大规模紧急撤离。

同时，业主大坝安全管理主体责任不落实，维护检查不到位，安全投入不足。奥洛维尔水库主溢洪道泄槽曾出现多次破坏，大约每十年就需要进行一次维修，最近一次维修于2013年进行。而据多家主流媒体称，此次主溢洪道初始破坏位置恰好为2013年修补处。2013年以后，业主虽然每半年都会进行一次安全检查，但都没有发现安全隐患，而检查报告中直言“只在较远处对泄槽进行了观察，未走近检查”、“（泄槽）肉眼看起来没问题”[10,11]。而对于非常溢洪道，2005年环保组织曾向联邦能源管理委员会发起动议，敦促其下令将奥洛维尔水库的非常溢洪道泄槽改造为混凝土结构。动议指出，“非常溢洪道的岩土质未衬砌泄槽不符合现行规范要求……洪水从非常溢洪道下泄时，会导致非常溢洪道的严重侵蚀，从而危及下游居民安全[12]。”这一动议最终以“并无必要”为由被搁置，然而，美国多个媒体指出“没有组织愿意承担高达百万美元的费用才是改造工程被搁置的真正原因”[13,14]。

最后，联邦能源监管委员会未能对主溢洪道的维修以及工程的日常检查工作进行有效监管，也未能推进非常溢洪道的改造工作，因此存在监管不到位问题。

6 对我国大坝安全管理的启示

建国以来，我国建坝技术快速发展，大坝安全监管制度不断健全，虽然未出现类似奥洛维尔大坝这样大规模的工程险情，但仍不能盲目乐观，应从此次事件中吸取教训，查找监督管理中的短板，防患于未然。这次事件为我国大坝安全管理工作带来了一些启示。

首先，所有参与大坝设计、建设、运行、管理及监管的单位和个人都应时刻谨记大坝运行安全事关公众生命和财产安全，不能有丝毫的懈怠。

为确保大坝本质安全，大坝业主应加强大坝全生命周期安全管理，建设期组织精心设计，精心施工，打造优质工程；运行期认真做好日常检查、维护消缺等大坝运行管理基础工作，保证安全经费投入，及时除险加固，消除隐患。工作中应高度重视泄洪消能设施安全，必须严格按照汛期调度计划科学调度水库，坚决杜绝为提高发电量无视防洪调度方案的行为。要重视大坝安全应急管理，制订切实可行的应急预案，杜绝忙中出乱出险。

监管单位应采用注册、定检、监测管理等多种技术监督手段切实做好技术监督管理工作，并应积极运用互联网等先进技术加强大坝远程在线技术监督和信息共享，不断提高监督管理水平以及应急决策能力。

大坝安全法规是行业管理的依据，《水库大坝安全管理条例》颁发于1991年，很多情况已经发生巨大变化，其内容和要求已不适应当今形势，建议国家尽快修订。同时，电力行业也应尽快健全完善《水电站大坝运行安全监督管理规定》的配套规范性文件体系，特别是与应急安全相关的《水电站大坝应急管理办法》、《水电站大坝应急预案编制技术标准》，明确各方职责以及管理和技术要求，提高应急能力和水平。 ■

[1]State of California Department of Water Resources.Oro⁃ville Facilities——FERC Project No.2100[R].2005.

[2]N.B.Livermore,R.Reagan,J.R.Teerink.Volume III:Stor⁃age Facilities[R].California Department of Water Resourc⁃es.1974.

[3]P.Wilson,D.P.Wheeler,D.N.Kennedy.Bulletin 160-98: The California Water Plan Update[R].California Depart⁃mentof Water Resources.1998.

[4]Department of Water Resources,California Data Exchange Center.Oroville Dam[DB/OL].2017-02-24.http://cdec.wa⁃ter.ca.gov/cgi-progs/queryDaily?ORO.

[5]California Governor's Office of Emergency Services.Oro⁃ville Spillway Incident Resource Page[DB/OL].2017-02-24.http://www.caloes.ca.gov/ICESite/Pages/Oroville-Spill⁃way-Incident.aspx.

[6]D.Kasler,R.Sabalow,P.Reese.Crater in Oroville Dam Spillway Will Continue to Grow,Officials Warn,as Reser⁃voir Levels Climb[N].Sacramento Bee.2017.

[7]California Department of Water Resources.Oroville Spill⁃way Incident[DB/OL].2017-02-24.http://www.water.ca. gov/oroville-spillway/index.cfm.

[8]Federal Emergency Management Agency.California Poten⁃tial Failure of the Emergency Spillway at Lake Oroville Dam(EM-3381)[DB/OL].2017-02-24.https://www.fema. gov/disaster/3381.

[9]Federal Energy Regulatory Commission.Oroville Dam Ser⁃vice Spillway(P-2100)[DB/OL].2017-02-24.https://www. ferc.gov/industries/hydropower/safety/projects/oroville.asp.

[10]Y.Pirathapan.Inspection of Dam and Reservior in Certi⁃fied Status[R].Division of Safety of Dams,California De⁃partmentof Water Resources.2015.

[11]A.Roundtree.Inspection of Dam and Reservior in Certi⁃fied Status[R].Division of Safety of Dams,California De⁃partmentof Water Resources.2016.

[12]R.Stork,A.Eberhart,J.Rainey.Motion to Intervene of Friends of The River,Sierra Club,South Yuba River Citi⁃zens League:In the Matter of State of California Depart⁃ment of Water Resources for a New Major License Oro⁃ ville Division,State Water Facilities[R].2005.

[13]C.Guerra.The Government Was Warned that the Oroville Dam Emergency Spillway was Unsafe.It Didn't Listen [N].Washington Post.2017-02-14.

[14]P.Rogers.Oroville Dam:Feds and State Officials Ignored Warnings 12 Years Ago[N].The Mercury News.2017-02-12.

作者邮箱：zhang_xl@ecidi.com

Lake Oroville spillway incident:overview and discussion

by ZHANG Xiu-li,SHEN Hai-yao, ZHENG Zi-xiang,NIE Guang-ming and YANG Ge Large Dam Safety Supervision Center,National En⁃ergy Administration

The main spillway of lake Oroville was found damaged on February 7,2017.In the subse⁃quentdays,the incidentwas exacerbated and eventually caused a massive evacuation oflocalresidents. The damage ofthe main spillway was caused and aggravated by relatively poor geology condition,thin chute,inadequate concrete strength and inattentive inspections.A series ofinappropriate emergency op⁃erations forced the emergency spillway being used,causing excessive erosion at the base of the weir of emergency spillway,which threatened to undermine and collapse the concrete weir.Fearing the col⁃lapse,an evacuation order was issued by the localgovernmentand 188 000 people in the vicinity were evacuated.

Oroville dam;spillway;damage ofchute;emergency operations;massive evacuation

TV698.2

B

1671-1092（2017）01-0001-06

2017-02-28

张秀丽（1960-），女，江苏扬中人，教授级高级工程师，总工程师，研究方向为水电站设计与大坝安全管理。