奥洛维尔大坝溢洪道事故独立调查组最终报告概要

奥洛维尔大坝溢洪道事故独立调查组

1 概述

2017年2月7 日，奥洛维尔大坝溢洪道启用运行期间，在较陡峭的泄槽段，水流冲刷注入溢洪道泄槽底板的裂缝和接缝，导致底板下的浮托力超过底板的抗浮承载力和结构强度。隆起的部分底板暴露了该位置下方的劣质基岩，已被严重冲蚀，并导致更严重的底板剥落以及更大范围的冲蚀。

溢洪道泄槽损坏后，水库水位不断上升，是否继续使用溢洪道需要进行艰难的风险权衡。没有充分了解相应不确定性和后果的情况下做出了决定，使水库水位在历史上首次超过非常溢洪道堰顶高程，致使溢流堰下游迅速、严重侵蚀，最终导致下达疏散命令。

2 事故物理现象分析

2.1 溢洪道

2.1.1 泄槽初始失事位置和事件顺序

独立调查组认为，溢洪道泄槽事故最初很可能发生在2017年2月7日10∶10，由桩号33+50位置附近的底板隆起并剥落而引发。一旦泄槽底板部分剥落，其底板下中等至高度风化的岩石和类土基础材料就直接暴露于高速泄洪水流中。高速水流迅速冲蚀了该处的基础材料，并向上游和下游方向发展，剥除了更多的泄槽底板，并迅速形成了2月7日12∶30关闭溢洪道闸门时观察到的冲蚀孔。这些发现基于目击者的说法、摄影和影像记录。

2.1.2 溢洪道泄槽失事的物理因素

虽然促成失事的物理因素非常多，但独立调查组得出结论认为，最初隆起并剥落的底板很可能是由泄槽底板下方的上浮力造成的，这一上浮力超过了该位置底板的抗浮承载力。抗浮承载力是由混凝土底板的自重、底板上水的重力、基础锚固系统的抗浮承载力、以及混凝土底板和基础之间的其他连接力构成的。一旦某块底板的上游端发生隆起，使水流发生偏移，底板下的压力迅速增大，导致底板突然失事。

最初失事的泄槽底板部分可能非常小，但一小块底板剥落，高速水流快速冲刷其下方的易受冲蚀的基础材料，并开始剥除更多的底板。

过高的上浮力主要是由于溢洪道高速水流注入及穿过底板的表面结构，例如开放型伸缩缝、人字形排水管上未密封的裂缝、新修或先前修复部分的接缝或排水管处的碎裂混凝土，以及以上这些情况的组合。2月7日最初失事的底板区域存在局部底板恶化和维修的情况，这些底板在高速泄洪水流中易受破坏。

图1 奥洛维尔大坝鸟瞰图（2017年2月事故发生前）Fig.1 Overview of Oroville dam facility prior to the February 2017 incident

图2 闸门关闭后观察到溢洪道泄槽受损Fig.2 Spillway chute damage observed after gates were closed

在溢洪道泄洪期间，水流穿过了泄槽底板表面结构侵入基础。在集水沟排水口可观察到底板下方水流，流量相当大。独立调查组认为，通过裂缝和接缝侵入的水流超过了底板下排水系统的排水能力，导致水流在人字形排水管周围“储存”起来，增加了底板下的上浮力。

侵入基础的水流通常会随着泄槽表面水流流速的增大而增多。溢洪道闸门打开后更增加了溢洪道泄槽的下泄量，不久即发生失事，导致了更高的表面流速和更多的侵入水流和上浮力。

在评估物理因素时，重要的是思考为什么溢洪道在2017年下泄流量为52500cfs（约1486.8m3/s）时发生失事，而不是在曾经泄洪量更大时。最近一次2006年，泄流量超过70000cfs（约1982.4m3/s），而历史上，1997年泄洪量曾高达160 000 cfs（约4 531.2 m3/s）。换句话说，2006～2017年发生了什么变化，使失事发生在2017年而不是2006年或更早？

可能发生的变化很多，独立调查组认为，最可能的原因是以下一些情况的组合：

（1）泄槽底板受到新的损伤，或以前修复的底板恶化；

（2）因黏土受侵蚀或减少，底板下方的浅层空隙相对扩大；

（3）混凝土裂缝或接缝处的钢筋或销钉锈蚀；

（4）锚固能力降低。

图3 中度和高度风化岩石的范围，来自最终地质报告Fig.3 Extents of moderately and strongly weathered rock.Geologic mapping from Final Geologic Report

独立调查组还确定了一些设计和施工带来的问题，特别是关于泄槽底板的细节，增大了泄槽底板的脆弱性。

（1）嵌入泄槽底板的排水暗管使暗管上方的混凝土厚度降至7英寸（177.8 mm）或更薄，其他部分底板设计的最小厚度为15英寸（381 mm）。这一情况导致大部分人字形排水暗管上方都出现了裂缝。水通过裂缝侵入底板，导致混凝土有分层和剥落的倾向。

（2）底板的横向伸缩缝未填充止水材料，水容易透过底板侵入基础。而且这些接缝也过宽，不能防止排水暗管上方产生宽缝。

（3）在溢洪道渠首和非常溢洪道顶部结构完成之后，溢洪道泄槽底板的施工，特别是基础预制和处理过程不够严谨。某些位置高达50%或以上的基础未妥善处理，未清理表面的风化岩土和类土材料。

（4）设计方案包括浅层岩石锚固，基础中只有5英尺（127 mm）埋置长度，而底板厚度大于15英尺（381 mm）的位置其锚杆埋置深度更小。此外，在泄槽最初失事的位置，一些锚杆位置处于严重风化的基础中，难以达到预期的抗拔强度。锚杆在15英尺（381 mm）厚底板中的埋置深度可能也不足以达成充分的锚杆强度。

（5）排水系统存在许多缺陷，例如无反滤系统；由于安装方法错误，排列方向不正确或排水孔缺失，排水管破损或未连通。这些问题导致底板的排水能力不足，没有裕度。

（6）底板只在靠近顶部有一层钢筋，若设两层更坚固的钢筋，可能会减少底板的开裂情况。

（7）由于连接销钉和钢筋网都放置在底板表面附近，与销钉放置在中间层的情况相比，在连接处的上表面产生了明显的薄弱面，增加了连接处混凝土分层和剥落的可能性。

（8）混凝土中的最大骨料粒径相对较大（6英寸，152.4 mm），导致抗剪键和排水管容易开裂和剥落，并且在混凝土浇筑期间对排水管有损坏。

2.2 非常溢洪道

如大事年表所示，非常溢洪道在2017年2月11日和12日启用了约36 h。2月12日下午15∶00左右，在启用31h后，泄洪量估计达到12500cfs（354m3/s），仅为非常溢洪道允许下泄可能最大洪水（PMF）的3%。

在事故响应过程中，为了准备使用非常溢洪道，在洪水漫顶前已清理了溢洪道下游自然山体上的树木。洪水下泄过程中流过了溢洪道顶下游的自然山体表面，随即发生山体侵蚀。虽然已预料到表层土壤会遭到侵蚀，但侵蚀深度出乎预料。事故指挥部表示，至2月12日下午，受到侵蚀的区域快速向非常溢洪道堰顶上游发展，导致当天下午15∶44发布紧急疏散令。

图4 奥洛维尔大坝非常溢洪道开始泄洪（2017年2月11日）Fig.4 Oroville dam emergency spillway as overflow began on February 11

非常溢洪道受损的主要物理因素显然是易被侵蚀的土壤和岩石量较大，深度较深，导致了向堰顶控制结构的快速溯源冲刷。易受侵蚀的材料与剪切带等地质特征有关。其他造成非常溢洪道受损的因素为：

（1）山坡地形易汇集水流，增大侵蚀力，促进了溯源侵蚀的形成；

（2）溢洪道堰顶底部的消能能力不足；

（3）溢洪道堰顶下游无抗冲刷保护措施。

图5 事故发生之后的奥洛维尔大坝非常溢洪道Fig.5 Emergency spillway after the incident

3 事故原因分析

事故独立调查小组认为，不是单一的原因或某些简单的事件导致的最终疏散命令的下达。相反，事故是从项目设计开始到事故发生，由于物理因素、人为、组织和行业因素的复杂相互作用造成的。

物理因素分为两大类：

（1）溢洪道设计和竣工时已存在的固有缺陷，以及随后的泄槽底板恶化；

（2）溢洪道局部基础条件差。

3.1 物理因素

溢洪道设计和竣工时已存在的固有缺陷反映了其工程设计未根据实地情况进行适当的修改。在大坝建成之后不久，排水暗沟上方及其沿线的混凝土泄槽底板已出现裂缝，底板下方出现大流量排水。起初，底板裂缝及其下方的排水被认为是不正常的现象，但很快被视为“正常”情况，仅需要持续进行修补。但反复的修补不仅毫无裨益，更可能是有害的。

在大坝建成后的50年里，尽管进行了大量的安全检查和审核，但都未认识到建成后的不良情况以及耐久性维修的缺乏。久而久之，泄槽排水及温度变化导致混凝土逐渐恶化、钢筋和锚杆锈蚀、底板强度和锚固力可能逐步丧失。此外，可能还伴随着底板下方的轻微冲蚀和排水系统部分失效，这些共同导致了底板上浮力的增加。而溢洪道最先出现破损的位置，其极差的基础条件，加剧了锚固力不足及底板下方的轻微冲蚀。

由于未认识到设计和竣工时已存在的固有缺陷以及泄槽底板的恶化，无人预料到会发生溢洪道事故，尽管这一事故不可避免。

一旦底板的某个初始部位隆起，其下方的劣质基础材料就直接暴露于高速水流中并被迅速冲蚀。而泄槽底板某个部位出现冲蚀和隆起之后，就会导致底板进一步剥落，地基冲蚀更严重。

尽管溢洪道和非常溢洪道的劣质基岩情况在档案的地质报告中有详细记载，但这一情况并未在最初的设计和施工中得到妥善解决，甚至随后的所有审查都将基岩错误地描述为优质岩体。因此，谁也没有预料到溢洪道基础会受到如此严重的冲蚀。

图6 溢洪道桩号33+00处受损区域（底板混凝土厚度薄厚不均）Fig.6 Damaged area downstream from Sta.33+00.Note the concrete slab thickness varies in the center of the chute

图7 桩号33+00处右边缘泄槽底板下的锚筋（底板底面平滑，底板仅放置在基岩上，未与基岩紧密结合）Fig.7 Anchor bars on the underside of the slab upstream of Sta.33+00(on right edge).Note the smooth underside of the chute slab that was to have been placed on a rock foundation which would have been expected to be irregular

3.2 人为因素

当溢洪道泄槽底板出现预料之外的破坏和冲蚀后，溢洪道闸门随即关闭以检查受损程度，并在接下来的几天内分析各种风险，并作出权衡和妥协。或者重启闸门，溢洪道有可能进一步破坏，甚至破坏附近的输电塔；或者库水位继续上升，造成非常溢洪道漫顶，非常溢洪道可能遭到冲蚀。此外，冲蚀已裹挟巨量碎屑进入河道，由此产生的高尾水有水淹发电厂房的风险。决策者试图找到一个“最佳平衡点”，即继续使用溢洪道，以维持库水位不超过非常溢洪道堰顶，但下泄流量尽量小。

事故过程中，尽管发电厂房受淹的风险逐步降低，但溢洪道下泄流量非常有限，最终导致库水位上升漫过非常溢洪道堰顶。这些决定的初衷是好的，但却与土木工程师和地质专家的意见相违背，当时专家们已意识到基岩条件较差，且非常溢洪道此前从未经过测试，仓促启用可能会带来不良后果。通过限制溢洪道下泄量降低了水淹厂房的可能性，但未考虑到启用非常溢洪道对大坝安全的风险。当非常溢洪道发生漫顶时，这一风险迅速变为现实，继而不得不发布疏散命令。

调查小组认为，干预并阻止事故发生的机会其实很多，但系统内各因素的互相作用最终致使错失了这些机会。众多人为、组织和行业因素导致物理因素未得到充分认识和妥善解决，并在事故发生时影响了决策过程。

3.3 加利福尼亚水资源部的问题

以下因素分析针对加利福尼亚水资源部（DWR）存在的问题：

（1）虽然DWR的大坝安全文化和规划日渐成熟且方向正确，但在事故发生时仍显得相对不成熟，过于依赖监管机构和监管程序；

（2）与其他大坝业主类似，DWR在基础设施的完好性上过于自信甚至自满，并且倾向看重短期运营考虑。再加上成本压力，导致内部关系紧张，对大坝安全不够重视；

（3）DWR较为保守，阻碍了行业知识的获取和必要技术专家的培养；

（4）受制于官僚主义，DWR很难建立一支在规模、成员构成和专业水平与大坝工程与安全相适应的专业队伍。

图8概述了人为、组织和行业因素与这两类物理因素的相互作用。

图8 奥洛维尔大坝溢洪道事故原因概览图Fig.8 Overview of interacting factors leading to the Oroville dam spillway incident

奥洛维尔溢洪道事故为全球大坝安全提供了一些经验教训：

（1）大坝业主必须制定和维护成熟的大坝安全管理计划，这基于强有力的“自上而下”的大坝安全文化。应配备一位专门负责大坝安全的高级人员，通过指定的大坝安全专员的直接或间接报告，充分掌握大坝安全问题和优先事项，确保平衡组织内的优先事项；

（2）频繁的物理检查并不足以识别风险，确保安全；

（3）有必要对原始设计、施工以及后期性态进行定期的综合评估。这些审查应以完整的档案为基础，而且需要比一般定期审查更深入，例如目前联邦能源管理委员会（FERC）强制的五年审查；

（4）与大坝相关的附属结构，例如溢洪道、泄水建筑物、发电厂等，必须由有资质的人员跟踪关注。这种关注应与设施对公众、环境和大坝业主的风险相对应，包括可能不会造成水库决口但仍然非常重要的事件；

（5）必须认识并解决当前面对复杂系统时，潜在失事模式分析（PFMA）处理流程存在的缺点。将其优缺点与全球其他行业和其他联邦机构使用的风险评估流程相对比，对大坝安全实践进行严格审查是必要的。，通过适当补充现在的新方法，“最佳实践”必须继续改进。

（6）遵守监管要求并不足以管理风险和满足大坝业主的法律及道德责任。

许多一般性经验教训是不证自明的，并且在此次事故独立调查开展之前就已有人提出。避免事故的关键在于，大坝的业主、监管人员和其他大坝安全专业人员能否认识到这些经验教训仍需要学习。虽然20世纪70年代之后，大坝安全实践水平得到了很大提升，然而，处于联邦机构的监管之下，位于具有领先的大坝安全监管程序的加州，并由知名的外部顾问进行了反复评估的美国最高大坝发生了如此严重的事故，这一事实对所有大坝安全行业内的人员都敲响了警钟，应对大坝安全领域的“最佳实践”打上一个问号。

4 结语

奥洛维尔大坝溢洪道事故是由于加利福尼亚水资源部（DWR）长期的系统性失效导致的，监管、辨识、处理溢洪道设计和建设中薄弱环节的行业惯例、较差的基岩质量和恶化的溢洪道泄槽工况都是失事的原因。这一事故不能仅仅归咎于某一个人、团体或组织。 ■