论下游事件的影响——溢洪道出流的潜在失事模型

美国·Gregory Richards，Paul Schweiger，Benjamin Israel

（甘尼特弗莱明公司）

1 简介

近年来，多个土石坝发生了多起严重的事故，凸显了理解和评估大坝溢洪道出流工况的重要意义。在这些案例中，溢洪道的峰值出流量都明显小于设计洪水流量，但仍导致土石坝接近溃坝、溢洪道破坏或严重影响大坝性态。

潜在失事模式是“对大坝失事的物理推理过程，肇因是天然坝基条件、大坝或附属建筑物设计、施工、材料、运行维护或老化过程等存在不足或缺陷，可导致库水不受控制地下泄”。因溢洪道出流引发或加剧的潜在失事模式可分为以下三类失事机制：

（1）溢洪道或出水渠的破坏或侵蚀；

（2）土石坝的侵蚀；

（3）因抬高的尾水位，影响了泄水建筑物或溢洪道的性态。

对给定的大坝，就这三种失事机制中的任意一种，都可以有无数种潜在失事模式。以下章节介绍这三种失事机制以及说明潜在失事将如何发展的案例。

2 溢洪道或出水渠的破坏或侵蚀

无论溢洪道是何种型式，若消能不充分，溢洪道出水口都会遭受破坏或侵蚀。混凝土或砌石衬砌渠道、挡水墙、泄槽或消力池的失事会导致对溢洪道控制段的水力切割、侵蚀或破坏，最终导致库水不受控制地下泄。在某些案例中，这些失事也会造成溢洪道泄水直接冲刷土石坝，最终导致土石坝下游的侵蚀。

土或石砌的溢洪道易遭受水力切割或侵蚀，特别是在溢洪道出水渠或泄水建筑物结构有不连续的情况时。这些情况包括道路、排水沟、围墙、因行人或车辆在其间通行而踩出的道路或车轮留下的车辙。这些不连续的结构特点都会成为溢洪道出口处现成的水力切割点，且会聚集水流，加速溢洪道的侵蚀。若溢洪道下的材料易被侵蚀，则该水力切割过程可通过溢洪道顶端发展到上游，最终导致库水不可控制地下泄。土溢洪道或已有渠道的水力切割还会破坏护堤或边墙，从而危及整个坝体，因为水流并未进入预期的溢洪道渠道，而是直接冲向土石坝。

2.1 案例1：英国约克郡Ulley大坝

Ulley大坝之前用于供水，现在用于休闲娱乐。2007年6月底，大坝处发生一场重现期约200年的大洪水。溢洪道泄槽由多级消力台阶和消力池组成，位于石砌边墙侧，从坝肩连接处下的左坝肩一直延伸到自然河道。洪水期间，溢洪道泄槽中的水流速度快、湍流显著，边墙的石块被冲出，最终导致右侧边墙垮塌失事。边墙失事后，邻近的土石坝材料随后发生侵蚀。虽然在大坝彻底溃决前水势已有所减弱，但官员们为了防御，仍紧急疏散了下游居民。

2.2 案例2：美国密歇根州马奎特县银湖大坝

银湖大坝始建于1896年。土石坝坝长1 500 ft（457.2 m），坝高30 ft（9.144 m），其主要用途是为下游的水电设施蓄水。2002年，为增大溢洪道的泄洪能力，以通过最大可能洪水，对大坝进行了升级改造。升级改造工程包括在非常溢洪道中新建5.5 ft（1.68 m）高的自溃堤，并对土石坝进行加高。2003年5月14日，大坝坝址处发生了一场重现期约5～10年的洪水，启用了自溃式非常溢洪道。洪水不仅对自溃堤产生了侵蚀，非常溢洪道下游的渠道也遭受了严重的侵蚀，并通过溢洪道向上发展直到水库。最后，溢洪道侵蚀破坏深度达到了自溃堤基础下25 ft（7.62 m）。溢洪道失事造成了1亿美元的经济损失，并有170人因此紧急疏散。因大坝有应急行动计划且响应迅速，没有造成人员伤亡。

图1 银湖大坝非常溢洪道中穿过的河道，从上游看（图片来源：联邦能源监管委员会）Fig.1 Channel cut through the Silver Lake Dam emergency spillway,looking upstream(photo courtesy of FERC)

图2 溢洪道首次启用前后辅助溢洪道出水渠（顶部和底部）的对比图，从上游看Fig.2 Auxiliary spillway discharge channel before(TOP)and after(BOTTOM)initial activation of the spillway,looking upstream

2.3 案例3：美国弗吉尼亚州奥古斯塔县的Upperherando大坝

Upper Sherando大坝由美国水土保持局（Soil Conservation Service）于1958年修建，主要用于防洪。1961年，大坝业主变更为美国林务局（U.S.Forest Service）。2003年9月19日，伊莎贝尔飓风的残余风力导致了坝址区域的强降雨。以前从未启用过的辅助溢洪道迎来了超过10 cm深的水流。在该水流作用下，沿土石坝坝趾延伸的下游出水渠遭遇了严重的侵蚀，某些部位的破坏深度超过20 ft（6.096 m）。若水流持续更长时间或水量更大的话，则可能会造成更严重的侵蚀甚至是大坝失事。

2.4 案例4：美国密西西比州黑溪大坝

黑溪大坝是美国自然资源保护局（Natural Resources Conservation Service，NRCS）用于防洪的大坝，位于密西西比州的霍尔姆斯县。1983年5月，大坝所在流域降雨达14 in（35.56 cm），导致大量洪水流经土砌的辅助溢洪道。洪水期间，溢洪道面长满青草，工况良好，溢洪道内也没有明显的不连续结构特征。溢洪道的竣工剖面显示，有一条现场道路穿过了溢洪道的出水渠，和水流方向垂直，形成了两次急跌，见图3。这两次急跌确定是主要冲击和最初水力切割形成的点位。原本深5 ft（1.524 m）、宽100 ft（30.48 m）的溢洪道被冲蚀成深40 ft（12.192 m）、宽160 ft（48.768 m）。从水库中泄放的洪水量约为555.3×104m3，被冲蚀的材料约为14.297×104m3，全部堆积在下游河段中。下游的道路严重受损，但未造成人员伤亡。

图3 黑溪53号坝段辅助溢洪道竣工图Fig.3 As-built profile of the auxiliary spillway at Black Creek No.53 Dam.Note the“field road”excavated into the exit slope of the spillway

3 土石坝的侵蚀

设计下游出水渠道时，考虑可能发生的非常规水情是非常重要的，非常规水情会导致溢洪道水流曲流、改变方向和折返来侵蚀土石坝。这种情况不是铁定的，因为可导致这种情况发生的地质条件非常复杂，且也未明确确定。对许多已建大坝，原有的溢洪道设计是基于简化的计算方式，忽略了溢洪道出流复杂的三维特性。因此，常见的疏忽就是对可能危及整个大坝的水流情况欠考虑。若水流重新流向大坝，且水流量大或持续时间长，则可能对大坝下游坝坡造成侵蚀。下游溢洪道出口渠发生意料之外的侵蚀或水力切割也可能导致水流变向而流向大坝。大坝设计人员和监管人员在评估或设计大坝时，需警惕这种潜在失事模式。

图4 黑溪53号坝段辅助溢洪道失事图Fig.4 Overview of the failed auxiliary spillway at Black Creek Dam block No.53

案例研究：美国俄克拉荷马州卡多县的糖溪大坝（L-44）。

2007年8月18 ～19日这个周末，热带低气压艾琳横扫俄克拉荷马州。卡多县多地降雨量远远超过重现期100年雨量。糖溪大坝L-44的上游流域进行初步的降雨测量结果显示12 h内的降雨量达到12 in（30.48 cm），启动了辅助溢洪道。辅助溢洪道下泄的洪水越过了土石坝坝趾，但在遇到第81号高速公路的路堤后又折返回来，大坝下游坝坡发生了严重侵蚀，差点溃决失事。81号高速公路涵洞中杂物淤积而导致的回水也许就是非常规水情。最后，侵蚀发展超过坝顶一半宽度。若溢洪道出流持续更长时间，大坝可能因剩余坝料发生侵蚀和失稳而最终溃决。

图5 俄克拉荷马州卡多县糖溪大坝下游坝坡的侵蚀Fig.5 Photograph showing the erosion in the downstream slope of Sugar Creek Dam in Caddo County,Oklahoma

图6 糖溪大坝下游坝坡的水流路径和侵蚀Fig.6 Photograph showing the flow path and erosion in the downstream slope of Sugar Creek Dam in Caddo County,Oklahoma

4 因尾水抬升而受损的出水建筑物或溢洪道性态

大坝下游的尾水工况可对大坝性态产生不利影响，可能以多种方式促发大坝失事。比如，尾水位抬升会影响水库排水设施或水电设施的运行或降低其效率。局部尾水增多也会影响某些型式的溢洪道（如自溃堤、自溃门或插板）的功能，或导致非控制段溢洪道淹没，造成溢洪道泄流能力降低，增大漫顶的风险。另一方面，若尾水位低于预期，则会降低消力池或其他消能设施的效率，因此会增大对下游设施的冲刷和侵蚀风险。

此外，应考虑尾水工况因下游自然或人为条件而随时间的变化。例如，新建了路堤或更替了涵洞、修建了堆木坝和存在其他自然障碍物，或因大坝侵蚀问题在下游河道中存在沉积物堆积，都会导致尾水工况发生巨大改变，甚至是突变。

案例分析：美国加利福尼亚州的奥洛维尔大坝（2017年）。

奥洛维尔大坝建于20世纪60年代，主要功能为发电。奥洛维尔大坝坝高770 ft（234.696 m），是全美最高坝。2017年2月，大坝所在区域发生暴雨，雨水径流量巨大，期间混凝土主溢洪道发生失事。受损的主溢洪道继续泄洪及非常溢洪道的启用都造成了严重的侵蚀，超过129.97×104m3的材料沉积于特马利托（Thermalito）的导流池和菲泽河的下游河段。这些沉积物使奥洛维尔大坝的水力发电设施——海厄特（Hyatt）电厂尾水渠中的尾水位大幅升高，致使电站无法运行。虽然用受损的主溢洪道泄洪转移了风险，但应注意到将洪水排出大坝或绕过大坝的三种主要方式都同时受损或无法运行，这是非常重要的。当径流减小、主溢洪道可关闭时，工作人员夜以继日地连续工作，从阻塞下游渠道的淤积材料中清理出一条通道，此举是为了降低海厄特电厂的尾水水位，恢复其工作状态。

图7 对奥洛维尔大坝下的导流池进行清淤，背景是受损的主溢洪道Fig.7 Debris removal in the diversion pool below Oroville Dam with the damaged principal spillway in the background

5 溢洪道设计和评估工具

水力建模模拟和溢洪道完好性分析软件的最新进展可帮助工程师们更有效地识别因溢洪道出流可能比之前更复杂而引起的潜在失事模式。例如，二维和三维的水力模型可帮助工程师基于现有的或提出的地形条件分析多种水流条件下的复杂水流模式。这些分析对识别可能更易遭受侵蚀破坏的高速区域十分有帮助。除这些水力模型之外，美国自然资源保护局还开发了SITES和WinDAM软件，能分析土砌/石砌溢洪道及土石坝地质剖面的完好性。这些都是强大的工具，可用于评估洪水事件过程中可能发生的侵蚀程度，识别当遭遇设计洪水时易发生失事的溢洪道。

尤其对设计、评估和检查大坝的工程师来说，意识到这些潜在失事模式并考虑其在某一特定坝址处的适用性是非常重要的。在现场走访或对设计图纸和设计文件进行复核时，通常可以识别出遭遇复杂水流工况或发生严重侵蚀的可能性。一旦识别出了潜在失事模式，就可以通过其他分析进行调查和验证。

6 结语

大坝溢洪道出流可能导致土石坝受损甚至溃决。在许多案例中，其流量远小于设计洪水，但仍差点造成土石坝溃决、溢洪道失事和库水不受控制地下泄，或对大坝性态造成严重影响。这些潜在工况通常可在现场走访或复核设计图纸或设计文件时发现。应用最先进的水力建模模拟和溢洪道完好性分析软件可帮助识别这些潜在失事模式。