美国斯宾塞溃坝事件对寒冷地区大坝安全管理的启示

杨彦龙，黄维，杜雪珍

（国家能源局大坝安全监察中心，浙江 杭州，311122）

2019年3月13 日，“炸弹气旋”（指剧烈气象事件）袭击美国内布拉斯加州中西部，低气压裹挟着墨西哥湾带来的温暖潮湿空气，在降雨和升温的双重作用下，尼奥布拉拉河（Niobrara River）流域积雪融化和冰层破裂，产生了快速的洪水和冰塞。3月14日凌晨，流冰涌至斯宾塞大坝上游，部分叠梁闸门由于冰冻无法打开，碎冰堵塞了已开启的泄洪孔，持续的入库碎冰和洪水漫过土质堤坝并最终导致溃坝[1]。我国约有75%以上的地区有冰凌现象发生，其中黄河内蒙古河段、嫩江上游、黑龙江上游等河段尤为严重[2]。水在结冻过程中由于体积的增大会形成巨大的压力，解冻时，冰体由于受到水流和风的作用会发生漂移，与结构发生相互作用，有时候冰对结构的作用远比波浪和风的影响大得多，甚至还会给国民经济、人民生产生活带来意想不到的灾害。冰压力及流冰撞击力等可能会对大坝、闸门等水工建筑物和设备造成不同程度的破坏[3-5]。如1957年、1967年官厅水库中的妫水河大桥总计11个桥墩被冰力剪断；2021年3月，哈尔滨方正县新兴大桥因河面冰凌撞击，导致2号和3号桥墩坍塌。目前，国内外大坝安全管理中缺乏凌汛相关的溃坝模式研究及应对冰冻灾害的应急预案。近些年来极端寒冷气候频发，冰冻及冰凌灾害对大坝安全运行带来一定影响。笔者对斯宾塞溃坝调查结果进行研究分析，对大坝溃坝原因及应对措施进行了探讨，以期对我国大坝安全管理有所启示。

1 斯宾塞大坝溃坝事故

1.1 工程基本情况

斯宾塞水电站位于美国内布拉斯加州尼奥布拉拉河上，距密歇根河汇合口约60 km，流域面积34 913 km2，河口处多年平均流量50 m3/s，大坝下泄流量最终汇入密歇根河上的加文斯角水库，见图1。电站总装机容量6 MW，为径流式电站，无洪水调节能力。水库正常蓄水位458.45 m，相应库容1 023万m3，坝顶高程460.60 m，对应库容2 035万m3。工程1927年投入运行。大坝重现期100年的洪峰流量为827 m3/s，重现期500年的洪峰流量为1 209 m3/s。

图1 斯宾塞大坝工程位置示意图Fig.1 Location of Spencer project

电站枢纽工程自右岸向左岸依次布置土质堤坝、支墩式混凝土溢洪道及发电厂房。土质堤坝长约975 m，最大坝高约7.92 m，设计坝顶高程460.60 m，2012年实测坝顶高程最低为460.25 m（仅局部）。土质堤坝建在河床沉积层上，北部（即左岸）坝体设置了黏土心墙，南部（即右岸）坝体较浅部分未设置截水心墙，大坝上游坝坡坡比为1∶2.5，下游侧坡比为1∶2。

支墩式混凝土溢洪道长122 m，自左至右依次布置1个排冰/污孔和9孔泄洪孔。排冰/污孔布置于发电厂房右侧，宽约3.05 m。泄洪孔堰顶高程454.50 m，宽10.2 m，其中1～4号泄洪孔由4个弧形闸门控制，最大开度约1.82 m；5～9号孔由5个叠梁闸门控制，叠梁闸门竖向为5根工字型钢，由堆叠在工字钢槽的6块木质闸板控制下泄流量。所有泄洪孔闸门全开工况下，正常蓄水位458.45 m对应的溢洪道泄流能力约1 076 m3/s，库水位在设计坝顶高程460.60 m对应的泄流能力约1 855 m3/s，库水位在实测最低坝顶高程460.25 m对应的泄流能力约1 722 m3/s，大坝有抵御重现期500年洪水的能力。

图2 斯宾塞大坝溃决前卫星图及现场照片Fig.2 Satellite and site map before Spencer dam failure

泄洪孔闸门操作的正常程序是首先使用弧形闸门，通常从1号闸门开始，然后继续操作2号、3号和4号闸门，1号和2号弧形闸门在面板下方有一个金属外壳，允许冬季加热以防止闸门上结冰。弧形闸门完全打开后，如果水位继续上升将开始打开叠梁闸门。

斯宾塞大坝所有者为内布拉斯加州公共电力局（NPPD），为一家公共公用事业公司，大坝安全由内布拉斯加州自然资源厅（NDNR）负责监管，下设内布拉斯加州大坝安全计划（NebDSP）具体负责大坝安全检查评估。NPPD拥有9座大坝，4座由美国联邦能源监管委员会（FERC）监管，5座由NebDSP监管（含斯宾塞大坝）。

NebDSP拥有8名全职员工，管理内布拉斯加州的2 913座大坝，人均管理大坝数量约是全美平均数的两倍。NebDSP主要任务是审查大坝建设或改造计划；定期检查所有管辖大坝，确保业主对检查结果意见做出响应落实；为业主和工程师提供培训；协助大坝相关应急准备和响应活动，并确保所有高风险大坝都有应急行动计划。NebDSP根据大坝失事后果评定大坝风险等级，管辖大坝中有145座高风险大坝、212座中风险大坝和2 556座低风险大坝，斯宾塞大坝被确定为中风险大坝。2005年以来，NebDSP将25座大坝由低风险或中风险调整为高风险，但未调整斯宾塞大坝风险等级。NebDSP每三年对斯宾塞大坝进行检查和安全评估，最近的一次定期检查于2018年4月开展，检查结论指出大坝“存在的缺陷可能导致大坝在遇到罕见的极端风暴天气时失事”，发现的缺陷主要有：大坝坝脚有部分渗水；大坝北部斜坡脚下有潮湿区域；混凝土溢洪道底板磨损、钢筋外露；消能工磨损到与溢洪道底板相同的高度。

1.2 失事过程回顾

2019年3月13 日上午，斯宾塞水库库面一直被冰层和积雪覆盖，降雨和升温造成了大坝上游径流和冰层破裂，随着时间的推移，大坝上游开始出现冰塞和洪水。下午14∶30，根据美国地质勘探局报告，大坝上游64 km处的马里亚维尔（Mariaville）洪峰流量为875 m3/s，电站运行人员18∶00曾收到上游洪水通知，于20∶00将溢洪道1～4号泄洪孔弧形闸门全开度运行，22∶30水库超过正常蓄水位458.45 m，运行人员决定开启叠梁门泄洪孔，但由于冰冻原因导致大部分叠梁闸门无法打开。

3月14日凌晨，大坝上游出现多处冰塞和流冰，大量的流冰冲毁了470公路的斯图尔特-纳珀桥（大坝上游40.2 km）和11号国道巴特桥（大坝上游19.3 km）。冰塞的突然碎裂导致大量碎冰和洪水涌向斯宾塞大坝，部分大块的碎冰堵塞了已开启的泄洪孔，库水位上涨至土质堤坝顶部。持续入库的碎冰和洪水漫过土质堤坝顶部，冲蚀土质堤坝下游坡面并产生了数处溯源侵蚀，同时流冰摧毁了发电厂房上游侧的砖墙。3月14日早上5∶15，土质堤坝首次出现溃口，随着溃口的扩大，洪水和大量碎冰向下游倾泻，洪水裹挟着碎冰破坏了土质堤坝并席卷摧毁了大坝下游不远处的建筑，并造成一人溺亡，随后溃坝洪峰又摧毁了281号高速公路及下游几座桥梁。根据溃坝后调查，土质堤坝最终分为两个溃口，北缺口约198 m宽，南缺口约244 m宽，见图3。

图3 斯宾塞溃坝后溃口位置及形态图Fig.3 Location and shape of dam breach after Spencer dam failure

1.3 应急处置

斯宾塞大坝是一个中风险大坝，未制定应急行动计划，也没有溃坝洪水下游淹没图。斯宾塞大坝下游500 m处，肯尼·安吉尔先生拥有的房产（包括一处住宅、音乐场所、稻草屋和一个露营区）建设于1965年，位于大坝建成之前的河道边。由于大坝下游存在生命损失，大坝应为高风险大坝，需要制定应急行动计划，以便发生险情时及时和下游联系撤离。漫坝发生的午夜，电站运行人员曾上门建议肯尼·安吉尔先生撤离，但还是不幸遇难。

斯宾塞大坝失事后，意味着尼奥布拉拉河在汇入密苏里河前的最后一道屏障失效，斯宾塞大坝距离密歇根河上的加文斯角大坝约111 km，溃坝洪水以非常快的速度流到密苏里河干流，直接冲击加文斯角大坝。加文斯角水库防洪库容十分有限，面对从尼奥布拉拉河滚滚而来的溃坝洪水，水库水位暴涨到比历史最高水位还高出近0.5 m，入库洪峰流量一度达到5 097 m3/s，远超过该水库的3月平均入库流量113 m3/s。为确保加文斯角大坝安全，美国陆军工程师兵团于3月14日上午及时采取了应急调度措施：一是停止上游兰德尔堡大坝向下游泄水以减小加文斯角水库入库流量；二是加大加文斯角大坝下泄流量，溢洪道14个泄洪闸除2孔因冰冻原因无法启闭操作外，其余12孔泄洪闸均开闸泄洪，将下泄流量从13日的764 m3/s大幅提高到2 831 m3/s[6]。加文斯角下泄洪水导致两个城镇（Niobrara和Verdigre）水厂停运和交通不便，由于担心密苏里河沿岸的堤坝溃决，诺福克的另外8 000人被临时疏散。

1.4 溃坝原因分析

1.4.1 气象水文因素

2019年2 月—3月初，美国内布拉斯加州遭遇了极端低温天气，最低气温达到-15℃，尼奥布拉拉河上形成了相当厚的冰层，厚度达0.6 m。3月11—13日，气温有所升高，最高气温达到9℃，3月13日形成的“炸弹气旋”袭击了美国内布拉斯加州中西部，将温和的空气和湿气推向流域上游，加速了融雪，气旋带来的降雨变成了冻雨。在降雨和升温的双重作用下，河道两岸积雪融化、冻土解冻，形成了快速径流和凌汛。大坝上游河道冰层也开始融化，水库厚实冰层的破裂最后导致形成冰塞。冰塞破裂形成洪水，3月13日下午14∶30，大坝上游64 km处的马里亚维尔（Mariaville）流量为875 m3/s，远大于历史实测最大流量176 m3/s（1988年）。3月14日，斯宾塞大坝日平均值估计为1 082 m3/s，实际最大入库洪峰流量肯定大于该值。

图4 斯宾塞水库库面冰层图Fig.4 Ice on the Spencer reservoir surface

1.4.2 大坝结构因素

斯宾塞大坝为均质土坝，最大坝高约7.92 m，南部坝段挡水高度很小，未设防渗墙，2012年检查发现土质堤坝坝顶局部实测高程最低460.25 m，较设计高程低0.35 m，未加高处理。大坝安全定期检查曾发现土质堤坝下游坝脚有部分渗水，土质堤坝北部斜坡脚下有潮湿区域，混凝土溢洪道存在底板磨损、钢筋外露，消能工磨损到与溢洪道底板相同的高度，但上述缺陷部分已经修复，并不是本次溃坝的主要诱因。3月14日斯宾塞最大入库流量尚未可知，但肯定大于1 082 m3/s，且超过正常蓄水位溢洪道的泄洪能力，由于流冰堵塞了部分泄洪通道，加速了大坝漫顶过程。根据事故后调查，溃坝过程中水库最高水位达461.16 m，漫过大坝设计坝顶高程0.56 m。除洪水漫顶外，流冰也大量漫过土质堤坝，进一步加剧了土质堤坝下游坝坡淘刷，加速了大坝溃决过程，从溃坝后的图片（见图5）可知，土质堤坝顶部堆满冰块。

图5 斯宾塞土质堤坝溃口现场图Fig.5 The breach of Spencer dam

1.4.3 运行管理因素

溢洪道1号和2号弧形闸门在面板下方有一个金属板外壳，可以在冬季加热，以防止闸门上结冰。其余闸门在极端寒冷天气条件下，运行极其困难，其中5孔叠梁闸门开启完全依赖于液压千斤顶，寒冷天气冰冻使叠梁闸门无法开启。

1935年斯宾塞大坝曾因冰冻发生过事故，1960年和1966年，大坝的闸门和发电厂房都曾被冰凌损坏。运行单位NPPD没有完整保存上述历史事故档案资料，以至目前的运行人员并不知道冰冻灾害风险的存在，虽然大坝似乎维护得很好，但大坝的维护规定中未包含应对流冰的措施及预案。

大坝安全管理机构NebDSP人员偏少，一直使用非专业工程师来执行对所有低风险等级大坝和大约一半的中风险等级大坝的检查。2018年对斯宾塞大坝的检查是由两名非专业工程师进行的，提交州政府的大坝安全检查报告中未提示流冰洪水对大坝的潜在威胁。

2 我国冰冻地区水工建筑物破坏

2.1 冰凌灾害

寒冷地区开河或封河过程中常常出现冰塞、冰坝致使水位大幅度上涨，导致严重的凌汛灾害。如1962年黑龙江支流结雅河率先开河，而黑龙江未开河，结雅河开河后，流冰顺流而下聚积在河流交汇口，导致黑龙江下游黑河港码头翼墙被冰块冲击毁坏，不得不人工破除冰坝避免更大的险情发生[7]。1982年松花江佳木斯河段春季流冰形成冰坝，上下游水位差高达5～6 m，当地驻军及时炸毁冰坝才避免了灾害的发生[8]。

2.2 冰冻对水工建筑物破坏

根据原因不同，冰冻对水工建筑物的破坏可分为冰推破坏、冰拔破坏、动冰撞击破坏和冻融破坏等[9]。冰推破坏：冰层膨胀产生的静冰压力将土坝的护坡推起造成的破坏；冰拔破坏：冰层和护坡冻结在一起，库水位上升时护坡、齿墙等被拔起或松动，库水位下降时冰块与护坡冻结在一起，护坡受到冰面下降的拉力，向库内倾斜；动冰撞击破坏：主要发生在初春解冻时，库冰融化破裂，在风力与水力作用下向坝坡涌进，撞击水工建筑物，或者冰块被推上坝坡甚至坝顶，导致坝坡及防浪墙被冲击破坏；冻融破坏：冬季室外温度较低的情况下，混凝土结构因水汽进入而受冻结冰，体积膨胀，使混凝土内部结构遭到破坏。河北黄壁庄水库副坝上游护坡曾受冰推、冰拔循环作用发生明显的隆起破坏，位于库区内的桥墩在冰推剪力作用下开裂、倾斜，大部分土坝护坡和建筑物遭到不同程度冰壅破坏，严重影响水库运行管理[10]。太平哨水电站泄洪闸门没有防冰措施，水库封冻后冰层与闸门牢固冻结，闸门前冰层在温度回升时产生的膨胀压力和水位升（降）产生的上抬力（下拉力）对闸门有一定的影响和破坏。1984—1997年中，曾有4年太平哨水电站共11扇闸门被冰压力上抬开启，还有3扇闸门顶梁出现向下游的弯曲变形，闸门上抬开启后，虽开度不大（一般约为2 cm），但影响闸门的正常运行，也造成一定的水量损失，尤其闸门顶梁弯曲变形威胁闸门的安全运行[11-12]。丰满大坝（旧）由于施工质量差，运行中溢流面出现严重的冻融破坏，影响大坝泄洪安全[13]。

3 启示与思考

3.1 大坝设计、运行维护应充分考虑冰荷载及冰冻（塞）灾害

大坝设计虽有考虑冰荷载，但行业内对冰力学的认识还不够充分，运行中对冰冻灾害的认识和应对措施仍存在不足。在寒冷地区河流中修建水坝，需要评估河流是否容易受到周期性严重冰流的影响，大坝相关设施设计应考虑在极端寒冷天气期间能安全运行的保障措施。因此，有必要对寒冷地区河流的动态性质进行更多研究，包括这些地区的天气系统，冰流的形成、频率、运动、破坏，以及如何在设计、维护和运行时使大坝等设施能抵御冰冻灾害。

3.2 大坝运行单位应重视历史上发生的事故和灾害

斯宾塞大坝1935年、1960年和1966年都曾发生过和冰冻灾害相关的大坝安全事故，由于历史事故档案丢失、未整理或无法查阅，后期运行人员并不知道冰冻灾害风险的存在。大坝运行单位应对大坝运行历史上出现的事故和异常情况有完整记录并归档保存，且有必要为重大的大坝运行维护记录制作一份完整的电子记录留存。

1966—2019 年间，斯宾塞水库未真正发生过较大的冰塞灾害，大坝运行单位每年都成功将有限的库冰通过泄洪闸门及排冰孔排向下游，运行人员因此相信大坝可以正常排冰。如果运行单位对上游冰塞有足够的认识和敏锐性，则可以提前采取预防措施，在事故前的3月13日白天温度相对较高时将所有叠梁闸门全部打开，提前降低水库水位，可能不至于造成大坝漫顶溃决。

3.3 应保证极寒天气河流上大坝泄洪闸门的正常启闭功能

斯宾塞大坝1号和2号弧形闸门在面板下方有一个金属板外壳，可以在冬季加热，以防止闸门上结冰，其余各闸门均没有保暖措施。斯宾塞溃坝事故中，库水位开始上涨时，由于午夜时分气温低，叠梁闸门无法打开，行洪通道受阻，加速了漫坝过程。我国也发生过因冰冻膨胀导致闸门被动开启和变形的事故。对于寒冷地区的大坝，泄洪闸门开启应充分考虑冰冻及冰荷载影响，确保大坝设施在极端天气事件中能安全、可靠运行。

3.4 大坝安全风险等级应定期重新评估，高风险大坝应制定应急行动计划

斯宾塞大坝被确定为中风险大坝，没有制定应急行动计划，其实NebDSP和NPPD都低估了溃坝对下游房屋、私人财产和人身安全的影响。根据大坝下游潜在风险分类，斯宾塞大坝应确定为高风险大坝，高风险大坝要求制定应急行动计划，并且还可能需要对大坝进行改造以提升防洪能力。

3.5 大坝安全定期检查应该专业化，充分考虑大坝潜在外部风险

2018年斯宾塞大坝安全定期检查由两名非专业工程师进行，从NebDSP提出的大坝安全定期检查结果看，大坝结构没有特别重大问题，但本次定期检查工作对大坝失事模式认识不足，对大坝安全运行的风险识别不清。大坝安全定期检查应有专业技术人员参与，专业配置要齐全，要结合历史事故，除结构安全评价外，还应识别大坝风险源及失事模式，如果让非专业工程师来检查评价大坝，则需要经过专业人士的评审。另外，大坝安全定期检查必须包括对关键文件和历史记录的审查，大坝潜在失事模式分析应作为大坝安全审查的一部分。在寒冷地区从事大坝安全管理工作的工程师需要评估河流是否容易受到周期性严重结冰的影响。

3.6 大坝安全监管机构应熟悉所管理大坝的溃决模式及大坝对下游的潜在风险

美国大坝安全行业缺乏对流冰风险的知识储备。美国大坝安全官员联合会（ASDSO）维护着有380例溃坝事故的数据库，但其中并没有因冰凌溃坝的案例。由于历史记录遗失，NebDSP作为该州大坝安全监管机构，竟然不知道斯宾塞大坝历史上曾三次因流冰溃坝或损毁，业主NPPD对历史事故也知之甚少。

大坝安全监管机构最重要的职责之一是定期评估大坝对下游潜在风险，评估大坝风险等级，应采用标准化的现场检查程序（包括审查历史数据，利用航空或卫星摄影，并在现场检查期间进行验证），对下游有风险人群的大坝应制定并实施应急行动计划。对某大坝存在的问题，监管机构应及时检查评估同地区其他大坝，避免再发生同一错误。

3.7 为寒冷地区有冰凌的河流建立冰冻灾害预警系统

电站运行单位NPPD虽然有收到上游64 km处的马里亚维尔的洪水信息，但是没有收到任何个人或机构关于冰情的通知，电站人员还是按照日常洪水进行调度，没有对上游冰塞灾害做好应对准备。因此，所有产生冰流的河流应建立冰情监测措施，并在关键大坝、桥梁等基础设施位置建立适当的警报系统。

4 结语

未来我国水电开发重点地区在西藏等西南高海拔、寒冷地区，容易产生冰冻灾害，或河道两岸有冰川分布，冰凌和冰川溃决洪水会给水电建设和运行带来极大挑战，其相关问题是高海拔地区水电开发和后期运行面临的重大课题。特别近年来全球极端天气事件频发，在全球范围内造成了多起溃坝，对下游造成了重大损失，大坝安全管理面临越来越严峻的考验。斯宾塞大坝失事为我国严寒地区的大坝建设和运行敲响了警钟，其经验教训非常值得学习，以避免类似灾害发生。