美國皮克威克大壩潰決風險預防措施

［美國］B.奧爾德

1 皮克威克大壩概況

皮克威克（Pickwick Landing）大壩位于美國田納西州哈丁郡，修建在田納西河上，東距孟菲斯市和新馬德里斷層約160 km。該壩始建于1935年，目前的主要功能包括防洪、航運、供水、發電、娛樂及水生態維護等，皮克威克水庫是田納西河和湯比格比河航道的關鍵連接點。

大壩南部土石堤壩全長1.3 km，最大壩高19.8 m，壩頂高程436.50 m。由于洪泛平原內的土壤深度約為16.7 m，通過常規開挖放置混凝土結構來形成壩體不現實。因此，堤壩的施工采取了水力充填法，該方法可以全年進行施工，同時又可以就地利用從水閘挖掘出來的有用土料，降低成本和工作量。當初修建大壩時，人們對大壩建設的抗震安全性還知之甚少。地震穩定性評估得出的結論是，皮克威克大壩容易出現變形，不符合目前田納西河流域管理局（TVA）的震后穩定性標準，如上下游方向的變形要小于0.6 m（變形分析并不考慮大壩內部產生的裂縫，這種裂縫也可能導致潰壩）。

雖然壩址附近的條件未發生改變，但壩體存在受遠處地震影響的可能性，即沿新馬德里斷層發生的大規模地震可能會波及到大壩并對堤壩造成破壞。需要指出的是，這樣的地震事件可能造成很大范圍的破壞。因此，TVA一直在致力于實現以下目標：

（1）保障公眾安全；

（2）臨時性風險消減措施（IRRM），包括溝通、教育及意識提高，完善緊急行動計劃（EAP）及加強監控監測等；

（3）通過可行性研究項目解決現代化抗震問題；

（4）國家環境保護法案（NEPA）的準許；

（5）減災措施的設計和實施。

堤壩潰決可能導致的洪水，與田納西州薩凡納河近些年多次發生的洪水類似，相當于10 a一遇。然而，由于目前水面上升的速度比以往要快，所以洪水波到達的速度比以前也要快很多。為解決快速洪水波問題，TVA建立了“大壩潰決預警系統”，并維護其正常運行，以及時向居民發出警報并保護下游社區。

2 臨時性風險消減措施（IRRM）

TVA持續對堤壩進行監測，并提高了對受影響地區的通知效率。同時，TVA正在分步實施“社區推廣計劃”，并聯合當地緊急事務管理機構（EMA）和國家氣象局（NWS）編制了《疏散指南和地圖》。該手冊描述了皮克威克堤壩的現狀，通過圖片對比分析了最近一次洪水（2013年）和地震可能引發潰壩造成的洪水分別淹沒的地區，介紹了早期預警系統及其組成部分，并提供了緊急聯系方式、應急準備措施等信息。

TVA向當地的EMA提供了補充后的緊急行動計劃，其中包括特定場景下的淹沒區域。該區域顯示出淹沒區人口信息、關鍵設施和需要特殊救助的人員，以方便大壩下游住宅區、商業區、學校和其他設施內的人員能夠在緊急情況下迅速撤離。

3 建立大壩潰決預警系統

在為該項目選擇最有效的監測及預警方案時，TVA將公共安全放在首位，并采用了大壩潰決預警系統，其中包括：①強大、可靠和冗余的方法和技術；②遠程監控單元（RMU）；③由強烈震動觸發的自動化系統（地震記錄儀）；④用于檢測受地震破壞堤壩長度的儀器（時域反射計TDR）；⑤復合視頻；⑥TVA河流預報中心工程師全天候監測的預警系統；⑦美國陸軍工程師兵團（USACE）全天候水閘操作驗證；⑧NWS在堤壩發生變形或潰決時發出語音警報；⑨為可能受洪水影響地區的家庭提供天氣廣播；⑩無線電備份。

為確保所有數據和組件都能安全正常運行，TVA與泛達（Panduit）公司簽訂了儀器設備購買合同，由其提供項目所需的所有儀器和設備。通過雙方共同努力，兩個月完成了大壩潰決預警系統的安裝并投運，比最初預計的時間提前了10個月。為了便于在地面強烈震動后快速發出通知，該系統還安裝了地震記錄儀來收集震動觸發的地震波形數據。

時域反射計（TDR）可以監測滑坡和堤壩的穩定性。TDR的基本原理與雷達類似，即沿同軸電纜發出電脈沖，當電脈沖在電纜中遇到斷裂或變形時，就會被反射，并顯示為典型電纜信號曲上的一個“尖峰”，從而可以及時、準確地判定位移的相對大小和速率，以及變形區域的位置。根據TVA的設計，TDR電纜沿著堤壩的上游壩頂、下游壩頂和下游壩底水平布置（總長度約為4.8 km），實現了對整個堤壩的變形監測（約1.6 km）。

通過安裝熱成像攝像機，可以觀察堤壩上下游的情況，紅外輻射或物體散發出的熱量會在熱成像攝相機內形成圖像。因為所有物體都有一個熱信號，所以熱成像攝像機可以一直工作，甚至在完全黑暗的環境中運轉。由于熱成像攝像機是通過“看到”熱量而不是反射光來工作，因此可以將物體的溫度轉換成不同的灰度。在寒冷的天氣中，人體溫度因為比周圍環境高，所以可能呈現為顏色較淺的圖像，而天氣炎熱時，則可能呈現為顏色較深的圖像，對水來說也是一樣。復合視頻可以提供疊加熱成像的高質量光反射圖像，無論白天還是夜間，均可以通過熱信號對堤壩內部潛在的滲流或潰決情況進行監測。

TVA河流預報中心位于田納西州的諾克斯維爾（距離堤壩526 km），這里的操作員負責監控大壩潰決預警系統。該監控工作和通過USACE閘門監控工作人員（通過衛星電話）進行的操作驗證每天24 h不間斷進行。該系統通過特定的操作對監控設備發回的警報進行評估，以避免發出錯誤的通知，一旦變形或潰決情況得到核實，NWS將立即收到通知，并通過語音提示系統發出警報。此外，TVA還向洪泛區內的下游居民發送天氣廣播。為了保證冗余度，警報系統內除復合視頻以外的所有檢測儀器都配備了無線電備份。

4 結語

考慮到皮克威克大壩的多重用途和長期效益，TVA要求任何對大壩的改造都必須經過深入的分析，以確保公眾安全和堤壩效益不會受到損害。TVA對堤壩風險緩解措施進行了排序，其中包括“什么都不做”并維持現有預警系統、新建大壩、碾壓混凝土、結構加固樁、錨桿加固混凝土護面、上游隔水墻、地基加固和護堤，或以上措施的任意組合。最終推薦的設計解決方案是在上游和下游修建護堤并向外延長土堤，以符合TVA規定的震后變形標準（橫向或剪應變小于0.6 m），設計利用3 000 a均布危害度反應譜。

項目詳細設計已于2017年10月完成，預計整個項目將于2020年完工。為了符合《國家環境保護法案》（NEPA）和《瀕危物種法案》（ESA）的規定，TVA付出了巨大的努力，并將通過大量持續的監管來確保符合法案的所有要求。

“增強型監視與監測系統”安裝并啟用之后，TVA已經證實該系統的運行符合預期。TVA采取的IRRM將繼續發揮重要作用。事實上，在該項目之前從未應用過這種類型的系統，而TVA能夠在兩個月內成功應用該系統，確實是其致力于公共事業的又一例證。

當然，TVA希望永遠都不會用到皮克威克大壩的潰壩預警系統，但如果地震真的發生，TVA會盡一切努力幫助周圍社區、急救人員和TVA工作人員做好有效應對緊急情況的準備。