美國(guó)斯賓塞潰壩事件對(duì)寒冷地區(qū)大壩安全管理的啟示

楊彥龍，黃維，杜雪珍

（國(guó)家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江 杭州，311122）

2019年3月13 日，“炸彈氣旋”（指劇烈氣象事件）襲擊美國(guó)內(nèi)布拉斯加州中西部，低氣壓裹挾著墨西哥灣帶來(lái)的溫暖潮濕空氣，在降雨和升溫的雙重作用下，尼奧布拉拉河（Niobrara River）流域積雪融化和冰層破裂，產(chǎn)生了快速的洪水和冰塞。3月14日凌晨，流冰涌至斯賓塞大壩上游，部分疊梁閘門(mén)由于冰凍無(wú)法打開(kāi)，碎冰堵塞了已開(kāi)啟的泄洪孔，持續(xù)的入庫(kù)碎冰和洪水漫過(guò)土質(zhì)堤壩并最終導(dǎo)致潰壩[1]。我國(guó)約有75%以上的地區(qū)有冰凌現(xiàn)象發(fā)生，其中黃河內(nèi)蒙古河段、嫩江上游、黑龍江上游等河段尤為嚴(yán)重[2]。水在結(jié)凍過(guò)程中由于體積的增大會(huì)形成巨大的壓力，解凍時(shí)，冰體由于受到水流和風(fēng)的作用會(huì)發(fā)生漂移，與結(jié)構(gòu)發(fā)生相互作用，有時(shí)候冰對(duì)結(jié)構(gòu)的作用遠(yuǎn)比波浪和風(fēng)的影響大得多，甚至還會(huì)給國(guó)民經(jīng)濟(jì)、人民生產(chǎn)生活帶來(lái)意想不到的災(zāi)害。冰壓力及流冰撞擊力等可能會(huì)對(duì)大壩、閘門(mén)等水工建筑物和設(shè)備造成不同程度的破壞[3-5]。如1957年、1967年官?gòu)d水庫(kù)中的媯水河大橋總計(jì)11個(gè)橋墩被冰力剪斷；2021年3月，哈爾濱方正縣新興大橋因河面冰凌撞擊，導(dǎo)致2號(hào)和3號(hào)橋墩坍塌。目前，國(guó)內(nèi)外大壩安全管理中缺乏凌汛相關(guān)的潰壩模式研究及應(yīng)對(duì)冰凍災(zāi)害的應(yīng)急預(yù)案。近些年來(lái)極端寒冷氣候頻發(fā)，冰凍及冰凌災(zāi)害對(duì)大壩安全運(yùn)行帶來(lái)一定影響。筆者對(duì)斯賓塞潰壩調(diào)查結(jié)果進(jìn)行研究分析，對(duì)大壩潰壩原因及應(yīng)對(duì)措施進(jìn)行了探討，以期對(duì)我國(guó)大壩安全管理有所啟示。

1 斯賓塞大壩潰壩事故

1.1 工程基本情況

斯賓塞水電站位于美國(guó)內(nèi)布拉斯加州尼奧布拉拉河上，距密歇根河匯合口約60 km，流域面積34 913 km2，河口處多年平均流量50 m3/s，大壩下泄流量最終匯入密歇根河上的加文斯角水庫(kù)，見(jiàn)圖1。電站總裝機(jī)容量6 MW，為徑流式電站，無(wú)洪水調(diào)節(jié)能力。水庫(kù)正常蓄水位458.45 m，相應(yīng)庫(kù)容1 023萬(wàn)m3，壩頂高程460.60 m，對(duì)應(yīng)庫(kù)容2 035萬(wàn)m3。工程1927年投入運(yùn)行。大壩重現(xiàn)期100年的洪峰流量為827 m3/s，重現(xiàn)期500年的洪峰流量為1 209 m3/s。

圖1 斯賓塞大壩工程位置示意圖Fig.1 Location of Spencer project

電站樞紐工程自右岸向左岸依次布置土質(zhì)堤壩、支墩式混凝土溢洪道及發(fā)電廠房。土質(zhì)堤壩長(zhǎng)約975 m，最大壩高約7.92 m，設(shè)計(jì)壩頂高程460.60 m，2012年實(shí)測(cè)壩頂高程最低為460.25 m（僅局部）。土質(zhì)堤壩建在河床沉積層上，北部（即左岸）壩體設(shè)置了黏土心墻，南部（即右岸）壩體較淺部分未設(shè)置截水心墻，大壩上游壩坡坡比為1∶2.5，下游側(cè)坡比為1∶2。

支墩式混凝土溢洪道長(zhǎng)122 m，自左至右依次布置1個(gè)排冰/污孔和9孔泄洪孔。排冰/污孔布置于發(fā)電廠房右側(cè)，寬約3.05 m。泄洪孔堰頂高程454.50 m，寬10.2 m，其中1～4號(hào)泄洪孔由4個(gè)弧形閘門(mén)控制，最大開(kāi)度約1.82 m；5～9號(hào)孔由5個(gè)疊梁閘門(mén)控制，疊梁閘門(mén)豎向?yàn)?根工字型鋼，由堆疊在工字鋼槽的6塊木質(zhì)閘板控制下泄流量。所有泄洪孔閘門(mén)全開(kāi)工況下，正常蓄水位458.45 m對(duì)應(yīng)的溢洪道泄流能力約1 076 m3/s，庫(kù)水位在設(shè)計(jì)壩頂高程460.60 m對(duì)應(yīng)的泄流能力約1 855 m3/s，庫(kù)水位在實(shí)測(cè)最低壩頂高程460.25 m對(duì)應(yīng)的泄流能力約1 722 m3/s，大壩有抵御重現(xiàn)期500年洪水的能力。

圖2 斯賓塞大壩潰決前衛(wèi)星圖及現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig.2 Satellite and site map before Spencer dam failure

泄洪孔閘門(mén)操作的正常程序是首先使用弧形閘門(mén)，通常從1號(hào)閘門(mén)開(kāi)始，然后繼續(xù)操作2號(hào)、3號(hào)和4號(hào)閘門(mén)，1號(hào)和2號(hào)弧形閘門(mén)在面板下方有一個(gè)金屬外殼，允許冬季加熱以防止閘門(mén)上結(jié)冰。弧形閘門(mén)完全打開(kāi)后，如果水位繼續(xù)上升將開(kāi)始打開(kāi)疊梁閘門(mén)。

斯賓塞大壩所有者為內(nèi)布拉斯加州公共電力局（NPPD），為一家公共公用事業(yè)公司，大壩安全由內(nèi)布拉斯加州自然資源廳（NDNR）負(fù)責(zé)監(jiān)管，下設(shè)內(nèi)布拉斯加州大壩安全計(jì)劃（NebDSP）具體負(fù)責(zé)大壩安全檢查評(píng)估。NPPD擁有9座大壩，4座由美國(guó)聯(lián)邦能源監(jiān)管委員會(huì)（FERC）監(jiān)管，5座由NebDSP監(jiān)管（含斯賓塞大壩）。

NebDSP擁有8名全職員工，管理內(nèi)布拉斯加州的2 913座大壩，人均管理大壩數(shù)量約是全美平均數(shù)的兩倍。NebDSP主要任務(wù)是審查大壩建設(shè)或改造計(jì)劃；定期檢查所有管轄大壩，確保業(yè)主對(duì)檢查結(jié)果意見(jiàn)做出響應(yīng)落實(shí)；為業(yè)主和工程師提供培訓(xùn)；協(xié)助大壩相關(guān)應(yīng)急準(zhǔn)備和響應(yīng)活動(dòng)，并確保所有高風(fēng)險(xiǎn)大壩都有應(yīng)急行動(dòng)計(jì)劃。NebDSP根據(jù)大壩失事后果評(píng)定大壩風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，管轄大壩中有145座高風(fēng)險(xiǎn)大壩、212座中風(fēng)險(xiǎn)大壩和2 556座低風(fēng)險(xiǎn)大壩，斯賓塞大壩被確定為中風(fēng)險(xiǎn)大壩。2005年以來(lái)，NebDSP將25座大壩由低風(fēng)險(xiǎn)或中風(fēng)險(xiǎn)調(diào)整為高風(fēng)險(xiǎn)，但未調(diào)整斯賓塞大壩風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。NebDSP每三年對(duì)斯賓塞大壩進(jìn)行檢查和安全評(píng)估，最近的一次定期檢查于2018年4月開(kāi)展，檢查結(jié)論指出大壩“存在的缺陷可能導(dǎo)致大壩在遇到罕見(jiàn)的極端風(fēng)暴天氣時(shí)失事”，發(fā)現(xiàn)的缺陷主要有：大壩壩腳有部分滲水；大壩北部斜坡腳下有潮濕區(qū)域；混凝土溢洪道底板磨損、鋼筋外露；消能工磨損到與溢洪道底板相同的高度。

1.2 失事過(guò)程回顧

2019年3月13 日上午，斯賓塞水庫(kù)庫(kù)面一直被冰層和積雪覆蓋，降雨和升溫造成了大壩上游徑流和冰層破裂，隨著時(shí)間的推移，大壩上游開(kāi)始出現(xiàn)冰塞和洪水。下午14∶30，根據(jù)美國(guó)地質(zhì)勘探局報(bào)告，大壩上游64 km處的馬里亞維爾（Mariaville）洪峰流量為875 m3/s，電站運(yùn)行人員18∶00曾收到上游洪水通知，于20∶00將溢洪道1～4號(hào)泄洪孔弧形閘門(mén)全開(kāi)度運(yùn)行，22∶30水庫(kù)超過(guò)正常蓄水位458.45 m，運(yùn)行人員決定開(kāi)啟疊梁門(mén)泄洪孔，但由于冰凍原因?qū)е麓蟛糠织B梁閘門(mén)無(wú)法打開(kāi)。

3月14日凌晨，大壩上游出現(xiàn)多處冰塞和流冰，大量的流冰沖毀了470公路的斯圖爾特-納珀橋（大壩上游40.2 km）和11號(hào)國(guó)道巴特橋（大壩上游19.3 km）。冰塞的突然碎裂導(dǎo)致大量碎冰和洪水涌向斯賓塞大壩，部分大塊的碎冰堵塞了已開(kāi)啟的泄洪孔，庫(kù)水位上漲至土質(zhì)堤壩頂部。持續(xù)入庫(kù)的碎冰和洪水漫過(guò)土質(zhì)堤壩頂部，沖蝕土質(zhì)堤壩下游坡面并產(chǎn)生了數(shù)處溯源侵蝕，同時(shí)流冰摧毀了發(fā)電廠房上游側(cè)的磚墻。3月14日早上5∶15，土質(zhì)堤壩首次出現(xiàn)潰口，隨著潰口的擴(kuò)大，洪水和大量碎冰向下游傾瀉，洪水裹挾著碎冰破壞了土質(zhì)堤壩并席卷摧毀了大壩下游不遠(yuǎn)處的建筑，并造成一人溺亡，隨后潰壩洪峰又摧毀了281號(hào)高速公路及下游幾座橋梁。根據(jù)潰壩后調(diào)查，土質(zhì)堤壩最終分為兩個(gè)潰口，北缺口約198 m寬，南缺口約244 m寬，見(jiàn)圖3。

圖3 斯賓塞潰壩后潰口位置及形態(tài)圖Fig.3 Location and shape of dam breach after Spencer dam failure

1.3 應(yīng)急處置

斯賓塞大壩是一個(gè)中風(fēng)險(xiǎn)大壩，未制定應(yīng)急行動(dòng)計(jì)劃，也沒(méi)有潰壩洪水下游淹沒(méi)圖。斯賓塞大壩下游500 m處，肯尼·安吉爾先生擁有的房產(chǎn)（包括一處住宅、音樂(lè)場(chǎng)所、稻草屋和一個(gè)露營(yíng)區(qū)）建設(shè)于1965年，位于大壩建成之前的河道邊。由于大壩下游存在生命損失，大壩應(yīng)為高風(fēng)險(xiǎn)大壩，需要制定應(yīng)急行動(dòng)計(jì)劃，以便發(fā)生險(xiǎn)情時(shí)及時(shí)和下游聯(lián)系撤離。漫壩發(fā)生的午夜，電站運(yùn)行人員曾上門(mén)建議肯尼·安吉爾先生撤離，但還是不幸遇難。

斯賓塞大壩失事后，意味著尼奧布拉拉河在匯入密蘇里河前的最后一道屏障失效，斯賓塞大壩距離密歇根河上的加文斯角大壩約111 km，潰壩洪水以非常快的速度流到密蘇里河干流，直接沖擊加文斯角大壩。加文斯角水庫(kù)防洪庫(kù)容十分有限，面對(duì)從尼奧布拉拉河滾滾而來(lái)的潰壩洪水，水庫(kù)水位暴漲到比歷史最高水位還高出近0.5 m，入庫(kù)洪峰流量一度達(dá)到5 097 m3/s，遠(yuǎn)超過(guò)該水庫(kù)的3月平均入庫(kù)流量113 m3/s。為確保加文斯角大壩安全，美國(guó)陸軍工程師兵團(tuán)于3月14日上午及時(shí)采取了應(yīng)急調(diào)度措施：一是停止上游蘭德?tīng)柋ご髩蜗蛳掠涡顾詼p小加文斯角水庫(kù)入庫(kù)流量；二是加大加文斯角大壩下泄流量，溢洪道14個(gè)泄洪閘除2孔因冰凍原因無(wú)法啟閉操作外，其余12孔泄洪閘均開(kāi)閘泄洪，將下泄流量從13日的764 m3/s大幅提高到2 831 m3/s[6]。加文斯角下泄洪水導(dǎo)致兩個(gè)城鎮(zhèn)（Niobrara和Verdigre）水廠停運(yùn)和交通不便，由于擔(dān)心密蘇里河沿岸的堤壩潰決，諾福克的另外8 000人被臨時(shí)疏散。

1.4 潰壩原因分析

1.4.1 氣象水文因素

2019年2 月—3月初，美國(guó)內(nèi)布拉斯加州遭遇了極端低溫天氣，最低氣溫達(dá)到-15℃，尼奧布拉拉河上形成了相當(dāng)厚的冰層，厚度達(dá)0.6 m。3月11—13日，氣溫有所升高，最高氣溫達(dá)到9℃，3月13日形成的“炸彈氣旋”襲擊了美國(guó)內(nèi)布拉斯加州中西部，將溫和的空氣和濕氣推向流域上游，加速了融雪，氣旋帶來(lái)的降雨變成了凍雨。在降雨和升溫的雙重作用下，河道兩岸積雪融化、凍土解凍，形成了快速?gòu)搅骱土柩础４髩紊嫌魏拥辣鶎右查_(kāi)始融化，水庫(kù)厚實(shí)冰層的破裂最后導(dǎo)致形成冰塞。冰塞破裂形成洪水，3月13日下午14∶30，大壩上游64 km處的馬里亞維爾（Mariaville）流量為875 m3/s，遠(yuǎn)大于歷史實(shí)測(cè)最大流量176 m3/s（1988年）。3月14日，斯賓塞大壩日平均值估計(jì)為1 082 m3/s，實(shí)際最大入庫(kù)洪峰流量肯定大于該值。

圖4 斯賓塞水庫(kù)庫(kù)面冰層圖Fig.4 Ice on the Spencer reservoir surface

1.4.2 大壩結(jié)構(gòu)因素

斯賓塞大壩為均質(zhì)土壩，最大壩高約7.92 m，南部壩段擋水高度很小，未設(shè)防滲墻，2012年檢查發(fā)現(xiàn)土質(zhì)堤壩壩頂局部實(shí)測(cè)高程最低460.25 m，較設(shè)計(jì)高程低0.35 m，未加高處理。大壩安全定期檢查曾發(fā)現(xiàn)土質(zhì)堤壩下游壩腳有部分滲水，土質(zhì)堤壩北部斜坡腳下有潮濕區(qū)域，混凝土溢洪道存在底板磨損、鋼筋外露，消能工磨損到與溢洪道底板相同的高度，但上述缺陷部分已經(jīng)修復(fù)，并不是本次潰壩的主要誘因。3月14日斯賓塞最大入庫(kù)流量尚未可知，但肯定大于1 082 m3/s，且超過(guò)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，加速了大壩漫頂過(guò)程。根據(jù)事故后調(diào)查，潰壩過(guò)程中水庫(kù)最高水位達(dá)461.16 m，漫過(guò)大壩設(shè)計(jì)壩頂高程0.56 m。除洪水漫頂外，流冰也大量漫過(guò)土質(zhì)堤壩，進(jìn)一步加劇了土質(zhì)堤壩下游壩坡淘刷，加速了大壩潰決過(guò)程，從潰壩后的圖片（見(jiàn)圖5）可知，土質(zhì)堤壩頂部堆滿冰塊。

圖5 斯賓塞土質(zhì)堤壩潰口現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.5 The breach of Spencer dam

1.4.3 運(yùn)行管理因素

溢洪道1號(hào)和2號(hào)弧形閘門(mén)在面板下方有一個(gè)金屬板外殼，可以在冬季加熱，以防止閘門(mén)上結(jié)冰。其余閘門(mén)在極端寒冷天氣條件下，運(yùn)行極其困難，其中5孔疊梁閘門(mén)開(kāi)啟完全依賴(lài)于液壓千斤頂，寒冷天氣冰凍使疊梁閘門(mén)無(wú)法開(kāi)啟。

1935年斯賓塞大壩曾因冰凍發(fā)生過(guò)事故，1960年和1966年，大壩的閘門(mén)和發(fā)電廠房都曾被冰凌損壞。運(yùn)行單位NPPD沒(méi)有完整保存上述歷史事故檔案資料，以至目前的運(yùn)行人員并不知道冰凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的存在，雖然大壩似乎維護(hù)得很好，但大壩的維護(hù)規(guī)定中未包含應(yīng)對(duì)流冰的措施及預(yù)案。

大壩安全管理機(jī)構(gòu)NebDSP人員偏少，一直使用非專(zhuān)業(yè)工程師來(lái)執(zhí)行對(duì)所有低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)大壩和大約一半的中風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)大壩的檢查。2018年對(duì)斯賓塞大壩的檢查是由兩名非專(zhuān)業(yè)工程師進(jìn)行的，提交州政府的大壩安全檢查報(bào)告中未提示流冰洪水對(duì)大壩的潛在威脅。

2 我國(guó)冰凍地區(qū)水工建筑物破壞

2.1 冰凌災(zāi)害

寒冷地區(qū)開(kāi)河或封河過(guò)程中常常出現(xiàn)冰塞、冰壩致使水位大幅度上漲，導(dǎo)致嚴(yán)重的凌汛災(zāi)害。如1962年黑龍江支流結(jié)雅河率先開(kāi)河，而黑龍江未開(kāi)河，結(jié)雅河開(kāi)河后，流冰順流而下聚積在河流交匯口，導(dǎo)致黑龍江下游黑河港碼頭翼墻被冰塊沖擊毀壞，不得不人工破除冰壩避免更大的險(xiǎn)情發(fā)生[7]。1982年松花江佳木斯河段春季流冰形成冰壩，上下游水位差高達(dá)5～6 m，當(dāng)?shù)伛v軍及時(shí)炸毀冰壩才避免了災(zāi)害的發(fā)生[8]。

2.2 冰凍對(duì)水工建筑物破壞

根據(jù)原因不同，冰凍對(duì)水工建筑物的破壞可分為冰推破壞、冰拔破壞、動(dòng)冰撞擊破壞和凍融破壞等[9]。冰推破壞：冰層膨脹產(chǎn)生的靜冰壓力將土壩的護(hù)坡推起造成的破壞；冰拔破壞：冰層和護(hù)坡凍結(jié)在一起，庫(kù)水位上升時(shí)護(hù)坡、齒墻等被拔起或松動(dòng)，庫(kù)水位下降時(shí)冰塊與護(hù)坡凍結(jié)在一起，護(hù)坡受到冰面下降的拉力，向庫(kù)內(nèi)傾斜；動(dòng)冰撞擊破壞：主要發(fā)生在初春解凍時(shí)，庫(kù)冰融化破裂，在風(fēng)力與水力作用下向壩坡涌進(jìn)，撞擊水工建筑物，或者冰塊被推上壩坡甚至壩頂，導(dǎo)致壩坡及防浪墻被沖擊破壞；凍融破壞：冬季室外溫度較低的情況下，混凝土結(jié)構(gòu)因水汽進(jìn)入而受凍結(jié)冰，體積膨脹，使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞。河北黃壁莊水庫(kù)副壩上游護(hù)坡曾受冰推、冰拔循環(huán)作用發(fā)生明顯的隆起破壞，位于庫(kù)區(qū)內(nèi)的橋墩在冰推剪力作用下開(kāi)裂、傾斜，大部分土壩護(hù)坡和建筑物遭到不同程度冰壅破壞，嚴(yán)重影響水庫(kù)運(yùn)行管理[10]。太平哨水電站泄洪閘門(mén)沒(méi)有防冰措施，水庫(kù)封凍后冰層與閘門(mén)牢固凍結(jié)，閘門(mén)前冰層在溫度回升時(shí)產(chǎn)生的膨脹壓力和水位升（降）產(chǎn)生的上抬力（下拉力）對(duì)閘門(mén)有一定的影響和破壞。1984—1997年中，曾有4年太平哨水電站共11扇閘門(mén)被冰壓力上抬開(kāi)啟，還有3扇閘門(mén)頂梁出現(xiàn)向下游的彎曲變形，閘門(mén)上抬開(kāi)啟后，雖開(kāi)度不大（一般約為2 cm），但影響閘門(mén)的正常運(yùn)行，也造成一定的水量損失，尤其閘門(mén)頂梁彎曲變形威脅閘門(mén)的安全運(yùn)行[11-12]。豐滿大壩（舊）由于施工質(zhì)量差，運(yùn)行中溢流面出現(xiàn)嚴(yán)重的凍融破壞，影響大壩泄洪安全[13]。

3 啟示與思考

3.1 大壩設(shè)計(jì)、運(yùn)行維護(hù)應(yīng)充分考慮冰荷載及冰凍（塞）災(zāi)害

大壩設(shè)計(jì)雖有考慮冰荷載，但行業(yè)內(nèi)對(duì)冰力學(xué)的認(rèn)識(shí)還不夠充分，運(yùn)行中對(duì)冰凍災(zāi)害的認(rèn)識(shí)和應(yīng)對(duì)措施仍存在不足。在寒冷地區(qū)河流中修建水壩，需要評(píng)估河流是否容易受到周期性嚴(yán)重冰流的影響，大壩相關(guān)設(shè)施設(shè)計(jì)應(yīng)考慮在極端寒冷天氣期間能安全運(yùn)行的保障措施。因此，有必要對(duì)寒冷地區(qū)河流的動(dòng)態(tài)性質(zhì)進(jìn)行更多研究，包括這些地區(qū)的天氣系統(tǒng)，冰流的形成、頻率、運(yùn)動(dòng)、破壞，以及如何在設(shè)計(jì)、維護(hù)和運(yùn)行時(shí)使大壩等設(shè)施能抵御冰凍災(zāi)害。

3.2 大壩運(yùn)行單位應(yīng)重視歷史上發(fā)生的事故和災(zāi)害

斯賓塞大壩1935年、1960年和1966年都曾發(fā)生過(guò)和冰凍災(zāi)害相關(guān)的大壩安全事故，由于歷史事故檔案丟失、未整理或無(wú)法查閱，后期運(yùn)行人員并不知道冰凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的存在。大壩運(yùn)行單位應(yīng)對(duì)大壩運(yùn)行歷史上出現(xiàn)的事故和異常情況有完整記錄并歸檔保存，且有必要為重大的大壩運(yùn)行維護(hù)記錄制作一份完整的電子記錄留存。

1966—2019 年間，斯賓塞水庫(kù)未真正發(fā)生過(guò)較大的冰塞災(zāi)害，大壩運(yùn)行單位每年都成功將有限的庫(kù)冰通過(guò)泄洪閘門(mén)及排冰孔排向下游，運(yùn)行人員因此相信大壩可以正常排冰。如果運(yùn)行單位對(duì)上游冰塞有足夠的認(rèn)識(shí)和敏銳性，則可以提前采取預(yù)防措施，在事故前的3月13日白天溫度相對(duì)較高時(shí)將所有疊梁閘門(mén)全部打開(kāi)，提前降低水庫(kù)水位，可能不至于造成大壩漫頂潰決。

3.3 應(yīng)保證極寒天氣河流上大壩泄洪閘門(mén)的正常啟閉功能

斯賓塞大壩1號(hào)和2號(hào)弧形閘門(mén)在面板下方有一個(gè)金屬板外殼，可以在冬季加熱，以防止閘門(mén)上結(jié)冰，其余各閘門(mén)均沒(méi)有保暖措施。斯賓塞潰壩事故中，庫(kù)水位開(kāi)始上漲時(shí)，由于午夜時(shí)分氣溫低，疊梁閘門(mén)無(wú)法打開(kāi)，行洪通道受阻，加速了漫壩過(guò)程。我國(guó)也發(fā)生過(guò)因冰凍膨脹導(dǎo)致閘門(mén)被動(dòng)開(kāi)啟和變形的事故。對(duì)于寒冷地區(qū)的大壩，泄洪閘門(mén)開(kāi)啟應(yīng)充分考慮冰凍及冰荷載影響，確保大壩設(shè)施在極端天氣事件中能安全、可靠運(yùn)行。

3.4 大壩安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)應(yīng)定期重新評(píng)估，高風(fēng)險(xiǎn)大壩應(yīng)制定應(yīng)急行動(dòng)計(jì)劃

斯賓塞大壩被確定為中風(fēng)險(xiǎn)大壩，沒(méi)有制定應(yīng)急行動(dòng)計(jì)劃，其實(shí)NebDSP和NPPD都低估了潰壩對(duì)下游房屋、私人財(cái)產(chǎn)和人身安全的影響。根據(jù)大壩下游潛在風(fēng)險(xiǎn)分類(lèi)，斯賓塞大壩應(yīng)確定為高風(fēng)險(xiǎn)大壩，高風(fēng)險(xiǎn)大壩要求制定應(yīng)急行動(dòng)計(jì)劃，并且還可能需要對(duì)大壩進(jìn)行改造以提升防洪能力。

3.5 大壩安全定期檢查應(yīng)該專(zhuān)業(yè)化，充分考慮大壩潛在外部風(fēng)險(xiǎn)

2018年斯賓塞大壩安全定期檢查由兩名非專(zhuān)業(yè)工程師進(jìn)行，從NebDSP提出的大壩安全定期檢查結(jié)果看，大壩結(jié)構(gòu)沒(méi)有特別重大問(wèn)題，但本次定期檢查工作對(duì)大壩失事模式認(rèn)識(shí)不足，對(duì)大壩安全運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別不清。大壩安全定期檢查應(yīng)有專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員參與，專(zhuān)業(yè)配置要齊全，要結(jié)合歷史事故，除結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)外，還應(yīng)識(shí)別大壩風(fēng)險(xiǎn)源及失事模式，如果讓非專(zhuān)業(yè)工程師來(lái)檢查評(píng)價(jià)大壩，則需要經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)人士的評(píng)審。另外，大壩安全定期檢查必須包括對(duì)關(guān)鍵文件和歷史記錄的審查，大壩潛在失事模式分析應(yīng)作為大壩安全審查的一部分。在寒冷地區(qū)從事大壩安全管理工作的工程師需要評(píng)估河流是否容易受到周期性嚴(yán)重結(jié)冰的影響。

3.6 大壩安全監(jiān)管機(jī)構(gòu)應(yīng)熟悉所管理大壩的潰決模式及大壩對(duì)下游的潛在風(fēng)險(xiǎn)

美國(guó)大壩安全行業(yè)缺乏對(duì)流冰風(fēng)險(xiǎn)的知識(shí)儲(chǔ)備。美國(guó)大壩安全官員聯(lián)合會(huì)（ASDSO）維護(hù)著有380例潰壩事故的數(shù)據(jù)庫(kù)，但其中并沒(méi)有因冰凌潰壩的案例。由于歷史記錄遺失，NebDSP作為該州大壩安全監(jiān)管機(jī)構(gòu)，竟然不知道斯賓塞大壩歷史上曾三次因流冰潰壩或損毀，業(yè)主NPPD對(duì)歷史事故也知之甚少。

大壩安全監(jiān)管機(jī)構(gòu)最重要的職責(zé)之一是定期評(píng)估大壩對(duì)下游潛在風(fēng)險(xiǎn)，評(píng)估大壩風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)化的現(xiàn)場(chǎng)檢查程序（包括審查歷史數(shù)據(jù)，利用航空或衛(wèi)星攝影，并在現(xiàn)場(chǎng)檢查期間進(jìn)行驗(yàn)證），對(duì)下游有風(fēng)險(xiǎn)人群的大壩應(yīng)制定并實(shí)施應(yīng)急行動(dòng)計(jì)劃。對(duì)某大壩存在的問(wèn)題，監(jiān)管機(jī)構(gòu)應(yīng)及時(shí)檢查評(píng)估同地區(qū)其他大壩，避免再發(fā)生同一錯(cuò)誤。

3.7 為寒冷地區(qū)有冰凌的河流建立冰凍災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)

電站運(yùn)行單位NPPD雖然有收到上游64 km處的馬里亞維爾的洪水信息，但是沒(méi)有收到任何個(gè)人或機(jī)構(gòu)關(guān)于冰情的通知，電站人員還是按照日常洪水進(jìn)行調(diào)度，沒(méi)有對(duì)上游冰塞災(zāi)害做好應(yīng)對(duì)準(zhǔn)備。因此，所有產(chǎn)生冰流的河流應(yīng)建立冰情監(jiān)測(cè)措施，并在關(guān)鍵大壩、橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施位置建立適當(dāng)?shù)木瘓?bào)系統(tǒng)。

4 結(jié)語(yǔ)

未來(lái)我國(guó)水電開(kāi)發(fā)重點(diǎn)地區(qū)在西藏等西南高海拔、寒冷地區(qū)，容易產(chǎn)生冰凍災(zāi)害，或河道兩岸有冰川分布，冰凌和冰川潰決洪水會(huì)給水電建設(shè)和運(yùn)行帶來(lái)極大挑戰(zhàn)，其相關(guān)問(wèn)題是高海拔地區(qū)水電開(kāi)發(fā)和后期運(yùn)行面臨的重大課題。特別近年來(lái)全球極端天氣事件頻發(fā)，在全球范圍內(nèi)造成了多起潰壩，對(duì)下游造成了重大損失，大壩安全管理面臨越來(lái)越嚴(yán)峻的考驗(yàn)。斯賓塞大壩失事為我國(guó)嚴(yán)寒地區(qū)的大壩建設(shè)和運(yùn)行敲響了警鐘，其經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)非常值得學(xué)習(xí)，以避免類(lèi)似災(zāi)害發(fā)生。