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徐泽平教高:从美国奥利维尔大坝事故看水电与减灾
2017/5/12 9:56:15    新闻来源:中国水力发电工程学会

     本网讯 中国既是洪旱极为严重的国家,又是地质灾害常发、多发的国家,水电开发与地质灾害之间究竟是什么的关系?讨论产生概念,争论产生思想!为了向社会各界介绍水力发电、水库大坝和地质灾害的科学关系,中国水力发电工程学会、中国大坝工程学会于2017 年5 月12 日(全国减灾日)上午9:00~12:00 在华北电力大学主楼D区216会议室召开"水力发电与地质减灾"科普论坛。论坛特邀四位专家,结合美国奥罗维尔大坝事故等热点问题,围绕水库大坝在地质减灾方面的重要作用,做专题讲座,并同与会代表进行现场交流。

    中国水利水电科学研究院徐泽平教高做《从美国奥利维尔大坝事故看水电与减灾》主题报告。

  

 徐泽平:

    很高兴跟大家分享水力发电与地质减灾的问题。今天正好是全国防灾减灾日,好像是512汶川地震后定下来的。512地震的时候我当时也是专家组去紫坪铺水库坝顶上处理大坝的问题。说到水力发电和地质减灾的问题,其实今天我主题是介绍一下美国Oroville大坝事故,因为这个在几个月前发生的事故,在业内和新闻媒体上都引起了很大的反响,有的媒体说美国最高的大坝要发生溃坝了,20多万人都转移了,实际上并不是那么回事。

    减灾日说到减灾的时候,报道上感觉自然灾害越来越多了,实际上自然灾害和人类的活动还是有比较大的关系的。这里面说的可能主要的一个就是气候变化的问题,前面有几张PPT说一下全球气候变化的现实。关于全球气候变化实际上还有一部分人有争论,包括美国新当选的特朗普总统好像就不认为全球有气候变化问题,但是实际上统计发现,目前全球的气候正在经历以升温为特征的这么一个变化过程。从1990年到2005年地球表面气温增高了0.74度,上面有一个图是中国50年内的气温增加统计,可以看到在北方大部分地区有高的气温,在南方地区气温没有什么太大的变化,实际上跟地域是有一定关系的。

    讨论到全球变暖的问题,影响大概分成两个部分,一个是增加了洪水干旱以及地质灾害发生的频率和强度,再一个是加剧水资源分布的不平衡和供需的矛盾。今天要谈的地质灾害,地质灾害很大情况下是跟我们降雨有很大关系的。

    说到水力发电和减灾,实际上水力发电包括我们修的水利大坝也好,都属于水利基础设施。水是一种基础性的自然资源、战略性的经济资源、生态环境的重要控制因素,所以从这个角度来说我们需要建一些工程来给我们提供更多的水资源,就是我们需要更多的水。但是水多了也不好,水多了也会造成洪水灾害,而且也会造成地质灾害的问题。所以从这个角度来说,水利基础设施是管理水资源、减少自然灾害的一个重要的手段。

    总结一句话就是,面对人口增加和全球变暖的形势,水库大坝在未来要发挥越来越重要的减灾作用。可以从两方面理解,因为刚才说气候变化的原因是和人类活动有关的,我们建了这个大坝工程以后减少温室气体排放,对气候是有一定影响的。另外一方面,它本身调节水资源,也会起到作用,这是从一个正面的角度来说。但是另外一个方面,就是水库大坝也会对下游形成一定程度的安全风险,水库大坝的安全对于公共安全具有非常重要的作用。水电工程高效可靠的安全管理,将使水库大坝在发挥减灾作用的同时,也使它自身不成为灾害发生的因素。

    下面我就重点介绍一下美国Oroville大坝事故的情况。首先说位置,Oroville大坝位于美国加州,美国加州主要的水资源是集中在北加州,大坝在加州北部的山区,这个是大坝谷歌上的一个图。

    这是整个Oroville大坝的图,大坝是芯墙堆石坝,坝高234.7米,是美国最高的大坝,2013年的时候我曾经去过这个大坝,这个坝顶高是281米,坝轴线长2109米,库容44亿立方米,大坝就是供水、发电、防洪。这个是主坝,这儿有两个厂房。在右岸山体建了一个溢洪道,这个正常的溢洪道边上就是紧急溢洪道。主溢洪道宽54.5米,长930米,堰顶248米,泄流能力4200/秒。紧急溢洪道,是一个宽530米的溢流堰。

    这个事情背景是这样,前几年我也去过加州几次,在前年去加州的时候跑了它几个水库,加州的水库基本上都是干的了,库都见底了,所以加州北部连续经历了四年的干旱,但是在今年,2016年冬季遭遇了持续的强降雨,主要来源夏威夷的水区输送和北极的冷空气在这儿碰撞形成了。这张图就是加州北部的这几个水库的情况,整个高度是库容能力,这个相当于满库,这就是基本满了,这还没满,一半,这几个水库可以看出来,2016年—2017年冬季,加州北部的大部分水库都接近于满库或者半满的情况,所以一下就是剧烈的从严重干旱转为洪水的季节。

    这个是坝最干年份一年的水位过程线,这是它最丰水年的过程线,这条蓝色的线实际上就是20162017年的过程,可以看出来,实际上它已经超出了历史上最丰年的情况。

    先看一下这个图标,这个黄色的是它的库水位线,这个颜色的是它的入库流量,底下的绿色的是出库流量。我们看一下整个过程,今年27日的时候,就是在这个时候,它的入库流量达到一定程度以后就开始泄洪了,刚开始泄洪的时候发现溢洪道发生了破坏,28日的时候,溢洪道破坏以后赶紧把闸门关了,出库流量就降下来了,9号又来了大的,溢洪道泄洪的时候又慢下来了,关了一部分闸门,所以这个水位就上升的很快,到10号的时候这个破坏就迅速的发展。所以这个水库水位超过了非常溢洪道的堰顶高程,这个非常溢洪道就开始泄洪,就发现问题,非常溢洪道上面的山体发现了破坏,所以212日加州政府就发布了紧急疏散令,到了212日夜里的时候,这个水位降到非常溢洪道堰顶以下了,水位再持续下降的时候,214日就把这个强制疏散的命令改为警告了,你可以回家,但是还是警告你要随时注意来水的情况。这是从它开始泄洪一直到最后发生破坏,一直到最后强制撤离。所以整个过程中,中央电视台的报道、新闻的报道都说美国最高的大坝要发生溃坝了,实际上不是这么回事,实际上是溢洪道出了问题,这个大坝是安然无恙的。这是它的整个大坝,一点问题没有,出问题的是它的溢洪道,就是说在27日的时候主溢洪道泄洪的时候,在泄流量达到1543/秒的时候,发生了流态的异常。紧急把闸门关了以后,发现溢洪道的泄槽破损冲出了一个大洞。但是水库的水持续往里面进,但是它的溢洪道又出了问题了,你不能让它漫顶,漫顶以后就出问题了,所以溢洪道还在带病运行,所以28日、29日的时候运行一段再关上看看,29日的时候整个冲出来的洞口已经把泄槽全部贯穿了。这个时候主溢洪道是属于带病运行,虽然有了冲坑但是还是继续泄流,这个时候非常溢洪道也开始泄流了。

    咱们新闻报道里面有一个词,他们说Oroville大坝没有办法只能开启非常溢洪道,这个概念是不对的,非常溢洪道相当于保险丝一样的,没有说开启不开启,没有闸门控制,水位到了这个堰顶以后自然就下泄,低于堰顶就停了,下面是没有任何保护的,就是一个山体,这个水顺着山体就往下流了,没有固定的泄槽。

    这个是从视频截下来的,看着非常溢洪道的时候水流就顺着山坡往下流,这个时候因为整个山坡没有保护,所以水流泄下来的时候发生了破坏。

    这是一个很明显的示意图,当这个水位超过堰顶的时候自然往下流了,但是在山体发生了一个冲坑,所以为什么加州政府要疏散?是担心这个冲坑往溢洪堰的堰顶发展,如果破坏了整个堰顶的基础就会造成堰顶的突然倒塌,这个堰有多高呢?50英尺、大概15米左右的堰,如果发生突然倒塌的时候会形成一个小的洪峰,这个小的洪峰可能会对下面影响。所谓说它的风险,由于这个非常溢洪道溢洪堰如果这个堰倒塌会产生一次洪峰,这个洪峰可能会造成影响,所以才疏散了18万—20万的下游人口。这个和大坝的溃坝完全是两回事,不是一个概念。

    这是当它水位降下来以后非常溢洪道就停止泄流了,可以看出来的确在这些位置出现了一些冲坑,而且最近的冲坑已经离溢洪堰的堰顶已经很近了,这个是12号下达疏散令,14号形势缓解以后疏散令改为疏散警告了。

    今天咱们说的主题叫"水力发电和地质灾害",具体说到Oroville大坝的溢洪道为什么会出现这么一个事故?分析事故原因的时候,目前为止还没有一个官方的结论,因为它出事以后我们也和他的业主单位加州水资源管理局也想去现场做一个考察,但是他,一个当时也在忙着抢险,一个是到现在也没有完全结束,所以他说汛期过了以后67月份有可能要开一个公开的讨论会,大家讨论一下具体发布一个官方的事故原因的分析。但是从现场来说,因为这个事情刚出来以后我就在中国大坝工程学会大坝新闻的微信公众号上写了一篇文章,发表了我初步的判断,那篇报道点击率还是比较高的。初步看可以看出来,实际上溢洪道这个地质基础是很糟糕的,这个溢洪道的基础存在一个地质缺陷,就是它在溢洪道底板以下这么一个范围之内是一个松散的接近于土的这种情况的风化比较厉害的岩石,所以一旦你的溢洪道如果有裂缝、有水流进去以后很容易产生冲蚀,这个如果发展就会形成空洞,形成空洞就会造成底板断裂,我觉得这是很主要的原因。

    从这张图里面也可以看出来,这一部分的溢洪道底板下面的地质条件是非常糟糕的,而且这个表层的风化也非常严重。而且我感觉它好像在底板没有做这个处理,所以他在做溢洪道的时候对地质问题没有引起足够的重视,没有做很好的基础处理,所以就在它的运行过程中造成了事故。

    这张图可以看出来,山体这个地方都是很容易被冲蚀的,但是到了这个地方岩石不错了,冲蚀到一定程度就能够稳定下来了。

    这也是一张鸟瞰图,在造成溢洪道出了事了以后,造成大量的冲蚀以后,山把这个碎石淤积到河道里,造成另外一个问题,回水太高了,结果电站就没办法运行了,实际上降低水位的时候如果电站运行的时候,还要出大概几百个流量,也能帮助降低库水位。但是这个溢洪道出了问题以后,他把河道这个地方淤堵以后,后面的围水太高,电站也难运行了,所以他抢险的时候做了两件事,一个,要紧急修复这一块,所以他最后是动用了大量的直升机吊着石块,把石块充填到这个山坡上,再浇混凝土,不让它这个冲蚀继续向非常溢洪道的堰顶来发展。另外,加紧疏浚下游的河道,让电站能够尽快的恢复运行。

    这也是溢洪道底下的地质画面的图。

    这张照片就是他们在疏浚下游的河道,来保证尽快的让电站开始运行,来控制这个水位。因为这个水是持续不断入库的,所以在这种特殊情况下溢洪道实际上是带病运行了,但是带病运行的时候加强了观测,一个,控制了下泄的流量,再一个,整个周边都一直在做这个观测,这个是在溢洪道已经出现事故的时候他仍然在泄流。这个地方已经出了冲坑了,但是为了降低库水位实际上带病运行,这个水还是往下泄,但是到了冲坑的时候已经跨过这个仓,下游已经不起作用了,实际上是拐弯从山体里边。

    这个是非常溢洪道的山体,这个是冲出来的冲沟。

    这个是他在直升机抛洒的石块以后再浇混凝土,把这个非常溢洪道下游的坡面做了一个保护。可以看到这个时候实际上水位已经开始下去了,那个是他在公路上排队搅拌混凝土的车来做下游的这个情况。

    这是整个过程,下面我想谈一下教训和结论。

    水电开发中的水库大坝是科学减灾的重要手段,它关系到防洪安全、供水安全、粮食安全,而且关系到经济安全、生态安全和国家安全,所以大坝的安全实际上关系到方方面面,所以科学的大坝安全管理对于国家具有十分重要的战略意义,需要高度重视。这是一个结论。为什么现在咱们高坝大库也很少出事故呢?就是因为我们对这方面也很重视,因为你重视以后才能少出事故,这是从两个方面来理解,就像我们说的你坐汽车和坐飞机,飞机一旦出事后果很严重,但是对飞机的安全也非常重要,所以出的事相对比较少。

    第二个结论,高坝大库的安全管理是一项非常细致的工作,不能有一丝疏忽。像美国Oroville大坝这个事情,就是管理上存在一定的问题,但跟美国最近这些年在基础设施投入上,减少了投入也是有一定的关系。Oroville大坝实际上在世界上非常有名,它是在一九六几年就建成了200多米高的大坝,那个时候中国的土坝没有超过100米的时候,所以它当时建的时候还是很先进的,但是这么几十年过来以后,安全的管理需要持续不断的投入的,如果你忽视了这个安全管理上的投入,那么将来它一定会有事故来惩罚你。

    全球气候变化对目前大坝安全管理的形势有非常重要的影响。由于来水的枯水年到丰水年的变化非常剧烈,像加州这种情况连续四年大旱以后突然来了一次超过历史上最大的这个丰水年度,所以这个丰、枯变化突发事件就会增多,所以对大坝安全要保持高警惕性。

    第三个方面,在大坝安全管理中要特别重视地质问题。地质的隐患一般来说是不容易发现的,而且一旦出问题的时候是措手不及,你看也看不到,一出问题就措手不及,所以现在大坝安全的管理特别强调监测仪器的作用。科学技术进步以后还要增加新的仪器,实现对大坝全方位的监控。

    最后一条,要对每个高坝大库,建立切实可行的应急抢险预案。美国这个大坝虽然出事,但是他们的抢险还是可圈可点的,还是做的非常好的,包括这种豪华的直升机群的出动,所以他这个国家的实力还是在那儿的,一旦出问题还是投入得上去。

    我的汇报就这些,谢谢大家!

(录音资料,未经本人审阅。如正式引用,务必请与作者本人核实)

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