美国德里湖大坝溃决事故调查

杜德进 编 译

（国家电力监管委员会大坝安全监察中心，浙江 杭州 310014）

0 前 言

爱荷华州的德里湖大坝于2010年7月溃决，调查表明事故是由创记录的降雨、闸门缺陷和与生俱来的设计缺陷造成的。漫顶导致土坝侵蚀，最终泄空了德里湖，造成了数百万美元的财产损失。

在大坝上游流域经历两天的强降雨后，德里湖大坝于2010年7月24日溃决。下面详细分析大坝的历史、爱荷华州自然资源部在组织和帮助独立工程师调查组对溃决事故进行调查中的作用、大坝溃决调查过程、大坝溃决可能的原因及得到的教训。

大坝溃决首先是从2010年7月24日下午1点开始的。溃决时估计洪峰流量为69 000 ft3/s（约21 030 m3/s）。大坝溃决给大坝上游库区和下游社会造成了大量的财产损失，幸运的是，没有人员死亡。

失事调查中，重点考虑了以下几个方面：

（1）大坝的设计：该坝为土坝，以钢筋混凝土心墙作为坝体防渗体；

（2）大坝材料：坝体好像含有低塑性的沙土；

（3）大坝泄洪能力：大坝初始设计水库水位为900 ft（274.32 m）时的泄洪能力是 25 000 ft3/s（707.92 m3/s）；

（4）大坝泄洪闸门卡阻，导致洪水时闸门无法全部开启。

1 德里湖大坝的历史和背景

德里湖大坝位于德里镇南部1.4 mi的Maquo-keta河上。Maquoketa河位于爱荷华州的东北部，是密西西比河的支流。大坝由洲际电力公司建设，建于1922～1929年，主要目的是发电。

1968年发电功能被取消。大坝目前由德里湖娱乐协会拥有并负责运行。1991年，按照爱荷华州357E法令成立了德里湖联合娱乐和水质税务管理区，向湖区居民按照评估资产征收4～1 000美元的附加税，以保障大坝和湖区的管理。2005年为了筹集湖区疏浚资金，管理区发行了免税债券。

图1 大坝失事后鸟瞰图（来自爱荷华州Wing Civil Air Pa-trol）Fig.1 Aerial view of Delhi dam failure(photo courtesy of Iowa Wing Civil Air Patrol)

2008年，大坝的泄洪闸门及导水装置（wicket gates）被破坏，大坝岩基出现了危害性的冲刷。在接待联邦紧急事务管理署官员时，税务管理区提出修复湖区和大坝并得到了批准。在2010年洪水来临时，几项修复工程已经完成，另有几项工程正在进行中。

尽管临湖建筑主要为私人所有，公共交通和爱荷华州自然资源部（IDNR）官员的湖面巡逻仍是允许的。爱荷华州自然资源部大坝安全人员每五年对大坝进行安全检查，2009年进行了最近一次全面检查。在此次检查中，提出了需要对溢洪道闸门进行修复。爱荷华州自然资源部（IDNR）要求德里湖娱乐协会在2009年底前完成修复工作。

爱荷华州国家自然资源部（IDNR）2010年1月的复查发现，修复工作正在进行，2010年7月大坝溃决前没有完成。

德里湖大坝的原设计坝型是混凝土坝和土坝。704 ft（214.58 m）的大坝由以下几部分组成：连接左岸石灰岩坝肩的60 ft（18.29 m）长的钢筋混凝土加固填土断面、61 ft（18.69 m）长的常规钢筋混凝土厂房（厂房内安装了两台S.Morgan Smith水轮机和两台西屋公司的发电机，每台装机容量750 kW）、一座86 ft（26.21 m）长的带垂直提升闸门的沃奇式溢洪道，共有3扇闸门，尺寸为25 ft×17 ft（7.62 m×5.18 m）、一座495 ft（150.88 m）长的混凝土心墙土坝。

土坝断面原施工时上游坡比1V∶3H，下游坡比1V∶2H，嵌入大坝南部（右岸）岸坡。大坝南侧断面（右岸）坝顶宽度25 ft（7.62 m），坝顶高程904.8 ft（275.78 m，NGVD29坐标系）。

大坝混凝土部分的最大断面高59 ft（17.98 m），土坝断面最大高度约43 ft（13.11 m）。大坝上游的德里湖水库库区面积大约为440 acre（1.78 km2），水库正常蓄水位（高程896 ft，273.1 m）时库容3 790 acre-ft（467.69×104m3），坝顶高程（904.8 ft，275.78m）对应库容为9 920acre-ft（0.12×108m3）。溢洪道堰顶高程879.8 ft（268.16 m）。溢流堰内部充填石块。

大坝左坝肩的混凝土加强土坝原施工时有两个平行的混凝土挡墙，基础坐落在基岩上，间距20 ft（6.1 m），中间填充岩石。

1967年，在原挡墙上游设置了一座混凝土框格墙并再次进行了填充。

该部分下游是一个公园，也是厂房维护时的转运场。

图2 德里坝溃决过程，心墙依然在（来自爱荷华州自然资源部，IDNR）Fig.2 The breach of Delhi dam in progress;the core wall is still in place(photo courtesy of Iowa Department of Natural Re-sources)

2 大坝失事调查组的组成

针对德里坝失事，爱荷华州政府向国家大坝安全审计署（the National Dam Safety Review Board）申请，要求组建独立工程师调查组（IPE）对德里湖大坝漫顶和失事的原因进行评估。该申请于2010年8月6日向联邦紧急事务管理委员会（FEMA）办公室提出。国家大坝安全审计署包括联邦和州政府代表，也包括私人机构的代表，在FEMA的指导下开展工作。国家大坝安全审计署根据2006年《大坝安全法案》（公共法律109-460）依法成立，为FE-MA主任提供确定国家大坝安全优先决策事项、编制影响大坝安全的国家政策的建议。

2010年8月6日，爱荷华州政府以书面形式确定了独立工程师调查组的检查范围：

（1）检查工程导致水库溃决的运行特性；

（2）对大坝失事进行评估，确定失事模式；

（3）就调查发现的水库溃决原因和事故重要教训提交最终报告。

在2010年8月27日FEMA副主任致爱荷华州自然资源部部长的公函中，提出了一个在国家大坝安全审计署主持下的三人独立工程师调查组。这三名经验丰富的、在大坝安全方面代表联邦机构的成员，包括垦务局的William Fiedler、联邦能源监管委员会的Wayne King和美国陆军工程师兵团的Neil Schwanz。

机构各自承担此次调查的时间和差旅费用，州财政没有为调查支付费用。

3 调查过程

为了完成此次调查任务，独立工程师调查组首先收集、分析了关键资料。调查组独立运作，可以自由询问任何个人、查询任何需要的信息。

工作的主要内容包括：德里湖大坝的设计和施工、大坝的后续修改、大坝的管理和运行过程、此前大坝的检查和评估、导致大坝溃决的事件过程和大坝溃决过程以及对大坝溃决的应急响应。

调查组主要活动始于2010年9月6日，在爱荷华州持续开展一周。2010年9月7日，调查组在位于爱荷华Des Moines的爱荷华州自然资源部办公室检查了有关记录，并同爱荷华州自然资源部（ID-NR）的有关人员以及大坝运行人员、业主代表和当地居民进行了交流。2010年9月8～9日，调查组检查了大坝现场、上下游地区，并同当地政府部门和德里湖娱乐协会的有关人员进行了补充的交流。2010年9月10日，调查组在Des Moines的爱荷华自然资源部办公室工作，检查其它记录、安排另外的交流。

资料收集完成后，调查组开始起草报告。对原设计和后来修改的地质勘探资料进行了彻底的复核。因为原设计图纸和报告对原始基础和地质勘探设计不是十分清楚，因此对失事后遗留的土坝土样进行了测试，同时对基础用两个手动螺旋钻进行了取样。

调查组用失事后不久IDNR提出的HEC-RAS模型进行了水文和水力学分析。大坝溃决后对于一扇溢洪道闸门无法完全打开产生了许多疑问。对调查组而言，关键是做“假定分析”情节以解答这些疑问。调查组从水库上游曼切斯特市的美国地质监测站取得了一些流量数据，但是，依然有明显的入库区间流量需要估计。

调查组也基于有关证实材料和照片对应急管理响应和事件发生过程进行了评估。

表1 德里湖大坝溃决过程Table 1:Review of the emergency management response and a timeline of events

4 爱荷华州的信息提供作用

为了保证调查工作的不偏不倚，爱荷华州自然资源部只负责收集目击证据、提供大坝历史记录。爱荷华州自然资源部在调查报告编制过程中没有发挥主动作用，这就保证了调查组不但可以检查失事事件本身，而且还可以检查直到大坝失事那一刻的州大坝安全程序和管理规则。

5 调查组结论

调查组的主要结论如下。完整的结论和建议可以查阅IPE全文。

5.1 大坝设计和施工

有关土坝筑坝材料的级配和密度资料非常有限。看起来大坝填土是均质材料，大坝中心线上游设有混凝土心墙。对遗留坝体材料进行了取样和试验，结果表明是低塑性的砂土（塑性系数为9）。

溢洪道右边墙附近混凝土心墙设在深入基岩一定深度的钢板桩顶部。调查发现，从溢洪道边墙到边墙以外20ft（6.1 m）的范围内，心墙直接置于基岩上。此点以南的钢板桩深入基岩的深度是知道的。坝体截水墙延伸到离坝顶约6ft（1.83 m）的位置。

相对于截水墙另一侧的土坝，钢板桩顶部的混凝土截水墙是坝内的垂直刚性单元，不会随时间产生沉降。这就可能在截水墙位置产生不均匀沉降，从而在截水墙填筑料内产生从截水墙顶部开始的裂缝，这些裂缝就成为截水墙可能的渗漏通道。由于坝体材料的低塑性，就出现了坝体内部发生侵蚀并快速发展的情景。

溢洪道是德里坝的主要泄洪通道。老电厂发电的泄洪能力大约为500 ft3/s（14.16 m3/s），与溢洪道相比很小。溢洪道由3扇25 ft×17 ft（7.62 m×5.18 m，宽×高）的直升式闸门调节，在904.38 ft（275.66 m）（NGVD29坐标系，当地坐标系为130 ft，39.62 m）水库水位、3扇闸门全部打开时的泄洪能力估计约为32 000 ft3/s（906.14 m3/s）。

5.2 2010年7月洪水前的大坝性态

调查组没有得到大坝不利运行的报告，也没有得到大坝下游面及下游坝趾发现明显渗漏的报告。尽管直到最近的失事事件为止大坝运行情况良好，但很可能此前的库水位没有达到过超过心墙顶高程（898.8 ft，273.95 m），或者持续了足够的时间导致出现内部侵蚀。

图3 德里湖大坝平面布置Fig.3 General layout of the Delhi dam and spillway(photo courtesy of Iowa Department of Natural Resources)

过去大坝闸门就一直操作不灵。闸门导轨在底部成锥形，在完全关闭或接近完全关闭位置闸门有卡阻现象。在以前的洪水期间，曾用起重机开启闸门。

紧邻溢洪道南部的土坝段缺少维护。2∶1的下游坡面致使难以进行渗漏检查。

5.3 洪水期间水库运行情况

在7月22～24日洪水期间，3号闸门开启高度不超过4.25 ft（1.30 m），显著降低了溢洪道的泄洪能力，但在库水位超过心墙顶高程898.8 ft（273.95 m）前大坝运行性态没有发现异常。在此过程的8 h之内，在水库里发现了漩涡，大坝上游面的高高程部位发现了渗坑。第一个漩涡是早上3∶30在混凝土结构以南40～50 ft（12.19～15.24 m）处发现的，后来发现的第二个漩涡估计在混凝土结构以南约100 ft（30.48 m）。

7月24日上午6时左右，溢洪道边墙以南40～50 ft（12.19～15.24 m）处首次发现了下游坝坡的渗漏。上午6时，在首次发现漩涡和渗坑的地方出现了坝顶沉陷。所有这些现象和土坝心墙顶部以上、混凝土心墙下游部位出现的内部侵蚀相一致。

7月24日（星期六）中午12∶30时左右，大坝溃决开始加快。大坝溃决是由于土坝内部侵蚀、土坝漫顶水流和混凝土薄心墙结构破坏造成的。

7月24日下午1∶00时左右，土坝完全溃决。混凝土心墙因洪水和土坝下游土料的侵蚀造成的荷载差异而破坏。由于土坝坝体材料的不断侵蚀，心墙段也发生了倾倒，最终形成的溃口宽度达235 ft（71.63 m）。可能正是由于混凝土心墙的阻挡作用，减缓了大坝溃决的速度。

德里湖大坝溃决没有造成人员死亡。这可以归结于以下几个因素：心墙可能减缓了大坝溃决的速度；大坝溃决前几小时就发布了大坝失事警报；溃坝洪水波在农田里发生扩散，降低了下游Hop-kinton、Monticello社区的洪水水位；在 Hopkinton、Monticello社区进行了挨家挨户的动员，撤离了后来被淹地区的所有居民。

5.4 洪水期间水库可能的运行方式

调查组评估了许多场景以确定不同的溢洪道运行方式是否会出现不同的库水位、大坝是否会出现溃决的后果。

研究的一个选题是溢洪道闸门部分关闭的后果。2011年7月22～24日洪水期间，对3扇闸门都开启到1号闸门的最大开度18 ft（5.49 m）的情况进行了调洪演算。调洪演算结果表明，如果3扇闸门完全打开，德里湖大坝不会漫顶。然而，水库水位将持续超过心墙顶高程2.4 ft（0.73 m）约一天时间，这也可能会引发土坝内部的侵蚀。根据可能出现的通过土坝渗漏的持续时间可以断定，即使3扇闸门完全开启，大坝也会遭受毁坏甚至可能彻底溃决。

来自下游居民的一个质疑是大坝运行人员应该根据预计的入库洪峰流量预先降低水库水位。为此进行了调洪演算，对洪水来临前降低水库水位2 ft、4 ft、8 ft（0.61 m、1.22 m、2.44 m）的效果进行了评估。调洪演算评估结果表明，按设想水平降低库水位，大坝仍可能漫顶，且库水位会相当长时间内超过心墙顶高程。这反映出一个事实，即与洪水洪量相比，水库库容相对较小，提前预泄腾出的库容都可能在洪峰来临前就被充满。

5.5 大坝失事原因

根据目击者的描述、照片、视频和有限的开挖勘测，大坝溃决的原因是土坝内部的侵蚀和漫顶水流。

图4 库水位高于心墙顶高程（898.8 ft，273.95 m）的估计时间Fig.4 Estimated time of reservoir levels higher than the top of core wall(shown at EL898.8 feet NGVD)

坝体内部侵蚀最可能是由邻近心墙土坝材料的不均匀沉陷引发的渗漏通道引起的。

事后调查表明，失事模式是由库水位超过混凝土心墙顶高程引发的，由于3号闸门开启4.25 ft（1.30 m）后无法继续开启而加剧。

混凝土心墙的布置位置、设计和没有伸入坝顶这一事实上使得库水位一旦达到心墙顶高程就使土坝材料更易发生内部侵蚀。

调查组相信，任何只要洪量足够将库水位抬升至混凝土心墙顶高程以上几个小时的洪水，都会导致坝体发生管涌/内部侵蚀。

如果坝体内部不出现侵蚀，根据洪水模型（一扇闸门不能正常运行）预计的洪水最大漫顶深度（1.4 ft，0.43 m）和持续时间（16 h），也可能因漫顶和溯源冲刷而造成溃决。

根据NRCS侵蚀分析程序WINDAM对溃决点的漫顶冲刷侵蚀进行了预测，WINDAM分析摘要已经包括在完整的调查报告中。

其它几个能够增加漫顶侵蚀可能性的因素是下游1∶2的坝坡、在最近检查报告中描述的位于坝趾的侵蚀特征、块石坝趾和1920年代施工时的路基材料、未知的（但可能是较低的）土料现场密度以及下游坡的树木和杂草。

相反，如果大坝没有经受漫顶水流（这就要求3号闸门在2010年7月22～24日洪水中完全正常运行），大坝仍可能因坝体自身的内部侵蚀机制而导致大坝溃决。

5.6 建议和教训

目前为止，调查组的调查范围是有限的。为了更好地理解德里湖大坝的溃决机理，提出以下几点建议：

（1）对遗留的渗坑和渗坑到出露点的水流路径进行勘查；

（2）对遗留的土坝、1967马道和基础土料（包括但不限于土料级配和关键的材料特性参数）进行彻底的勘查。

独立工程师调查组也对大坝安全管理和大坝安全程序提出了以下几点建议：

（1）应开发一种更切合实际的、根据危害程度对大坝进行分类的方法，以符合相关的设计标准。爱荷华州自然资源部将德里大坝划为中等危害程度的大坝，但Ashton工程公司将该大坝划为低危害程度的大坝。这个分类影响了大坝的设计洪水标准。

（2）承担爱荷华州自然资源部大坝安全检查的检查人员和进行大坝安全评价的工程咨询公司应有很丰富的大坝工程和潜在失事模式分析的经验。德里湖大坝设计上有薄弱环节，有经验的工程师应该能够认识到这些薄弱环节，并可能因此进行进一步的勘察。

（3）洪水期间3号闸门不能完全开启看起来是由闸门左导轨混凝土没有完全修复造成的。为了能够清楚地界定大坝安全关键问题及其影响，必须进行严格的培训和建立一套有效的处理机制，确保这些问题能够尽快得到彻底解决。

（4）根据德里湖大坝的历史入库洪水，复核/更新2010年7月洪水的重现期。

5.7 下一步工作

德里湖娱乐协会正计划重建大坝，可能重新安装发电机。这一重建计划的资金来源还未得到落实。娱乐协会正计划开展全面的工程研究以确定大坝可能的重建方案。

爱荷华州正会同大坝业主和评估大坝溃决的其他人员继续改进管理程序。

ASDSO最近已经组成了一个委员会来评估德里湖大坝及其他溃决大坝的失事调查（程序）以改进现行的大坝失事调查方式。

[1]Fiedler,W.,King,W.,Schwanz,N.2010,Independent Panel of Engineers:Report on Breach of Delhi Dam,December 2010[R].State of Iowa,Lake Delhi Recover and Rebuild Taskforce Report,December 2010.