美国皮克威克大坝溃决风险预防措施

［美国］B.奥尔德

1 皮克威克大坝概况

皮克威克（Pickwick Landing）大坝位于美国田纳西州哈丁郡，修建在田纳西河上，东距孟菲斯市和新马德里断层约160 km。该坝始建于1935年，目前的主要功能包括防洪、航运、供水、发电、娱乐及水生态维护等，皮克威克水库是田纳西河和汤比格比河航道的关键连接点。

大坝南部土石堤坝全长1.3 km，最大坝高19.8 m，坝顶高程436.50 m。由于洪泛平原内的土壤深度约为16.7 m，通过常规开挖放置混凝土结构来形成坝体不现实。因此，堤坝的施工采取了水力充填法，该方法可以全年进行施工，同时又可以就地利用从水闸挖掘出来的有用土料，降低成本和工作量。当初修建大坝时，人们对大坝建设的抗震安全性还知之甚少。地震稳定性评估得出的结论是，皮克威克大坝容易出现变形，不符合目前田纳西河流域管理局（TVA）的震后稳定性标准，如上下游方向的变形要小于0.6 m（变形分析并不考虑大坝内部产生的裂缝，这种裂缝也可能导致溃坝）。

虽然坝址附近的条件未发生改变，但坝体存在受远处地震影响的可能性，即沿新马德里断层发生的大规模地震可能会波及到大坝并对堤坝造成破坏。需要指出的是，这样的地震事件可能造成很大范围的破坏。因此，TVA一直在致力于实现以下目标：

（1）保障公众安全；

（2）临时性风险消减措施（IRRM），包括沟通、教育及意识提高，完善紧急行动计划（EAP）及加强监控监测等；

（3）通过可行性研究项目解决现代化抗震问题；

（4）国家环境保护法案（NEPA）的准许；

（5）减灾措施的设计和实施。

堤坝溃决可能导致的洪水，与田纳西州萨凡纳河近些年多次发生的洪水类似，相当于10 a一遇。然而，由于目前水面上升的速度比以往要快，所以洪水波到达的速度比以前也要快很多。为解决快速洪水波问题，TVA建立了“大坝溃决预警系统”，并维护其正常运行，以及时向居民发出警报并保护下游社区。

2 临时性风险消减措施（IRRM）

TVA持续对堤坝进行监测，并提高了对受影响地区的通知效率。同时，TVA正在分步实施“社区推广计划”，并联合当地紧急事务管理机构（EMA）和国家气象局（NWS）编制了《疏散指南和地图》。该手册描述了皮克威克堤坝的现状，通过图片对比分析了最近一次洪水（2013年）和地震可能引发溃坝造成的洪水分别淹没的地区，介绍了早期预警系统及其组成部分，并提供了紧急联系方式、应急准备措施等信息。

TVA向当地的EMA提供了补充后的紧急行动计划，其中包括特定场景下的淹没区域。该区域显示出淹没区人口信息、关键设施和需要特殊救助的人员，以方便大坝下游住宅区、商业区、学校和其他设施内的人员能够在紧急情况下迅速撤离。

3 建立大坝溃决预警系统

在为该项目选择最有效的监测及预警方案时，TVA将公共安全放在首位，并采用了大坝溃决预警系统，其中包括：①强大、可靠和冗余的方法和技术；②远程监控单元（RMU）；③由强烈震动触发的自动化系统（地震记录仪）；④用于检测受地震破坏堤坝长度的仪器（时域反射计TDR）；⑤复合视频；⑥TVA河流预报中心工程师全天候监测的预警系统；⑦美国陆军工程师兵团（USACE）全天候水闸操作验证；⑧NWS在堤坝发生变形或溃决时发出语音警报；⑨为可能受洪水影响地区的家庭提供天气广播；⑩无线电备份。

为确保所有数据和组件都能安全正常运行，TVA与泛达（Panduit）公司签订了仪器设备购买合同，由其提供项目所需的所有仪器和设备。通过双方共同努力，两个月完成了大坝溃决预警系统的安装并投运，比最初预计的时间提前了10个月。为了便于在地面强烈震动后快速发出通知，该系统还安装了地震记录仪来收集震动触发的地震波形数据。

时域反射计（TDR）可以监测滑坡和堤坝的稳定性。TDR的基本原理与雷达类似，即沿同轴电缆发出电脉冲，当电脉冲在电缆中遇到断裂或变形时，就会被反射，并显示为典型电缆信号曲上的一个“尖峰”，从而可以及时、准确地判定位移的相对大小和速率，以及变形区域的位置。根据TVA的设计，TDR电缆沿着堤坝的上游坝顶、下游坝顶和下游坝底水平布置（总长度约为4.8 km），实现了对整个堤坝的变形监测（约1.6 km）。

通过安装热成像摄像机，可以观察堤坝上下游的情况，红外辐射或物体散发出的热量会在热成像摄相机内形成图像。因为所有物体都有一个热信号，所以热成像摄像机可以一直工作，甚至在完全黑暗的环境中运转。由于热成像摄像机是通过“看到”热量而不是反射光来工作，因此可以将物体的温度转换成不同的灰度。在寒冷的天气中，人体温度因为比周围环境高，所以可能呈现为颜色较浅的图像，而天气炎热时，则可能呈现为颜色较深的图像，对水来说也是一样。复合视频可以提供叠加热成像的高质量光反射图像，无论白天还是夜间，均可以通过热信号对堤坝内部潜在的渗流或溃决情况进行监测。

TVA河流预报中心位于田纳西州的诺克斯维尔（距离堤坝526 km），这里的操作员负责监控大坝溃决预警系统。该监控工作和通过USACE闸门监控工作人员（通过卫星电话）进行的操作验证每天24 h不间断进行。该系统通过特定的操作对监控设备发回的警报进行评估，以避免发出错误的通知，一旦变形或溃决情况得到核实，NWS将立即收到通知，并通过语音提示系统发出警报。此外，TVA还向洪泛区内的下游居民发送天气广播。为了保证冗余度，警报系统内除复合视频以外的所有检测仪器都配备了无线电备份。

4 结语

考虑到皮克威克大坝的多重用途和长期效益，TVA要求任何对大坝的改造都必须经过深入的分析，以确保公众安全和堤坝效益不会受到损害。TVA对堤坝风险缓解措施进行了排序，其中包括“什么都不做”并维持现有预警系统、新建大坝、碾压混凝土、结构加固桩、锚杆加固混凝土护面、上游隔水墙、地基加固和护堤，或以上措施的任意组合。最终推荐的设计解决方案是在上游和下游修建护堤并向外延长土堤，以符合TVA规定的震后变形标准（横向或剪应变小于0.6 m），设计利用3 000 a均布危害度反应谱。

项目详细设计已于2017年10月完成，预计整个项目将于2020年完工。为了符合《国家环境保护法案》（NEPA）和《濒危物种法案》（ESA）的规定，TVA付出了巨大的努力，并将通过大量持续的监管来确保符合法案的所有要求。

“增强型监视与监测系统”安装并启用之后，TVA已经证实该系统的运行符合预期。TVA采取的IRRM将继续发挥重要作用。事实上，在该项目之前从未应用过这种类型的系统，而TVA能够在两个月内成功应用该系统，确实是其致力于公共事业的又一例证。

当然，TVA希望永远都不会用到皮克威克大坝的溃坝预警系统，但如果地震真的发生，TVA会尽一切努力帮助周围社区、急救人员和TVA工作人员做好有效应对紧急情况的准备。