潰壩模擬、洪水淹沒圖和后果分析

崔弘毅，周克發(fā)編譯

（1.國(guó)家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江杭州，310014；2.水利部大壩安全管理中心，江蘇南京，210029）

阿美科集團(tuán)（AMEC plc）是為全球的石油天然氣、礦冶、清潔能源和基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)客戶提供頂級(jí)項(xiàng)目管理和資產(chǎn)運(yùn)營(yíng)支持服務(wù)的國(guó)際性公司，總部位于英國(guó)倫敦，是倫敦證交所上市公司，年?duì)I業(yè)額度超過42億英鎊。公司辦公室遍及全球40多個(gè)國(guó)家及地區(qū)，擁有29000多名員工。

在水利水電方面，為了滿足全球的供水、采礦、休閑娛樂、水力發(fā)電和防洪需求，阿美科公司設(shè)計(jì)并建造堤壩的歷史已超過了50年。其參與過的大壩和擋水設(shè)施項(xiàng)目小到小型土石堤，大到數(shù)百英尺高的獲獎(jiǎng)碾壓混凝土壩。

阿美科公司提供范圍廣泛的綜合服務(wù)，從項(xiàng)目規(guī)劃、現(xiàn)場(chǎng)研究到項(xiàng)目核準(zhǔn)、地質(zhì)和巖土工程調(diào)查、水利研究、設(shè)計(jì)、施工管理和測(cè)試以及儀器相關(guān)工作。施工之后，阿美科小組會(huì)進(jìn)行大壩安全評(píng)估、儀器監(jiān)控并制定應(yīng)急預(yù)案。

阿美科公司最近為美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)（US Ar?my Corps of Engineers，USACE）和太平洋煤電公司（Pacific Gas and Electric，PG&E）服務(wù)的兩個(gè)項(xiàng)目充分展示了其雄厚的實(shí)力。

1 潰壩模擬、洪水淹沒圖和后果分析

自2008年以來，阿美科公司協(xié)助美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)對(duì)其所屬和維護(hù)的大壩進(jìn)行全國(guó)范圍內(nèi)的潰壩模擬、洪水淹沒圖制作和后果分析工作，以評(píng)估與大壩相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)。美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)國(guó)土安全辦公室（USACE Office of Homeland Security）的任務(wù)是制作全美其下約600座大壩的潰壩洪水淹沒圖。該項(xiàng)目為美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)領(lǐng)導(dǎo)的維克斯堡地區(qū)的國(guó)家關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施保護(hù)和恢復(fù)小組提供支持。多年努力的目標(biāo)是堅(jiān)持衡量與全國(guó)大壩和堤防相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)協(xié)助在當(dāng)?shù)貐^(qū)域降低風(fēng)險(xiǎn)。包括后果評(píng)估信息（如生命損失、經(jīng)濟(jì)影響、風(fēng)險(xiǎn)人口）等主要可交付成果都被應(yīng)用到了最新的數(shù)字應(yīng)急預(yù)案中。

阿美科公司協(xié)助美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)確定基線洪水淹沒圖制作、潰壩模擬和確定后果的程序，以評(píng)估潰壩和淹沒風(fēng)險(xiǎn)。該項(xiàng)任務(wù)包括文檔、數(shù)字地圖、數(shù)據(jù)庫格式、最大可能洪水和天晴條件下的淹沒模擬程序、洪水影響分析的標(biāo)準(zhǔn)化，考慮到現(xiàn)代洪水淹沒圖格式，任務(wù)還包括修訂RD-13中與應(yīng)急預(yù)案制定相關(guān)的內(nèi)容。

項(xiàng)目初始階段制定的程序結(jié)合了美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)現(xiàn)有的資料，以形成最初的標(biāo)準(zhǔn)操作程序文件（StandardOperatingProceduresDocument，SOP）。修訂后的標(biāo)準(zhǔn)操作程序文件概述了潰壩模擬、洪水淹沒圖和后果估計(jì)程序，同時(shí)還修訂了美國(guó)工程兵團(tuán)應(yīng)急預(yù)案導(dǎo)則方面的內(nèi)容，名為RD-13，以適應(yīng)修訂后的“潰壩模擬、洪水淹沒圖和后果分析”項(xiàng)目中的制圖和數(shù)據(jù)。變化不僅涉及到具體的制圖要素，還包括與制圖結(jié)果關(guān)聯(lián)的規(guī)劃元素。

通過采用整體方法來評(píng)估與工程兵團(tuán)所擁有的大壩和堤防有關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)，美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)對(duì)該項(xiàng)目提供了強(qiáng)有力的領(lǐng)導(dǎo)和幫助。例如，美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)和阿美科公司并非對(duì)所有低水頭航運(yùn)壩都進(jìn)行建模模擬，而是開發(fā)了一個(gè)篩選程序，消除了滿足某些特定條件時(shí)為某些低水頭大壩開發(fā)水力模型的需求?！皾文M、洪水淹沒圖和后果分析”項(xiàng)目的另一個(gè)極有價(jià)值的成果是改進(jìn)過的可能最大降水（Probable Maximum Precipitation，PMP）工具。這一新的基于地理信息系統(tǒng)的工具仍然依賴于混合多區(qū)域方法，但可通過用戶界面自動(dòng)處理，大量減少了發(fā)現(xiàn)可能最大降水的工作量。

阿美科公司的參與使項(xiàng)目極具活力，并幾乎與美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)的每個(gè)地區(qū)和部門都有互動(dòng)交流。這些模擬和制圖工作的產(chǎn)品包括交付給美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)國(guó)土安全辦公室的數(shù)據(jù)和文檔成果以及交付給大壩運(yùn)營(yíng)單位用于制定應(yīng)急預(yù)案的數(shù)據(jù)和紙質(zhì)地圖。對(duì)這些被模擬大壩進(jìn)行的標(biāo)準(zhǔn)化占據(jù)了大部分工作量，并使整個(gè)資產(chǎn)組合過程中對(duì)大壩失事相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行計(jì)算成為可能。

2 太平洋煤電公司所屬白鶴谷大壩的抗震加固

白鶴谷大壩為一壩高44 m的土石壩，建于1900年代早期。大壩和水庫位于加利福尼亞馬德拉縣柳溪河的北部支流、內(nèi)華達(dá)山脈山腳，歸太平洋煤電公司加利福尼亞舊金山分公司所有并運(yùn)營(yíng)。

2004年，為適應(yīng)抗震穩(wěn)定分析實(shí)踐中的變化，以及針對(duì)自上次評(píng)估后未來近25年時(shí)間內(nèi)本地地震風(fēng)險(xiǎn)增大的情況，太平洋煤電公司啟動(dòng)了大壩抗震穩(wěn)定重新評(píng)估項(xiàng)目。

阿美科公司提供設(shè)計(jì)和工程分析、大壩加固設(shè)計(jì)和施工期間的技術(shù)分析。

阿美科公司對(duì)大壩的設(shè)計(jì)和工程分析工作包括地震動(dòng)設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和選擇在穩(wěn)定分析中使用的材料動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性。

為評(píng)估潛在液化問題，阿美科公司采用了現(xiàn)代、實(shí)踐中運(yùn)用的程序，對(duì)壩址處地震穩(wěn)定評(píng)估，阿美科公司更新了地震動(dòng)工作。通過使用動(dòng)態(tài)有限元方法來分析大壩典型斷面，阿美科公司評(píng)估了土石壩內(nèi)部由地震引發(fā)的加速度和應(yīng)力。阿美科公司還利用最近和之前現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查取得的標(biāo)準(zhǔn)貫入度測(cè)試結(jié)果，評(píng)估了土石壩材料的周期強(qiáng)度。

2005年和2006年進(jìn)行的地震穩(wěn)定分析結(jié)果表明，若壩址處發(fā)生地震，則大壩的水力吹填土石堤段在地震中和地震后將發(fā)生液化和大變形。變形量會(huì)非常大，在當(dāng)前正常最高運(yùn)行水位時(shí)，很可能會(huì)引發(fā)失控性的水庫泄洪。相應(yīng)地，結(jié)論就是為增強(qiáng)大壩的抗震穩(wěn)定性和改進(jìn)大壩性態(tài)，需對(duì)大壩進(jìn)行除險(xiǎn)加固。

阿美科公司是在冊(cè)的大壩土石堤抗震加固的設(shè)計(jì)工程師，設(shè)計(jì)工作包括在大壩上游坡和下游坡新建塊石支墩、改進(jìn)內(nèi)部排水、將壩頂加高約1.5 m和設(shè)置新的滲透監(jiān)測(cè)儀器。

加利福尼亞水資源部大壩安全處和聯(lián)邦能源管理委員會(huì)對(duì)阿美科公司的穩(wěn)定評(píng)估和加固設(shè)計(jì)進(jìn)行了復(fù)核并接受其方案。大壩的加固施工于2010年10月開工，并于2012年11月完工。

白鶴谷大壩地處環(huán)境敏感區(qū)域，是許多魚類和其他水生動(dòng)物、陸生動(dòng)物的棲息地，同時(shí)也是許多濕地和河岸所在地。為減小對(duì)這些環(huán)境和生物的潛在影響，制定了恢復(fù)措施和方法以限制工程的人為痕跡。

由于工程壩址處森林茂密、地形陡峭、多巖石且地處偏遠(yuǎn)，因此需要采用靈活的設(shè)計(jì)方案來適應(yīng)有限的可獲取的次表層信息和應(yīng)對(duì)施工中可能遭遇到的設(shè)計(jì)假設(shè)與壩基條件存在差異的風(fēng)險(xiǎn)。

巴斯湖是一個(gè)非常受歡迎的度假勝地，當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)極度依靠該湖的娛樂休閑收益。該湖同樣也是附近社區(qū)的市政供水源。水庫運(yùn)營(yíng)同時(shí)受以上這些因素、發(fā)電目標(biāo)、環(huán)境要求、和下游水資源使用者間的協(xié)議等方面的影響。因此，需要堅(jiān)守富有挑戰(zhàn)性的湖水位方案，以保證后續(xù)運(yùn)行的安全水位。

為避免干擾當(dāng)?shù)鼐用窈陀慰筒⒔档瓦\(yùn)輸成本、減少對(duì)環(huán)境的影響，設(shè)計(jì)加固方案使用現(xiàn)場(chǎng)資源并限制需要外運(yùn)處理的廢舊材料量。

鑒于公眾安全和需要保護(hù)關(guān)鍵水電和防洪基礎(chǔ)設(shè)施不受地震損害等事宜，太平洋煤電公司制定了一年期設(shè)計(jì)和施工計(jì)劃。

雖然工程施工過程中遇到了獨(dú)特的物理和環(huán)境挑戰(zhàn)，但阿美科公司與加利福尼亞水資源部大壩安全處、聯(lián)邦能源管理委員會(huì)及太平洋煤電公司通力合作，最終按時(shí)完成。

抗震加固工程完工之后，現(xiàn)在的白鶴谷大壩達(dá)到了當(dāng)前加州和聯(lián)邦頒布的與大壩抗震性態(tài)相關(guān)的大壩安全標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖1 加固前的白鶴谷大壩（圖片來自于太平洋煤電公司）Fig.1 Crane Valley Dam prior to remediation（Photo courtesy of Pacific Gas and Electric Company）

圖2 疏浚和在上游坡新建支墩（圖片來自西Keiwit基礎(chǔ)設(shè)施公司）Fig.2 Dredging and buttressing the upstream slope（Photo courtesy of Keiwit Infrastructure West）

圖3 下游坡的土石支墩（圖片來自西Keiwit基礎(chǔ)設(shè)施公司）Fig.3 Rockfill buttresses of the downstream slope（Photo cour?tesy of Keiwit Infrastructure West）

圖4 白鶴谷大壩抗震加固工程于2012年12月完工（圖片來自馬克巴斯湖度假租賃公司的馬克·索貝爾）Fig.4 Completed Crane Valley Dam seismic retrofit project in December 2012（Photo Courtesy of Marc Sobel，of Marc’s Bass Lake Vacation Rentals）

“阿美科公司與客戶的長(zhǎng)期合作關(guān)系、其雇員與監(jiān)管機(jī)構(gòu)的成功互動(dòng)都是能按時(shí)完成該抗震加固項(xiàng)目的關(guān)鍵因素?！卑⒚揽乒驹擁?xiàng)目的項(xiàng)目經(jīng)理Faiz Makdisi說。

3 基于風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)踐

“大壩安全正逐漸發(fā)展為基于風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)踐活動(dòng)，其關(guān)注焦點(diǎn)已從工程模型轉(zhuǎn)移到降低與水資源資產(chǎn)相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)上來。這是令人非常興奮的工作，可以將阿美科公司信息管理和在水利領(lǐng)域的專業(yè)技能融合進(jìn)來以評(píng)估、交流和減輕國(guó)內(nèi)最大大壩的潰壩后果。”阿美科公司“潰壩模擬、洪水淹沒圖和后果分析”項(xiàng)目的項(xiàng)目經(jīng)理Jeff Albee說。

關(guān)于未來的關(guān)注焦點(diǎn)，聯(lián)邦層面上也對(duì)此有規(guī)劃。未來的關(guān)注焦點(diǎn)是與氣候變化相關(guān)的風(fēng)暴事件的發(fā)生頻率和持續(xù)時(shí)間。不僅僅著眼于具體的單個(gè)壩，業(yè)主和運(yùn)營(yíng)者需開始計(jì)劃應(yīng)對(duì)流域?qū)用嫔系臉O端降雨事件并將大壩作為一個(gè)系統(tǒng)加以運(yùn)營(yíng)來降低洪水風(fēng)險(xiǎn)?！?/p>

[1]Jeffrey M.Albee.Modeling,mapping and consequences[N/OL].Water Power&Dam Construction,[2013-12-13].http://www.waterpowermagazine.com/features/featuremodelingmapping-and-consequences-4146017/.