从岩土工程视角看本周美国水坝的损坏

1. 引言

2020年5月19日，受到特大暴雨的袭击，美国密西根(Michigan)州的两个水坝造成不同程度的损坏。截至5月20日早晨，蒂塔巴瓦斯河(Tittabawasse River)创下历史新高，超过了1986年的记录，水位达到10.6米。暴雨引发的巨大洪水冲击了两个邻近的大坝。本文将从岩土工程视角来看这两个水坝的破坏情况。

2. 两个水坝的损害

受到冲击的这两个大坝均位于密西根州，一个是Edenville大坝，另一个是Sanford大坝，两个坝体相距18.2km, 洪水首先冲垮了北部的Edenville大坝，释放出来的水流很快到达下游的Sanford大坝，直接淹没了整个坝体。两个坝的位置如下图所示。

2.1 Edenville大坝的破坏

Edenville大坝位于美国密歇根州Tittabawassee河及其支流Tobacco河的交汇处，这两条和交汇形成Wixom湖， 先前的评价等级为“差评”。 Edenville大坝是一个土石方坝(earthen embankment dam)，该水坝高度为16m，坝顶长度为2,000m，建于1924年，用于水力发电和防洪。大坝配备了两个2.4 MW涡轮机，总共可发电4.8 MW。2020年5月19日下午5点46分，由于Tittabawassee河的洪水，造成大坝东侧坍塌。

坝体的破坏直接摧毁了坝体顶部的30号公路， 如下图所示。

2.2 Sanford大坝的破坏

当Edenville大坝破坏后，巨大的洪水快速释放到Tittabawassee河中，然后水流进入到Sanford湖中，直接流向下游的桑福德大坝(Sanford Dam )，漫过Sanford大坝，冲掉其保险闸插头，造成坝体破坏，但根据目前的观察，水流不会导致坝体结构塌陷。Sanford 大坝始建于1925年, Sanford大坝附近裸 露的地层全部是沉积性的， 包括第三纪奥加拉拉地层(Ogallala formation)固结至稍胶结的沙子，粘土和砾石。Sanford大坝也是土石方坝，坝顶宽度12米，坝顶总长1915米, 坝体结构高度为68米，溢洪道采用直径6.6米的混凝土导管。先前Sanford的评价等级为“一般”，显然总体状况要比Edenville大坝好。 

3. 大坝破坏造成的直接影响

暴雨导致的大坝破坏直接影响到沿线居民以及下游米德兰市居民的正常生活。房屋淹没，道路中断，沿线还有一个化学加工厂，厂内的有毒物质很可能随着水流进入到下游的饮用水中，严重影响着当地居民的生命安全。再加上目前当地还处在COVID-19的隔离状态中，天灾人 祸叠加到一起，使得该地居民的生活状况犹如雪上加霜。

4. 土石方坝破坏的岩土工程机理

可以看出，随着水位的快速增加，坝体材料逐渐松散直至最后全部塌落。事实上动水压力作用下无论是水位快速上升或者下降(岩土工程术语称之为rapid drawdown) 都会导致坝体的破坏，这是由于土体内产生的超孔隙压力导致的。

例如一个水库蓄水时坝体的稳定性系数为1.99。 

当水库内的水快速排干时，坝体的安全系数降为1.44。

5. 结束语

Edenville大坝给予我们的启示是坝体高度的设计一定要考虑到最大泄洪量， 坝体材料的设计一定要夯实稳固，坝体结构的设计一定要考虑到动水压力以及水-力耦合的作用。Edenville大坝坝体的破坏(见视频演示) 是一个当代典型的边坡破坏例子，一定会在以后岩土工程的教学中反复提及。最后不由想到我们的三峡大坝，国外反动势力说三峡大坝在某一天有可能发生破坏，那显然是别有用心的造谣，三峡大坝稳如泰山！！！。