溃坝破坏原因的调查结果---静态液化(Static Liquefaction)

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1. 引言

大约在3年前，我们有一篇文章报道了美国两个水坝的破坏【从岩土工程视角看本周美国水坝的损坏】：Edenville大坝和 Sanford大坝。2年后，专家组发布了近500页的调查报告[(2022) Independent Forensic Team – Final Report Failure of Edenville and Sanford Dams]，得出了大坝的破坏机理：由于堤坝断面产生了静态液化(土强度的突然损失)，导致下游边坡失稳破坏，进而导致大坝破裂。

2. 调查结论

2020 年 8 月，联邦能源监管委员会(Federal Energy Regulatory Commission)聘请了由五人组成的专家独立法证小组(Independent Forensic Team, IFT) 调查Edenville和Sanford大坝的破坏原因。

2022年5月4日，专家组发布了最后的调查报告。除了中期报告(2021年9月发布)中提出的大坝溃坝物理机制的调查结果外，最终报告还讨论了洪水的特征和导致溃坝的其他因素。这些因素包括与大坝存在95年来(大坝建于1924年)参与的各种组织有关的因素。

报告指出，在2020年5月19日事件之前的项目历史中，就人类判断、决定、作为和不作为而言，大坝破坏是 “可预见和可预防的”，并且是近一个世纪以来犯下的多个错误造成的。大坝的设计和建造都存在问题，这种先天的缺陷从一开始就注定要破坏。报告近一步指出，如果在2020年5月溃坝之前很多年，大坝已经公有或建立公私合作伙伴关系，那么将有足够的资金来升级溢洪道容量以通过极端洪水，换句话说，如果在2020年5月溃坝前几年大坝成为公有建筑，或者已经建立了公私伙伴关系并有足够的资金进行改善，那么大坝溃坝的悲剧本可以避免。

IFT将大坝破坏定性为人为的“责任”问题，然而责任又不能合理地归因于任何个人、团体或组织。它涉及大坝的融资、设计、建设、运营、评估和升级的整体系统，在近100年的项目历史中涉及多方责任，未能确保Edenville大坝的安全。

报告指出，1920年代Edenville大坝的施工方式"与设计计划和施工规范大相径庭"，路堤由非常松散到松散的砂组成，创造了静态液化所需的基本物理条件"。在一些地方，大坝建在陡峭的下游边坡上，这也不符合现代对安全稳定性的要求。虽然对两个具有特定稳定性或渗流问题的位置进行了稳定性分析，但专家组发现这些分析不足以评估整个2000m长的Edenville大坝的稳定性。在对大坝的多次检查以及对大坝当前结构完整性的分析中，在90多年的时间里，这两个主要缺陷都没有报告，但这两者都可以修复。

报告指出，内部侵蚀和溢流都不是导致大坝破坏的原因。坝体内部的松散砂被水饱和，导致它们出现静态液化，突然失去强度。本次Wixom湖的水位比1929年发生的历史水位高高出约1m，加剧了砂的静态液化。当Edenville大坝破坏后，由此产生的下游洪水导致Sanford大坝的溢流破坏。

Sanford大坝的破坏机理很清楚，Wixom湖的溢流导致湖水的上升速度超过了Sanford大坝溢洪道所能容纳的速度，Edenville大坝破坏近三个小时后Sanford大坝开始发生溢流破裂。

3. 稳定性分析方法

对这个报告我们尤为感兴趣的是它的稳定性分析方法。他们使用SEEP/W进行了二维稳态渗流分析【由2D转换为3D的渗流和稳定性分析(Groundwater Seepage and Stability Analysis)】，使用Slope/W进行了极限平衡分析【Geostudio新增三维极限平衡软件SLOPE3D】，使用Sigma/W进行了应力分析【边坡安全系数计算方法比较】。下图所示的是稳态边坡稳定性分析结果。

4. 其它研究

除了上述IFT的研究报告外，Geo-Institute的堤坝、大坝和边坡委员会也对该事故编写了一份研究报告：(2021) Edenville and Sanford Dam Failures Field Reconnaissance Report。这份报告介绍了破坏发生后几周内进行的地面和空中评估的结果。该团队使用光学、热和激光雷达传感器进行空中侦察；地球物理测试包括地震调查和电阻率调查；地质勘察以评估地质材料的性质；岩土工程取样和实验室测试，包括含水量、密度、粒度分布、剪切强度和渗透性测试；破坏后状况评估；审查了历史文件以及破坏前的激光雷达和卫星数据。该报告共160多页，由以下章节组成：

第1章：简介(Introduction)

第2章: 伊登维尔大坝的设置(Setting of Edenville Dam)

第3章: 降雨(Precipitation)【降雨条件下全耦合流体-变形分析(Fully coupled flow-deformation)】

第4章: 无人机空中侦察(Aerial Reconnaissance Using Unmanned Aerial Vehicles)

第5章: 伊登维尔大坝场地(Edenville Dam Site)

第6章: 桑福德大坝(Sanford Dam)

第7章: 总结与结论(Summary and Conclusions)

附录A：伊登维尔大坝的历史(History of Edenville Dam)

附录B：实验室测试计划(Laboratory Testing Program)

5. 结束语

在文章【静态液化模拟(Static Liquefaction)】中，有位同学留言说"国内不是很认可静态液化这个说法，很多认为这是流滑，做相关研究的时候，很难发表文章或者在实际工程中应用"，其实用啥词汇表达这一现象不重要，重要的是确切明白发生破坏的机理。粗略地统计，在我们的GeotechSet数据集中，目前使用"Static Liquefaction"的文献大约有138篇【静态液化模拟(Static Liquefaction)】；使用"Flow Liquefaction"的文献大约有76篇【什么是流动液化(flow liquefaction)】；使用"Flowslide"的文献大约有44篇【泥石流和牵引式滑坡灾害---Debris and flowslide】。

来源：计算岩土力学