基础设施过去、现在和未来案例集/奥罗维尔大坝

本案例集是马修·格劳布克、戴维斯·卡德利和伊恩·盖茨在乔治·梅森大学沙尔政策与政府学院和沃尔格努工程学院西德和雷瓦·德伯里土木、环境和基础设施工程系的“基础设施过去、现在和未来：GOVT 490-003（政策与政府综合研讨会）/CEIE 499-002（土木工程专业主题）2023 年春季课程”中关于奥罗维尔大坝失效的案例研究。模仿新干线高速铁路案例集。在乔纳森·吉福德教授的指导下。

摘要

这座土石坝位于萨克拉门托上游 70 英里处，位于菲利普斯河三叉口交汇处。该坝是美国最高的坝，也是州政府拥有最大的水库和供水系统。它包括一个溢洪道系统，用于从连接到它的水体中排泄径流。它归加州水资源部所有。它是加州州立水利工程的重要组成部分。储存在大坝中的水沿着河流向下流动，进入萨克拉门托河系统。大坝形成了一个水库，容纳了约 350 万英亩英尺的水。它设有鱼类隔离坝和水池。^[1]

奥罗维尔大坝还保护着位于菲利普斯河下游的居民免受洪水的侵害。大坝最关键的方面之一是它在帮助加州水系统对抗干旱方面的作用。由于这些功能，大坝对北加州至关重要。^[2]

什么是土石坝和溢洪道系统？

土石坝由压实的土方构成。当地土壤是其主要材料。大多数这些大坝都包含一个称为核心层的中间区域。这个区域由低渗透性材料构成。核心层中的这些粘土有助于防止水流过大坝。^[3]

它们是建造到任何高度的最常见的大坝类型。它们被创建为非溢流部分，并设有独立的溢洪道。它们之所以最常见，是因为它们的基座要求不像其他大坝那样广泛。此外，建造它不需要高度熟练的劳动力。^[4]

溢洪道系统是大坝的一部分。有时它们位于大坝旁边。它们的作用是在水库满水时安全地让洪水流过大坝。它位于低于大坝其余部分的高度。这样可以让水从大坝流下到溢洪道上。^[5]

参与的机构和行动者

有多个实体对奥罗维尔大坝的坍塌负有责任。他们共同努力监测大坝，并提供维护和风险信息。

加州水资源部

加州水资源部 (CDWR) 负责管理和监管加州的水资源使用和供应。它管理着 750,000 英亩加州农田的水链，并为加州的城市和工业提供水。它还帮助进行洪水控制、提供休闲机会、水力发电，以及有助于保护鱼类和野生动物生态系统的增强措施。DWR 的监督范围从北加州到南加州。在它的范围内，它监管着 36 个储水设施、21 个排污厂、5 个水力发电厂和 4 个抽水发电厂。

他们有大量的责任。他们监督更新和开发《加州水利公报》的过程。他们负责监管大坝、提供洪水防护和协助应急管理。他们努力使加州的大坝安全且保持最新状态。该机构负责监督奥罗维尔大坝。^[6]

联邦能源管理委员会

联邦能源管理委员会 (FERC) 是监管和监督电力、天然气和石油的联邦机构。这包括监管批发电力销售和州际商业电力传输。他们强化了州电力系统的强制性可靠性标准。

委员会的主要权限之一是监管所有水力发电项目。委员会的主要职能之一是维护大坝安全。他们进行安全检查，监测基础设施的环境问题，并执行大坝安全。他们还负责颁发新水电项目的新许可证和执照。在启动新项目之前，委员会会与联邦和州自然资源机构以及州水质机构协商。 

联邦能源管理委员会监管新水电项目建设和运营阶段。委员会审查和批准发电厂、大坝和其他基础设施的设计、规格和计划。工作人员工程师定期检查项目，以确保它们保持最新状态。^[7]

联邦应急管理局

联邦应急管理局 (FEMA) 担任各州灾后恢复准备的主要联络点。他们建立和维护灾后恢复资源和支持系统的网络。他们还制定恢复进度计划，并在灾难后向当局通报改进情况。他们与国家大坝安全计划合作，加强和开发工具以帮助决策者。^[8]

大坝安全部门

除了 DWR 之外，加州水利法还将大坝安全监管权授予大坝安全部门 (DSOD)。他们为加州 1000 多座大坝的设计、建造和维护提供监督。该机构审查和批准大坝的扩建、改建和维修，以确保这些结构符合最低要求。他们定期检查大坝，以确认它们安全且正常运行。^[9]

河流之友

河流之友是一个加州行动主义组织，致力于保护加州河流和饮用水环境。它成立于 1973 年，现在是加州领先的河流保护组织之一。他们参与基层组织和游说，以影响决策者。他们领导了各种成功的运动，这些运动能够影响大坝和河流基础设施。^[10]

资金和融资

奥罗维尔大坝由加州水资源部提供公共资金。DWC资助洪水缓解、管理项目，并投资于大坝维护措施。DWC与凯维特公司合作，签订合同修复事故造成的损坏。该大坝最初由DWR提供资金。^[11] FEMA有一个公共援助计划，用于向申请人报销项目灾害。该计划涵盖与联邦宣布的灾难相关的潜在成本的75%。溢洪道事故发生后，水资源部向联邦管理局申请了3.08亿美元的重建和应急响应资金。在最初拒绝后，他们将资金发送给了DWC，DWC能够帮助重建。^[12] 

大坝建设和失败的时间表

1957年：与大坝相关的设施开始建设

1961年：大坝的建设开始。

2016年12月8日至2017年1月31日：奥罗维尔湖于12月8日水位降至725英尺，开始上升，但距离满水位还有175英尺。1月13日，湖水距离满水位还有50英尺，溢洪道开始释放每秒15,000立方英尺的水。在1月31日之前，湖水水位超过了855英尺，水量释放量在每秒12,500立方英尺到20,000立方英尺之间波动。（13）

2月3日至6日：多次风暴导致DWR将水量释放量增加至每秒50,000立方英尺。湖泊水位为849英尺。（13）

2月7日：溢洪道释放量增加，目标为每秒65,000立方英尺。然而，大约中午，溢洪道底部出现了一个大洞，大约在中间位置，水量释放停止。由于流入量超过每秒100,000立方英尺，奥罗维尔湖的水位开始快速上升，超过了862英尺。

2月8日：随着湖泊水位持续上升，DWR通过受损的溢洪道进行了每秒20,000立方英尺的测试释放，以观察侵蚀程度。湖泊水位接近875英尺，流入量仍然超过每秒100,000立方英尺。由于没有其他选择，DWR开始通过溢洪道释放每秒35,000立方英尺的水，意识到底部可能会被冲走。

2月9日至10日：溢洪道释放量增加到每秒65,000立方英尺，然后缩减到每秒55,000立方英尺。DWR表示流入量已达到峰值并正在下降，称每秒55,000立方英尺的排放量足以防止使用应急溢洪道。无论如何，水务部门从应急溢洪道堰下方的斜坡上清除了树木、岩石和碎屑。PG&E拆除了跨越该区域的输电线路，该区域有被洪水淹没的风险，如果水位超过应急溢洪道堰。湖泊水位超过890英尺，距离满水位还有10英尺。2月10日，应急溢洪道堰下方的工作继续进行，海亚特发电厂关闭，因为碎屑在溢洪道底部的水道池中堆积。

2月11日：大约上午8点，湖泊水位超过901英尺，开始首次从应急溢洪道堰溢出，自1968年湖泊完工以来。主溢洪道释放量保持每秒55,000立方英尺。

2月12日：湖泊水位在凌晨3点达到902.59英尺，开始下降，但水仍然从应急溢洪道流出。中午，DWR将情况描述为“稳定”。然而，下午3点，应急溢洪道堰下方山坡上出现了一个裂缝，并开始向堰后退，增加了灾难性事故的风险，可能会将超过25万英亩英尺的水释放到菲瑟河。主溢洪道的释放量增加到每秒100,000立方英尺，以减轻堰的压力。布特县警长科里·霍尼娅下令立即撤离，尤巴县和萨特县的警长也下令撤离。总共超过18万人被告知离开家园。

3月6日：尽管多次要求提供信息，但DWR拒绝透露在紧急情况期间花费了多少资金。加州议员詹姆斯·加拉格尔最终得到了答案：每天470万美元，仅2月就花费了1亿美元。

4月6日：加州水资源部概述了其计划，到11月1日修复和更换奥罗维尔大坝溢洪道，其中完好无损的上部滑道为优先事项。

4月25日：自危机开始以来，加州立法机构成员首次向主要水资源领导人提出关于发生了什么、接下来会发生什么以及可以从中学到什么的尖锐问题。尽管这是第一次立法质询，但没有太多新信息被分享或学习。

4月27日：DWR代理主任比尔·克罗伊尔在社区会议上回答问题并倾听，受溢洪道灾难影响的居民走上前来拿起麦克风发表意见。到5月11日，共完成了7次会议。

5月4日：监督溢洪道维修的独立委员会建议DWR改变优先事项，将重点放在受损的底部滑道上，而不是顶部。^[13]

2019年4月2日：重建后的溢洪道首次泄洪。主溢洪道和应急溢洪道的重建耗资11亿美元。^[14]。

案例叙述

奥罗维尔大坝建于1968年，是美国最大的土石坝。它是加州州立水利工程的重要组成部分，帮助为超过2300万人提供水资源。该地区经过多次暴雨袭击后，大坝溢洪道的一块混凝土块被冲刷掉。这导致了溢洪道其他部分以及周围和下方地面的快速侵蚀。必须增加溢洪道的流量以防止大坝和河流发生洪水风险，这引发了18万多名下游居民的撤离。

在事故发生后，联邦能源管理委员会在州立大坝安全官员协会和美国大坝协会的帮助下进行了调查。调查耗时9个月，并最终发布了一份包含584页的报告，该报告不仅概述了大坝的物理故障，还概述了导致故障的人为错误。第一个人为错误发现在大坝本身的设计中。大坝建成后不久，工程师就注意到溢洪道下方混凝土板出现裂缝，但很快就将其视为只需要持续维修的问题。在多次安全分析中，大坝也被错误地描述为质量良好，而实际上基础正在侵蚀。

调查还发现，大坝的所有者以及监管机构没有足够关注大坝的安全，大多数安全方面的支出是事后的补救措施，而不是预防措施。文件和数据没有组织好。员工和工程师经常无法获得所需的信息。此次事故帮助大坝行业了解需要注意的事项以及确保大坝安全的正确做法。  

奥罗维尔溢洪道损坏

政策问题

在危机发生后，当时的州长杰里·布朗不得不宣布进入紧急状态，并部署国民警卫队协助撤离工作。他还将州行动中心提升到最高级别，并请求总统宣布重大灾难，然后宣布新的政策建议，以加强大坝安全，进一步保护该州免受洪水的影响。^[15]

其中一项宣布是投资4.37亿美元用于“近期洪水控制和应急响应行动”。布朗的第二项宣布是开始要求该州的大坝制定行动计划和洪水淹没地图。然后他宣布了一项“加强”加州大坝检查计划的努力，然后在写给美国陆军工程兵团和国防部长、内政部长和国土安全部长的信中请求联邦采取行动。^[16]

FEMA负责运行国家大坝安全计划（NDSA），致力于在全国范围内促进大坝安全。^[17] 高风险大坝计划每年为各州提供2200万美元用于大坝维修，包括今年来自基础设施投资和就业法案的1100万美元。^[18]  目前有两个咨询委员会监督美国的大坝运营。FEMA领导的ICODS（跨部门大坝安全委员会）鼓励制定高效的计划，以维护和提高全国范围内的水坝安全。国家大坝安全审查委员会（NDSRB）制定安全目标，并审查联邦政策对大坝的影响；可能需要对其运营进行分析，以防止将来再次发生奥罗维尔事件。^[19]

在大坝重建期间，加州环境质量法案 (CEQA) 被暂停，但国家海洋渔业局 (NMFS) 援引《濒危物种法案》试图减缓重建进程。NFMS 要求检查和施工只能在夜间进行，但众议员道格·拉马尔法 (共和党-加州) 在他写给时任总统特朗普的一封关于发生在他选区的奥罗维尔事件的信中强烈谴责了这些做法。^[20]

2019 年，联邦紧急事务管理局 (FEMA) 批准支付 2.05 亿美元，但未支付重建大坝泄洪道的剩余 3.06 亿美元。由于泄洪道因施工不当而失效，因此 FEMA 不负责承担全部成本。联邦法律允许 FEMA 偿还高达 75% 的建设成本，但 FEMA 决定只支付 40% 的成本。当加州宣布计划起诉 FEMA 要求获得这部分未偿还款项时，特朗普政府改变了立场，支付了额外的 3 亿美元。^[21]

结论

泄洪道失效后，人们对美国大坝现状的讨论越来越多。美国土木工程师学会 (ASCE) 在 2017 年的年度基础设施报告中，将美国大坝的整体状况评为“D”。^[22] 2020 年，在密歇根州米德兰发生另一起可避免的大坝失效事件，再次引发了人们对美国大坝现状的担忧。^[23]

一项调查发现，奥罗维尔泄洪道失效是由有缺陷的施工过程造成的。主泄洪道建在“质量较差的岩石”上，泄洪道设计师之前从未建造过泄洪道。多年来，泄洪道上形成了多个裂缝，导致水于 2017 年 2 月 7 日冲破泄洪道。^[24]  

美国陆军工程兵团和独立法医报告都得出相同的结论，即设计缺陷导致了这次大坝失效。失效的泄洪道建在不稳定的基岩上，并且从未对泄洪道的有效性进行过测试。^[25]

加州水资源部 (CDWR) 也因失效事件受到指责，因为该部门“对州水利工程民用基础设施（包括大坝）的完整性过分自信和麻痹大意”。大坝结构薄弱，因为该结构依赖于锚固在基岩和钢材上的薄混凝土锚。美国国家工程院的一位专家建议，应改变 CDWR 的文化，或者该部门应进行大换血。布朗州长选择不进行大换血，因此 CDWR 这种疏忽大意的文化可能需要一段时间才能改变。^[26]

即使在 2020 年，一份报告也发现，尽管进行了数亿美元的维修，但大坝仍然存在弱点。

• 侵蚀仍然可能淹没海亚特发电厂。
• 结构问题可能导致操作人员无法打开闸门。
• 首部结构仍然可能失效，释放出大量不受控制的水。
• 罕见的暴雨可能导致溃坝。
• 大坝顶部附近仍然可能发生内部侵蚀。

必须进行高达 20 亿美元的额外投资才能解决所有这些弱点。^[27]

奥罗维尔大坝在 2017 年失效后的照片

气候变化也被认为是导致奥罗维尔危机的原因之一。大气河流（2017 年大坝失效当天袭击北加州的现象）随着全球变暖预计会越来越频繁。如果不对大坝建造和检查过程进行更全面的改进，大坝规划人员和运营人员的错误将会暴露得更多。^[28]

讨论问题

如何才能在未来预防像奥罗维尔大坝这样的灾难？

可以采取哪些监管措施来预防人为错误？

如何实施适当的机制，使像河流之友这样的组织提出的关于大坝安全的担忧得到重视？