2018年12月28日星期五

知乎每日精选: 【天地人】自然之力:一个耗费了至少11亿美元的窟窿——2017年加州Oroville水库泄流事件

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【天地人】自然之力:一个耗费了至少11亿美元的窟窿——2017年加州Oroville水库泄流事件
Dec 28th 2018, 08:30, by 云舞空城

2017年年初,美国加州Oroville水库发生了一次严重的泄流事件。由于冬春之交充沛的降雪融水和雨水,该水库从入冬前的正常低水位直逼警戒状态。水库开始后通过混凝土浇筑的泄洪道正常放水,以应对春季即将到来的更多降水。

但人算不如天算。2月7日,这个泄洪道发生了破损。 在水流的冲刷下,原本很小的一个洞短时间内迅速扩大。水库立刻停下泄洪,评估损坏程度,准备维修。

就是这个洞,烧掉了至少9亿美元!

然而上游来水并不鸟它,水库的水位持续上涨。直到 2月11日,蓄水量竟然超过了水库的最大容积,从混凝土浇筑的溢流坝上方漫出 :这是该水库建成50年来前所未有的事情。


此事危矣!

要知道,强烈的水流带有巨大的能量。在地质的概念里有一个词语叫" 下切作用 ",形容的就是河流对河床基岩的强大破坏力。漫过溢流坝跌落的水流,会对混凝土下方的土石产生巨大的冲刷侵蚀效应,渐渐掏空溢流坝的根基,可能会带来溃坝的风险。若果真溃坝, 一方水土将尽成泽国,四野百姓将皆为鱼虾。

偏偏这样的担心成为了事实——一天之内,混凝土坝下方的地基发生了明显侵蚀!!甚至连基岩也开始受到破坏。 如此情形要是继续发展下去,溢流坝就完蛋了。

当地政府迅速做出决定:一方面 重开破损的泄流道,以最大能力泄洪 ,快速降低水库水位;另一方面对 下游19万居民 下达紧急撤离令,迅速组织居民离开潜在受灾范围。

一场危机正式拉开帷幕。


2月13日,由于泄洪道全功率输出,水库的水位有了显著下降。对于溢流坝底部侵蚀区的紧急维修开始了。 作为直升机大国的美帝体现出了装备的优势 ,重型货运直升机纷纷投入紧急维修, 大量的重型装备被吊运至道路严重损毁的现场 ,工程人员开始 对溢流坝底部的冲沟紧急浇筑混凝土 。此外,到了 2月14日,发布两天的紧急撤离令也被取消(lifted)了……

一天多的冲刷竟然如此严重

而此时的混凝土泄洪道,却已是一副白浪滔天的震撼景象了——激流彻底掏空了那个小洞,直接怼上了底部的山岩。 偏偏此处的地质结构不是那么坚固:山坡表面堆积了十几米的风化残积层,而复杂的小型剪切带在岩石里纵横而过 ,水流沿着破碎带一路下切,竟然直接切出一个超大的冲沟。

2011年—2017年2月—2017年3月

洪水退去时的样子,是令人震撼的:


上图继续放大可以看出,混凝土泄洪道所在的山坡,明显分为上下两种岩石类型。

底部的岩石呈灰色,未见明显分层,可能是一种火成岩或者变质岩类 ,一般来说坚固致密,适合修筑各类大型工程。顶部的地层,显然就不是那么致密了—— 褐黄色的泥土混合着变成褐色的岩石,结构松散,这应该是底部岩石经过漫长的风化后转变形成的风化层

而令我最为吃惊的, 是在泄洪道开始破损的位置,混凝土竟然直接浇筑在风化基岩层上!!!这也可以解释为什么一个小小的破洞会演变成巨大的"山谷"。

通过查询当地地质图,当地地质工作者的博客、reddit上的讨论、还有地质工程师在现场的视频,得知这类灰色的岩石是形成于侏罗纪的 Smartsville Complex Metavolcanic【1】, 变质火山岩(下图mv=metavolcanic),其主要岩性是amphibolite(视频一的对话提到), 斜长角闪岩 ,一种区域变质岩类,质地坚固。或者是叶理很发育的 Smartville 蛇绿岩【2】 ,另一类变质岩。


总之,这种灰绿色的岩石在新鲜时致密坚固,但风化后变成质地疏松的残积岩层,其上继续覆盖了表土。而大量发育的剪切带(shear zone)、裂隙等构造,也使得即便是新鲜原岩也容易受到侵蚀。反正,在强力水流的冲刷下,最后变成了这副模样:

规模巨大的冲刷沟谷:

注意黄圈里的挖掘机和重装卡车可以作为参照物!可见沟谷规模之巨大!

巨量的新鲜原岩被剥离,冲刷为砾石阻塞下游河道;

超大的砾石堰塞体

冲沟深度惊人;


当旱季到来,水位真的稳定以后,声势浩大的维修工作正式启动。 一直到今天,维修工程仍未正式结束,而维修资金在截止2018年1月就已经烧掉了8.7亿美元【3】。

后续报道表示,截止2018年9月,加州主管部门预计维修工程将在11月结束,总金额将达到11亿美元【5】。

主泄洪道的修复工程,从破拆旧泄洪道混凝土开始。
泄洪道下方被水流下切的岩石,使用海量混凝土暴力充填
2017年11月1是一个重要的时间节点:混凝土泄洪道中段要完成一期工程的浇筑
2017年底,主泄洪道修复一期工程基本完成
紧急溢流坝下方的基岩修复工程,首先剥离碎石平整地基,然后浇筑大量混凝土(右侧为新浇筑)
上图的一个月之后,即18年4月
2018年中启动中主泄洪道修复二期工程:使用混凝土加厚主泄洪道中段(也是被水流下切最严重的一段)和上段

anyway,水利设施坏了终究是要修好。不管花多长时间,耗费多少财力,毕竟水库下游的人民生命财产安全更重要。

认真工作的女工程师,摄于18年3月6日

2018年11月3日,最后一块混凝土完成浇筑,Oroville水坝泄洪道修复工程宣告主体结束,剩余的次要工作将在2019年初彻底完成。

截止11月初,修复工地如下图航拍画面所示

主要的变化包括充填被侵蚀山体、重新浇筑主泄洪道、在紧急溢流坝下方浇筑大量混凝土保护地基。

其中主泄洪道混凝土板厚度显著增加,由原先81cm变为228.6cm。


回头看看整个事故,或许从中可以找到一些人祸的影子:

(0)泄洪道破碎处的断面, 混凝土板仅有不足一米厚,直接覆盖在质地疏松的风化残留岩层上 ,这样的工程断然无法百年(果然50年就一命呜呼了)。是否存在设计不合理的问题?

泄洪道破损处的断面:混凝土板并不厚

(1)水库修建时,对于泄洪道基岩的处理工作做的可能不到位,尤其是 表面风化残积层的剥离工作不到位,才致使小洞变成大峡谷。

(2)基岩质地虽然致密,但是 破碎构造看起来挺多,可能存在一定选址不适合的问题

(3)漫流堤下方 缺少足够的砾石和混凝土保护 ,导致漫流的洪水在两侧严重破坏地基;

(4)主泄流通道的日常检查、维护肯定存在疏漏,致使没有在事故前发现潜在的缺损。但不排除客观原因造成的看不出来…… 也许这意味着需要使用一些岩石物理探测仪器吧

千里之堤,溃于小洞洞

所以,大概相当于花了十一亿美元,上了一堂成语课的意思?

不过,如果确实从中学到了东西的话,这个大水漂倒是打的值


感谢阅读。


有关资料:

【1】 Erosion and failure of portions of Oroville Reservoir Spillway • r/geology

【2】 https://www. forbes.com/sites/davidb ressan/2017/02/14/some-geological-observations-on-the-oroville-dam/#419ee235bafb

【3】 Oroville Dam spillway failure cost rises to $870 million

【4】维基百科 Oroville Dam crisis

【5】Oroville Dam repair costs top $1B

更多现场照片:

What Goes Into Repairing the Damaged Oroville Dam Spillway

Pixel - California Department of Water Resources

youtube视频转载:

视频一 :事故全过程简介,英字无对白

https://www. youtube.com/watch? v=NjbbW37qzak

https://link.zhihu.com/?target=https%3A//www.zhihu.com/video/960092446801293312

视频二 :加州水资源部的工程地质学家在现场考察。

https://www. youtube.com/watch? v=W7UGPT0vDZQ & t=57s

https://link.zhihu.com/?target=https%3A//www.zhihu.com/video/960166739506593792



来源:知乎 www.zhihu.com
作者:云舞空城

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