［美國(guó)］B.奧爾德

1 皮克威克大壩概況

皮克威克（Pickwick Landing）大壩位于美國(guó)田納西州哈丁郡，修建在田納西河上，東距孟菲斯市和新馬德里斷層約160 km。該壩始建于1935年，目前的主要功能包括防洪、航運(yùn)、供水、發(fā)電、娛樂及水生態(tài)維護(hù)等，皮克威克水庫(kù)是田納西河和湯比格比河航道的關(guān)鍵連接點(diǎn)。

大壩南部土石堤壩全長(zhǎng)1.3 km，最大壩高19.8 m，壩頂高程436.50 m。由于洪泛平原內(nèi)的土壤深度約為16.7 m，通過(guò)常規(guī)開挖放置混凝土結(jié)構(gòu)來(lái)形成壩體不現(xiàn)實(shí)。因此，堤壩的施工采取了水力充填法，該方法可以全年進(jìn)行施工，同時(shí)又可以就地利用從水閘挖掘出來(lái)的有用土料，降低成本和工作量。當(dāng)初修建大壩時(shí)，人們對(duì)大壩建設(shè)的抗震安全性還知之甚少。地震穩(wěn)定性評(píng)估得出的結(jié)論是，皮克威克大壩容易出現(xiàn)變形，不符合目前田納西河流域管理局（TVA）的震后穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)，如上下游方向的變形要小于0.6 m（變形分析并不考慮大壩內(nèi)部產(chǎn)生的裂縫，這種裂縫也可能導(dǎo)致潰壩）。

雖然壩址附近的條件未發(fā)生改變，但壩體存在受遠(yuǎn)處地震影響的可能性，即沿新馬德里斷層發(fā)生的大規(guī)模地震可能會(huì)波及到大壩并對(duì)堤壩造成破壞。需要指出的是，這樣的地震事件可能造成很大范圍的破壞。因此，TVA一直在致力于實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：

（1）保障公眾安全；

（2）臨時(shí)性風(fēng)險(xiǎn)消減措施（IRRM），包括溝通、教育及意識(shí)提高，完善緊急行動(dòng)計(jì)劃（EAP）及加強(qiáng)監(jiān)控監(jiān)測(cè)等；

（3）通過(guò)可行性研究項(xiàng)目解決現(xiàn)代化抗震問(wèn)題；

（4）國(guó)家環(huán)境保護(hù)法案（NEPA）的準(zhǔn)許；

（5）減災(zāi)措施的設(shè)計(jì)和實(shí)施。

堤壩潰決可能導(dǎo)致的洪水，與田納西州薩凡納河近些年多次發(fā)生的洪水類似，相當(dāng)于10 a一遇。然而，由于目前水面上升的速度比以往要快，所以洪水波到達(dá)的速度比以前也要快很多。為解決快速洪水波問(wèn)題，TVA建立了“大壩潰決預(yù)警系統(tǒng)”，并維護(hù)其正常運(yùn)行，以及時(shí)向居民發(fā)出警報(bào)并保護(hù)下游社區(qū)。

2 臨時(shí)性風(fēng)險(xiǎn)消減措施（IRRM）

TVA持續(xù)對(duì)堤壩進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并提高了對(duì)受影響地區(qū)的通知效率。同時(shí)，TVA正在分步實(shí)施“社區(qū)推廣計(jì)劃”，并聯(lián)合當(dāng)?shù)鼐o急事務(wù)管理機(jī)構(gòu)（EMA）和國(guó)家氣象局（NWS）編制了《疏散指南和地圖》。該手冊(cè)描述了皮克威克堤壩的現(xiàn)狀，通過(guò)圖片對(duì)比分析了最近一次洪水（2013年）和地震可能引發(fā)潰壩造成的洪水分別淹沒的地區(qū)，介紹了早期預(yù)警系統(tǒng)及其組成部分，并提供了緊急聯(lián)系方式、應(yīng)急準(zhǔn)備措施等信息。

TVA向當(dāng)?shù)氐腅MA提供了補(bǔ)充后的緊急行動(dòng)計(jì)劃，其中包括特定場(chǎng)景下的淹沒區(qū)域。該區(qū)域顯示出淹沒區(qū)人口信息、關(guān)鍵設(shè)施和需要特殊救助的人員，以方便大壩下游住宅區(qū)、商業(yè)區(qū)、學(xué)校和其他設(shè)施內(nèi)的人員能夠在緊急情況下迅速撤離。

3 建立大壩潰決預(yù)警系統(tǒng)

在為該項(xiàng)目選擇最有效的監(jiān)測(cè)及預(yù)警方案時(shí)，TVA將公共安全放在首位，并采用了大壩潰決預(yù)警系統(tǒng)，其中包括：①?gòu)?qiáng)大、可靠和冗余的方法和技術(shù)；②遠(yuǎn)程監(jiān)控單元（RMU）；③由強(qiáng)烈震動(dòng)觸發(fā)的自動(dòng)化系統(tǒng)（地震記錄儀）；④用于檢測(cè)受地震破壞堤壩長(zhǎng)度的儀器（時(shí)域反射計(jì)TDR）；⑤復(fù)合視頻；⑥TVA河流預(yù)報(bào)中心工程師全天候監(jiān)測(cè)的預(yù)警系統(tǒng)；⑦美國(guó)陸軍工程師兵團(tuán)（USACE）全天候水閘操作驗(yàn)證；⑧NWS在堤壩發(fā)生變形或潰決時(shí)發(fā)出語(yǔ)音警報(bào)；⑨為可能受洪水影響地區(qū)的家庭提供天氣廣播；⑩無(wú)線電備份。

為確保所有數(shù)據(jù)和組件都能安全正常運(yùn)行，TVA與泛達(dá)（Panduit）公司簽訂了儀器設(shè)備購(gòu)買合同，由其提供項(xiàng)目所需的所有儀器和設(shè)備。通過(guò)雙方共同努力，兩個(gè)月完成了大壩潰決預(yù)警系統(tǒng)的安裝并投運(yùn)，比最初預(yù)計(jì)的時(shí)間提前了10個(gè)月。為了便于在地面強(qiáng)烈震動(dòng)后快速發(fā)出通知，該系統(tǒng)還安裝了地震記錄儀來(lái)收集震動(dòng)觸發(fā)的地震波形數(shù)據(jù)。

時(shí)域反射計(jì)（TDR）可以監(jiān)測(cè)滑坡和堤壩的穩(wěn)定性。TDR的基本原理與雷達(dá)類似，即沿同軸電纜發(fā)出電脈沖，當(dāng)電脈沖在電纜中遇到斷裂或變形時(shí)，就會(huì)被反射，并顯示為典型電纜信號(hào)曲上的一個(gè)“尖峰”，從而可以及時(shí)、準(zhǔn)確地判定位移的相對(duì)大小和速率，以及變形區(qū)域的位置。根據(jù)TVA的設(shè)計(jì)，TDR電纜沿著堤壩的上游壩頂、下游壩頂和下游壩底水平布置（總長(zhǎng)度約為4.8 km），實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)堤壩的變形監(jiān)測(cè)（約1.6 km）。

通過(guò)安裝熱成像攝像機(jī)，可以觀察堤壩上下游的情況，紅外輻射或物體散發(fā)出的熱量會(huì)在熱成像攝相機(jī)內(nèi)形成圖像。因?yàn)樗形矬w都有一個(gè)熱信號(hào)，所以熱成像攝像機(jī)可以一直工作，甚至在完全黑暗的環(huán)境中運(yùn)轉(zhuǎn)。由于熱成像攝像機(jī)是通過(guò)“看到”熱量而不是反射光來(lái)工作，因此可以將物體的溫度轉(zhuǎn)換成不同的灰度。在寒冷的天氣中，人體溫度因?yàn)楸戎車h(huán)境高，所以可能呈現(xiàn)為顏色較淺的圖像，而天氣炎熱時(shí)，則可能呈現(xiàn)為顏色較深的圖像，對(duì)水來(lái)說(shuō)也是一樣。復(fù)合視頻可以提供疊加熱成像的高質(zhì)量光反射圖像，無(wú)論白天還是夜間，均可以通過(guò)熱信號(hào)對(duì)堤壩內(nèi)部潛在的滲流或潰決情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

TVA河流預(yù)報(bào)中心位于田納西州的諾克斯維爾（距離堤壩526 km），這里的操作員負(fù)責(zé)監(jiān)控大壩潰決預(yù)警系統(tǒng)。該監(jiān)控工作和通過(guò)USACE閘門監(jiān)控工作人員（通過(guò)衛(wèi)星電話）進(jìn)行的操作驗(yàn)證每天24 h不間斷進(jìn)行。該系統(tǒng)通過(guò)特定的操作對(duì)監(jiān)控設(shè)備發(fā)回的警報(bào)進(jìn)行評(píng)估，以避免發(fā)出錯(cuò)誤的通知，一旦變形或潰決情況得到核實(shí)，NWS將立即收到通知，并通過(guò)語(yǔ)音提示系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)。此外，TVA還向洪泛區(qū)內(nèi)的下游居民發(fā)送天氣廣播。為了保證冗余度，警報(bào)系統(tǒng)內(nèi)除復(fù)合視頻以外的所有檢測(cè)儀器都配備了無(wú)線電備份。

4 結(jié)語(yǔ)

考慮到皮克威克大壩的多重用途和長(zhǎng)期效益，TVA要求任何對(duì)大壩的改造都必須經(jīng)過(guò)深入的分析，以確保公眾安全和堤壩效益不會(huì)受到損害。TVA對(duì)堤壩風(fēng)險(xiǎn)緩解措施進(jìn)行了排序，其中包括“什么都不做”并維持現(xiàn)有預(yù)警系統(tǒng)、新建大壩、碾壓混凝土、結(jié)構(gòu)加固樁、錨桿加固混凝土護(hù)面、上游隔水墻、地基加固和護(hù)堤，或以上措施的任意組合。最終推薦的設(shè)計(jì)解決方案是在上游和下游修建護(hù)堤并向外延長(zhǎng)土堤，以符合TVA規(guī)定的震后變形標(biāo)準(zhǔn)（橫向或剪應(yīng)變小于0.6 m），設(shè)計(jì)利用3 000 a均布危害度反應(yīng)譜。

項(xiàng)目詳細(xì)設(shè)計(jì)已于2017年10月完成，預(yù)計(jì)整個(gè)項(xiàng)目將于2020年完工。為了符合《國(guó)家環(huán)境保護(hù)法案》（NEPA）和《瀕危物種法案》（ESA）的規(guī)定，TVA付出了巨大的努力，并將通過(guò)大量持續(xù)的監(jiān)管來(lái)確保符合法案的所有要求。

“增強(qiáng)型監(jiān)視與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”安裝并啟用之后，TVA已經(jīng)證實(shí)該系統(tǒng)的運(yùn)行符合預(yù)期。TVA采取的IRRM將繼續(xù)發(fā)揮重要作用。事實(shí)上，在該項(xiàng)目之前從未應(yīng)用過(guò)這種類型的系統(tǒng)，而TVA能夠在兩個(gè)月內(nèi)成功應(yīng)用該系統(tǒng)，確實(shí)是其致力于公共事業(yè)的又一例證。

當(dāng)然，TVA希望永遠(yuǎn)都不會(huì)用到皮克威克大壩的潰壩預(yù)警系統(tǒng)，但如果地震真的發(fā)生，TVA會(huì)盡一切努力幫助周圍社區(qū)、急救人員和TVA工作人員做好有效應(yīng)對(duì)緊急情況的準(zhǔn)備。