基礎設施過去、現在和未來案例集/奧羅維爾大壩

本案例集是馬修·格勞布克、戴維斯·卡德利和伊恩·蓋茨在喬治·梅森大學沙爾政策與政府學院和沃爾格努工程學院西德和雷瓦·德伯裡土木、環境和基礎設施工程系的“基礎設施過去、現在和未來：GOVT 490-003（政策與政府綜合研討會）/CEIE 499-002（土木工程專業主題）2023 年春季課程”中關於奧羅維爾大壩失效的案例研究。模仿新幹線高速鐵路案例集。在喬納森·吉福德教授的指導下。

摘要

這座土石壩位於薩克拉門託上游 70 英里處，位於菲利普斯河三叉口交匯處。該壩是美國最高的壩，也是州政府擁有最大的水庫和供水系統。它包括一個溢洪道系統，用於從連線到它的水體中排洩徑流。它歸加州水資源部所有。它是加州州立水利工程的重要組成部分。儲存在大壩中的水沿著河流向下流動，進入薩克拉門託河系統。大壩形成了一個水庫，容納了約 350 萬英畝英尺的水。它設有魚類隔離壩和水池。^[1]

奧羅維爾大壩還保護著位於菲利普斯河下游的居民免受洪水的侵害。大壩最關鍵的方面之一是它在幫助加州水系統對抗乾旱方面的作用。由於這些功能，大壩對北加州至關重要。^[2]

什麼是土石壩和溢洪道系統？

土石壩由壓實的土方構成。當地土壤是其主要材料。大多數這些大壩都包含一個稱為核心層的中間區域。這個區域由低滲透性材料構成。核心層中的這些粘土有助於防止水流過大壩。^[3]

它們是建造到任何高度的最常見的大壩型別。它們被建立為非溢流部分，並設有獨立的溢洪道。它們之所以最常見，是因為它們的基座要求不像其他大壩那樣廣泛。此外，建造它不需要高度熟練的勞動力。^[4]

溢洪道系統是大壩的一部分。有時它們位於大壩旁邊。它們的作用是在水庫滿水時安全地讓洪水流過大壩。它位於低於大壩其餘部分的高度。這樣可以讓水從大壩流下到溢洪道上。^[5]

參與的機構和行動者

有多個實體對奧羅維爾大壩的坍塌負有責任。他們共同努力監測大壩，並提供維護和風險資訊。

加州水資源部

加州水資源部 (CDWR) 負責管理和監管加州的水資源使用和供應。它管理著 750,000 英畝加州農田的水鏈，併為加州的城市和工業提供水。它還幫助進行洪水控制、提供休閒機會、水力發電，以及有助於保護魚類和野生動物生態系統的增強措施。DWR 的監督範圍從北加州到南加州。在它的範圍內，它監管著 36 個儲水設施、21 個排汙廠、5 個水力發電廠和 4 個抽水發電廠。

他們有大量的責任。他們監督更新和開發《加州水利公報》的過程。他們負責監管大壩、提供洪水防護和協助應急管理。他們努力使加州的大壩安全且保持最新狀態。該機構負責監督奧羅維爾大壩。^[6]

聯邦能源管理委員會

聯邦能源管理委員會 (FERC) 是監管和監督電力、天然氣和石油的聯邦機構。這包括監管批發電力銷售和州際商業電力傳輸。他們強化了州電力系統的強制性可靠性標準。

委員會的主要許可權之一是監管所有水力發電專案。委員會的主要職能之一是維護大壩安全。他們進行安全檢查，監測基礎設施的環境問題，並執行大壩安全。他們還負責頒發新水電專案的新許可證和執照。在啟動新專案之前，委員會會與聯邦和州自然資源機構以及州水質機構協商。 

聯邦能源管理委員會監管新水電專案建設和運營階段。委員會審查和批准發電廠、大壩和其他基礎設施的設計、規格和計劃。工作人員工程師定期檢查專案，以確保它們保持最新狀態。^[7]

聯邦應急管理局

聯邦應急管理局 (FEMA) 擔任各州災後恢復準備的主要聯絡點。他們建立和維護災後恢復資源和支援系統的網路。他們還制定恢復進度計劃，並在災難後向當局通報改進情況。他們與國家大壩安全計劃合作，加強和開發工具以幫助決策者。^[8]

大壩安全部門

除了 DWR 之外，加州水利法還將大壩安全監管權授予大壩安全部門 (DSOD)。他們為加州 1000 多座大壩的設計、建造和維護提供監督。該機構審查和批准大壩的擴建、改建和維修，以確保這些結構符合最低要求。他們定期檢查大壩，以確認它們安全且正常執行。^[9]

河流之友

河流之友是一個加州行動主義組織，致力於保護加州河流和飲用水環境。它成立於 1973 年，現在是加州領先的河流保護組織之一。他們參與基層組織和遊說，以影響決策者。他們領導了各種成功的運動，這些運動能夠影響大壩和河流基礎設施。^[10]

資金和融資

奧羅維爾大壩由加州水資源部提供公共資金。DWC資助洪水緩解、管理專案，並投資於大壩維護措施。DWC與凱維特公司合作，簽訂合同修復事故造成的損壞。該大壩最初由DWR提供資金。^[11] FEMA有一個公共援助計劃，用於向申請人報銷專案災害。該計劃涵蓋與聯邦宣佈的災難相關的潛在成本的75%。溢洪道事故發生後，水資源部向聯邦管理局申請了3.08億美元的重建和應急響應資金。在最初拒絕後，他們將資金髮送給了DWC，DWC能夠幫助重建。^[12] 

大壩建設和失敗的時間表

1957年：與大壩相關的設施開始建設

1961年：大壩的建設開始。

2016年12月8日至2017年1月31日：奧羅維爾湖於12月8日水位降至725英尺，開始上升，但距離滿水位還有175英尺。1月13日，湖水距離滿水位還有50英尺，溢洪道開始釋放每秒15,000立方英尺的水。在1月31日之前，湖水水位超過了855英尺，水量釋放量在每秒12,500立方英尺到20,000立方英尺之間波動。（13）

2月3日至6日：多次風暴導致DWR將水量釋放量增加至每秒50,000立方英尺。湖泊水位為849英尺。（13）

2月7日：溢洪道釋放量增加，目標為每秒65,000立方英尺。然而，大約中午，溢洪道底部出現了一個大洞，大約在中間位置，水量釋放停止。由於流入量超過每秒100,000立方英尺，奧羅維爾湖的水位開始快速上升，超過了862英尺。

2月8日：隨著湖泊水位持續上升，DWR透過受損的溢洪道進行了每秒20,000立方英尺的測試釋放，以觀察侵蝕程度。湖泊水位接近875英尺，流入量仍然超過每秒100,000立方英尺。由於沒有其他選擇，DWR開始透過溢洪道釋放每秒35,000立方英尺的水，意識到底部可能會被沖走。

2月9日至10日：溢洪道釋放量增加到每秒65,000立方英尺，然後縮減到每秒55,000立方英尺。DWR表示流入量已達到峰值並正在下降，稱每秒55,000立方英尺的排放量足以防止使用應急溢洪道。無論如何，水務部門從應急溢洪道堰下方的斜坡上清除了樹木、岩石和碎屑。PG&E拆除了跨越該區域的輸電線路，該區域有被洪水淹沒的風險，如果水位超過應急溢洪道堰。湖泊水位超過890英尺，距離滿水位還有10英尺。2月10日，應急溢洪道堰下方的工作繼續進行，海亞特發電廠關閉，因為碎屑在溢洪道底部的水道池中堆積。

2月11日：大約上午8點，湖泊水位超過901英尺，開始首次從應急溢洪道堰溢位，自1968年湖泊完工以來。主溢洪道釋放量保持每秒55,000立方英尺。

2月12日：湖泊水位在凌晨3點達到902.59英尺，開始下降，但水仍然從應急溢洪道流出。中午，DWR將情況描述為“穩定”。然而，下午3點，應急溢洪道堰下方山坡上出現了一個裂縫，並開始向堰後退，增加了災難性事故的風險，可能會將超過25萬英畝英尺的水釋放到菲瑟河。主溢洪道的釋放量增加到每秒100,000立方英尺，以減輕堰的壓力。布特縣警長科裡·霍尼婭下令立即撤離，尤巴縣和薩特縣的警長也下令撤離。總共超過18萬人被告知離開家園。

3月6日：儘管多次要求提供資訊，但DWR拒絕透露在緊急情況期間花費了多少資金。加州議員詹姆斯·加拉格爾最終得到了答案：每天470萬美元，僅2月就花費了1億美元。

4月6日：加州水資源部概述了其計劃，到11月1日修復和更換奧羅維爾大壩溢洪道，其中完好無損的上部滑道為優先事項。

4月25日：自危機開始以來，加州立法機構成員首次向主要水資源領導人提出關於發生了什麼、接下來會發生什麼以及可以從中學到什麼的尖銳問題。儘管這是第一次立法質詢，但沒有太多新資訊被分享或學習。

4月27日：DWR代理主任比爾·克羅伊爾在社群會議上回答問題並傾聽，受溢洪道災難影響的居民走上前來拿起麥克風發表意見。到5月11日，共完成了7次會議。

5月4日：監督溢洪道維修的獨立委員會建議DWR改變優先事項，將重點放在受損的底部滑道上，而不是頂部。^[13]

2019年4月2日：重建後的溢洪道首次洩洪。主溢洪道和應急溢洪道的重建耗資11億美元。^[14]。

案例敘述

奧羅維爾大壩建於1968年，是美國最大的土石壩。它是加州州立水利工程的重要組成部分，幫助為超過2300萬人提供水資源。該地區經過多次暴雨襲擊後，大壩溢洪道的一塊混凝土塊被沖刷掉。這導致了溢洪道其他部分以及周圍和下方地面的快速侵蝕。必須增加溢洪道的流量以防止大壩和河流發生洪水風險，這引發了18萬多名下游居民的撤離。

在事故發生後，聯邦能源管理委員會在州立大壩安全官員協會和美國大壩協會的幫助下進行了調查。調查耗時9個月，並最終釋出了一份包含584頁的報告，該報告不僅概述了大壩的物理故障，還概述了導致故障的人為錯誤。第一個人為錯誤發現在大壩本身的設計中。大壩建成後不久，工程師就注意到溢洪道下方混凝土板出現裂縫，但很快就將其視為只需要持續維修的問題。在多次安全分析中，大壩也被錯誤地描述為質量良好，而實際上基礎正在侵蝕。

調查還發現，大壩的所有者以及監管機構沒有足夠關注大壩的安全，大多數安全方面的支出是事後的補救措施，而不是預防措施。檔案和資料沒有組織好。員工和工程師經常無法獲得所需的資訊。此次事故幫助大壩行業瞭解需要注意的事項以及確保大壩安全的正確做法。  

奧羅維爾溢洪道損壞

政策問題

在危機發生後，當時的州長傑裡·布朗不得不宣佈進入緊急狀態，並部署國民警衛隊協助撤離工作。他還將州行動中心提升到最高級別，並請求總統宣佈重大災難，然後宣佈新的政策建議，以加強大壩安全，進一步保護該州免受洪水的影響。^[15]

其中一項宣佈是投資4.37億美元用於“近期洪水控制和應急響應行動”。布朗的第二項宣佈是開始要求該州的大壩制定行動計劃和洪水淹沒地圖。然後他宣佈了一項“加強”加州大壩檢查計劃的努力，然後在寫給美國陸軍工程兵團和國防部長、內政部長和國土安全部長的信中請求聯邦採取行動。^[16]

FEMA負責執行國家大壩安全計劃（NDSA），致力於在全國範圍內促進大壩安全。^[17] 高風險大壩計劃每年為各州提供2200萬美元用於大壩維修，包括今年來自基礎設施投資和就業法案的1100萬美元。^[18]  目前有兩個諮詢委員會監督美國的大壩運營。FEMA領導的ICODS（跨部門大壩安全委員會）鼓勵制定高效的計劃，以維護和提高全國範圍內的水壩安全。國家大壩安全審查委員會（NDSRB）制定安全目標，並審查聯邦政策對大壩的影響；可能需要對其運營進行分析，以防止將來再次發生奧羅維爾事件。^[19]

在大壩重建期間，加州環境質量法案 (CEQA) 被暫停，但國家海洋漁業局 (NMFS) 援引《瀕危物種法案》試圖減緩重建程序。NFMS 要求檢查和施工只能在夜間進行，但眾議員道格·拉馬爾法 (共和黨-加州) 在他寫給時任總統特朗普的一封關於發生在他選區的奧羅維爾事件的信中強烈譴責了這些做法。^[20]

2019 年，聯邦緊急事務管理局 (FEMA) 批准支付 2.05 億美元，但未支付重建大壩洩洪道的剩餘 3.06 億美元。由於洩洪道因施工不當而失效，因此 FEMA 不負責承擔全部成本。聯邦法律允許 FEMA 償還高達 75% 的建設成本，但 FEMA 決定只支付 40% 的成本。當加州宣佈計劃起訴 FEMA 要求獲得這部分未償還款項時，特朗普政府改變了立場，支付了額外的 3 億美元。^[21]

結論

洩洪道失效後，人們對美國大壩現狀的討論越來越多。美國土木工程師學會 (ASCE) 在 2017 年的年度基礎設施報告中，將美國大壩的整體狀況評為“D”。^[22] 2020 年，在密歇根州米德蘭發生另一起可避免的大壩失效事件，再次引發了人們對美國大壩現狀的擔憂。^[23]

一項調查發現，奧羅維爾洩洪道失效是由有缺陷的施工過程造成的。主洩洪道建在“質量較差的岩石”上，洩洪道設計師之前從未建造過洩洪道。多年來，洩洪道上形成了多個裂縫，導致水於 2017 年 2 月 7 日衝破洩洪道。^[24]  

美國陸軍工程兵團和獨立法醫報告都得出相同的結論，即設計缺陷導致了這次大壩失效。失效的洩洪道建在不穩定的基岩上，並且從未對洩洪道的有效性進行過測試。^[25]

加州水資源部 (CDWR) 也因失效事件受到指責，因為該部門“對州水利工程民用基礎設施（包括大壩）的完整性過分自信和麻痺大意”。大壩結構薄弱，因為該結構依賴於錨固在基岩和鋼材上的薄混凝土錨。美國國家工程院的一位專家建議，應改變 CDWR 的文化，或者該部門應進行大換血。布朗州長選擇不進行大換血，因此 CDWR 這種疏忽大意的文化可能需要一段時間才能改變。^[26]

即使在 2020 年，一份報告也發現，儘管進行了數億美元的維修，但大壩仍然存在弱點。

• 侵蝕仍然可能淹沒海亞特發電廠。
• 結構問題可能導致操作人員無法開啟閘門。
• 首部結構仍然可能失效，釋放出大量不受控制的水。
• 罕見的暴雨可能導致潰壩。
• 大壩頂部附近仍然可能發生內部侵蝕。

必須進行高達 20 億美元的額外投資才能解決所有這些弱點。^[27]

奧羅維爾大壩在 2017 年失效後的照片

氣候變化也被認為是導致奧羅維爾危機的原因之一。大氣河流（2017 年大壩失效當天襲擊北加州的現象）隨著全球變暖預計會越來越頻繁。如果不對大壩建造和檢查過程進行更全面的改進，大壩規劃人員和運營人員的錯誤將會暴露得更多。^[28]

討論問題

如何才能在未來預防像奧羅維爾大壩這樣的災難？

可以採取哪些監管措施來預防人為錯誤？

如何實施適當的機制，使像河流之友這樣的組織提出的關於大壩安全的擔憂得到重視？