工程灾难:圣弗朗西斯大坝倒塌

大坝倒塌前的几个小时

大坝坍塌的那天早些时候，大坝管理员托尼·哈尼斯费格(Tony Harnischfeger)在大儿子科德(Coder)的陪同下进行了例行检查。他注意到泥水似乎是从大坝底部的裂缝中流出来的。由于担心这些泥水可能来自大坝地基，他打电话给首席工程师威廉·穆赫兰(William Mulholland)表达了他的担忧。

穆赫兰和他负责这个项目的助理工程师哈维·范·诺曼一起来的，但经过检查，他认为水被一条新道路上的泥土弄脏了，所以他没有担心。穆赫兰刚回到他在城里的办公室，就接到了二号水电站维修工程师丹·马修斯(Dan Mathews)的电话。他还发现了泥水，不过这一次似乎是从大坝下面流出来的，流经发电站。

在再次检查了这个新的泄漏事件后，穆赫兰尽管表现出了担忧，但还是认为没有必要大惊小怪。仅仅12个小时后，也就是午夜前几分钟，大坝倒塌了，形成了一个巨大的海浪，据估计有125英尺高，冲下山谷，冲向大海。

大坝裂缝

圣弗朗西斯大坝从1926年开始运行，然而，当它开始填充混凝土时，混凝土结构出现了裂缝。根据穆赫兰的说法，这是由于膨胀和收缩，对于这种大小的结构来说是正常的。裂缝和裂缝一直持续到大坝倒塌的那一天。

洛杉矶供水和农民的不满

圣弗朗西斯大坝的目的是形成一个水库，为距离大坝40英里处迅速扩张的洛杉矶市提供饮用水。(请按右边的图片放大)

上图为大坝的人行道https://www.npr.org/templates/story/story.php?storyId=1190341

穆赫兰是当时洛杉矶供水工程和供应局的总工程师，也就是现在的洛杉矶水和电力供应局的总经理。

不满的当地农民一直在抱怨，欧文斯河的水被分流到洛杉矶渡槽，也由穆赫兰设计和建造。沟渠为城市提供了饮用水，但这样做的代价是损失了灌溉农民土地的水。这很快导致了一场“水战”，农民被指责为许多破坏行为，包括在渡槽上使用炸药。对供水公司来说，后来的维修费用很高，而且很费时间。

因此，大坝建设的开始是尽可能低调和保密的;通过《洛杉矶时报》，公众在第一批混凝土浇筑后才知道这个项目。

大坝的建设用了两年时间才完成。

大坝崩塌的后果

历史气象数据从洛杉矶地区的降雨量来看，12月到3月的降水量最大。大坝在1928年3月7日左右达到了满负荷。

大坝墙上的缺口使得120亿加仑的水在巨大的波浪中释放出来。洪水淹没了当地的财产和土地，许多家庭被困在那里，几乎没有获救的机会。第一批伤亡人员可能是大坝管理员托尼·哈尼施费格(Tony Harnischfeger)和他的家人，他们住在离大坝底部四分之一英里的地方。当巨浪袭击他们的小屋时，它已经超过100英尺高了;他们就没有生存的机会了。托尼·哈尼斯费格和他的儿子一直没有被找到，但男孩母亲的尸体被发现卡在大坝的两块混凝土块之间。

水流继续加速，吞没了二号水电站，冲垮了它的混凝土结构，摧毁了它和里面的机器，然后沿着峡谷流下，淹没了巴斯代尔、卡斯泰克枢纽和菲尔莫尔。

当这股浪潮到达最遥远的城镇和农场时，人们已经通过电话和警察摩托车向沿途的居民发出警告(尽管他们自己也处于危险之中)。这些行动无疑挽救了许多生命。

现在，洪水以每小时5英里的速度移动，宽达2英里，横扫一切:牲畜、桥梁、城镇、建筑物，以及该地区著名的果园。这是加州1906年地震和火灾之后最严重的灾难，造成至少450人死亡。

大坝决口5小时后，洪水将残骸和尸体喷入太平洋蒙特沃，那里距离灾难现场约50英里。

下一个我们研究了大坝的设计，随后的调查，以及圣弗朗西斯大坝灾难中的英雄们。

大坝的设计特点

大坝的标准

• 地点-旧金山溪，洛杉矶县，美国加利福尼亚
• 身高:195英尺
• 长度:608英尺
• 水库容量:38000英亩英尺

大坝的设计

圣弗朗西斯大坝是一个混凝土拱/重力设计，结合了拱和重力设计，混凝土是主要使用的材料。

• 拱设计

在这种设计类型中，大坝由混凝土建造，呈面向上游的曲线形状。当水库在大坝后面充满水时，形成的静水力被弧形拱吸收，并且(理论上)均匀地分布在地基和桥台上。

拱坝用于狭窄、高壁的峡谷，由于其设计允许减少壁厚，大大节省了材料建造成本。

• 重力设计

这些水坝通常建在直轴上，但也可以有一个轻微的曲线，以适应地形。它们对水库水对坝壁施加的力的稳定性是基于它们的固有强度。这是通过他们的几何形状和重力作用通过混凝土的质量进入基础。

因此，圣弗朗西斯大坝兼具了这两种设计的优点，并且建在了被认为是坚实的基础上;然而，后来就会发现，这些基础根本就不健全。

混凝土与精确数量的水、水泥、沙子和石头混合，石头的大小是一个重要的强度和养护因素。

当我在海上油气建设码头(offshore Oil and Gas Construction Yards)担任工程师时，生产平台的混凝土重力支撑基地曾风行一时。现代混凝土施工方法允许连续24小时浇注混凝土。模板调整到浇注率，根据所需的混凝土流量自动上升。这给了结构一个统一、坚固和光滑的表面。

早在20世纪20年代，当圣弗朗西斯大坝建造时，他们就会计算混凝土的固化时间/重量，分批地将其倒入模板中，并在设置好后移到下一段/水平。仅这一部分就需要大量的体力劳动，这就是为什么在这个项目上雇佣了5000人。

大坝的高度在建造过程中增加了几倍，最后在旧金山峡谷的西部桥台上增加了一个小型挡土墙或堤坝。这是为了在满负荷运行时保持贮液器的容量。

圣弗朗西斯大坝灾难调查

利害关系人提出了10次以上的调查，但我们将要调查的是正式的、被引用最多的调查。它是由加州州长c·c·杨(C. C. Young)任命的，在灾难发生后仅一周就在洛杉矶举行。

杨州长委托了一个由四名土木工程师和两名熟悉混凝土大坝设计和当地地形的地质学家组成的小组。调查小组在现场花了时间，爬过遗骨，检查支撑大坝地基的地面。他们花了几天时间审查计划和设计，并在一周后写好报告交给了杨州长。

他们的报告显示，圣弗朗西斯大坝的失败是由两个不同的因素造成的;

1. 穆赫兰设计的大坝计算安全系数为4。安全系数的计算方法是将实际结构强度除以所需的最小结构强度。安全系数越大，结构失败的可能性越小。由于大坝的使用寿命较长，在设计中考虑了较高的安全系数，有的甚至高达20。穆赫兰没有考虑高度的增加，使水库的储水量比原来的设计容量增加了7%。这给大坝结构增加了额外的压力，但强度没有任何变化，并可能将安全系数降低到1以下。
2. 支撑整个东桥台的部分大坝地基覆盖在一种被称为古滑坡的地质结构的古老基岩遗迹上。古滑坡是一种大型古代滑坡造成的不稳定地基。一旦水库达到最大容量，大坝受到最大的压力，东桥台就会脱落。然后它创建了自己的山体滑坡也导致了大坝脚跟处的裂缝。灾后照片证实了这一点，如下图所示。(请按图片放大)

图像https://web.mst.edu/ rogersda / st_francis_dam lessons_learned_from_the_st_francis_dam_failure (geostrata_mar-apr_2006) . pdf(加州大学伯克利分校水资源档案馆李总藏书)

杨州长将这场灾难的全部责任推给了洛杉矶供水工程和供应局，并对总工程师穆赫兰提出了刑事起诉。虽然没有受到刑事指控，但他的事业一败涂地，他孤独地退休了，并在7年后以心碎的方式死去。如今，他的名字依然存在于好莱坞山成功的穆赫兰大坝(该大坝在圣弗朗西斯大坝倒塌后迅速得到加固)和洛杉矶的穆赫兰道。

总督还建议，今后任何混凝土大坝的设计都应经过合格的工程师委员会的交叉检查和批准，包括所有结构计算。

灾难英雄

人民本身就是天生的英雄;那些住在即将到来的水波的山谷里的人冒着生命危险开车去叫醒他们的邻居，并帮助他们到安全的高地。

两名骑摩托车的警察也冒着生命危险赶在人群前面，叫醒人们并建议立即撤离。他们骑在自行车上圣宝拉纪念碑．电话接线员不顾自身危险，坚守岗位，打电话通知人们情况。

救援工作立即开始。许多工人也被称赞为英雄，他们赶往废墟现场，那里的尸体仍躺在被洪水冲走的地方。他们为幸存者准备了食物和住所，并开始了为灾难受害者建立太平间的可怕任务。

这些组织为幸存者所作的不懈努力值得特别提及，其中许多人失去了一切:

• 美国退伍军人
• 美国退伍军人协会妇女辅助组织
• 童子军
• 县妇女俱乐部联合会
• 美国红十字会

灾难发生后的第二天，《洛杉矶时报》设立了时报洪水救援基金。

下面是一幅位于当地墓地的墓碑的图片，描绘了一个家庭在大坝灾难后的最后安息之所;

从图片https://www.scvhistory.com/scvhistory/lw2154b.htm

参考文献

1. 出版物/ eng /手册:混凝土重力坝理论。
2. mst.edu:对大坝倒塌的调查。
3. npr.org:圣弗朗西斯大坝灾难周年纪念。
4. thesignal穆赫兰的悲剧性错误