Popis a pozadí

Popis a pozadí

Přibližně ve 13:15 dne 22. září 1938 došlo na horním svahu přehrady přiléhajícím k pravému opěráku k rozsáhlé havárii, když stavební práce postoupily do vzdálenosti 20 stop od konečné výšky koruny hráze (viz foto 1). V oblasti pracovalo sto osmdesát mužů. Třicet čtyři mužů bylo zraněno. Osm mužů přišlo o život, šest z nich nebylo nikdy nalezeno a jsou pohřbeni někde v hrázi.

Tato případová studie představuje shrnutí 1) úsilí o vyšetření a pochopení příčiny havárie a 2) kontroverze týkající se vyhodnocení hlavní příčiny. Rada konzultantů projektu zjistila, že příčinou selhání byla nedostatečná odolnost zvětralých břidlic a bentonitových vrstev v pravé opěře proti proudu a v základech hráze (viz foto 2). Dále uvedli, že „rozsah, v jakém sesuv postupoval proti proudu, mohl být do jisté míry způsoben částečným zkapalněním materiálu v sesuvu.“

Při opětovném přezkoumání poruchy v roce 2018 (Redlinger et. al., 2018, Berre a Ferguson, 2019) bylo zjištěno, že došlo k významnému technologickému pokroku při charakterizaci smykové pevnosti jílových materiálů. Obavy související se zvětralými břidlicemi a bentonitovými vrstvami, o nichž se předpokládalo, že vyvolaly selhání svahu ve Fort Pecku, si zaslouží, aby byly nadále přezkoumávány při pravidelném přehodnocování rizik. Příspěvek ke zkapalnění během výstavby byl předmětem četných šetření, jejichž cílem bylo posoudit zkapalněnou pevnost hydraulické výplně a mělkého základového písku. Hlavní příčinu lze přičíst omezením technologie navrhování hrází, která byla v té době k dispozici. Konkrétně neexistovaly laboratorní zkoušky a návrhové postupy týkající se smykové pevnosti a) jílovitých břidlic v pravé opěře proti proudu (které mohly iniciovat poruchu) a b) potenciálně zkapalnitelných hydraulických výplní používaných při stavbě hráze a materiálů základových písků. Dnes existují technologie, které umožňují posoudit tyto mechanismy a potvrdit bezpečnost konstrukce.

Porucha svahu Fort Peck měla významný dopad na metody navrhování a postupy výstavby inženýrských sborů americké armády (a celého průmyslu). Kromě toho se ve Spojených státech po havárii přehrady Fort Peck obecně přestaly používat metody konstrukce hydraulických výplní pro hráze.

Významné údaje o přehradě a nádrži Fort Peck jsou následující:

• Hydraulicky vyplněná & válcovaná zemní výplň se štětovnicovou základovou příčkou.
  • 125 628 000 kubických yardů umístěného výplňového materiálu.
  • 3 000 000 kubických yardů štěrku umístěného ve štěrkových prutech proti proudu a po proudu.
• Délka (včetně úseku hráze) – 21 026 stop.
• Maximální výška nad korytem – 250 stop.
• Maximální šířka u paty – 4 900 stop.
• Šířka hřebene – 50 stop.
• Datum uzavření – 24. června 1937.
• Celková maximální zásobní kapacita: 18 463 000 akropolí
• Instalovaný výkon: 185 MW
• Kapacita přelivu: 275 000 m3/sec

Hydraulické napouštění bylo zvoleno jako nákladově nejefektivnější varianta výstavby hráze, jinak by náklady na výstavbu hráze nebyly ekonomicky opodstatněné. Uzavření hlavního koryta s odklonem řeky tunely bylo dokončeno 24. června 1937, což umožnilo agresivnější hromadné ukládání zbývající výplně hráze. Sledování, zda nedochází k poruchám nebo problémům s hydraulickou výplní, bylo na denním pořádku. Jak výplň stoupala, dělníci běžně procházeli kalové potrubí na hrázi a hledali průhyby a kvůli obavám z překlopení břehu proti proudu bylo nutné denně podávat hlášení.

Územní plán USA. Army Corps of Engineers (USACE) ve zprávě o sesuvu (1939) uvádí následující:

„Ráno 22. září 1938 byla provedena obvyklá inspekce hlavním inženýrem odpovědným za stavbu, jeho asistentem, dozorcem výplní, pomocným dozorcem odpovědným za hráze a inspekční skupinou výplní.

Přibližně v 10 hodin dopoledne byly jejich nálezy projednány na konferenci konané na hřebeni horního líce hráze poblíž stanice 15+10.

Přibližně v 10 hodin dopoledne byly jejich nálezy projednány na konferenci konané na hřebeni horního líce hráze poblíž stanice 15+10. Inspektoři výplní a zástupce stavbyvedoucího konstatovali, že se nezdá, že by zde byl dostatečný volný bok. Bezprostřední kontrola tohoto místa odhalila hrubým měřením, že výška dna potrubí nad jádrovou tůní je pouze 30 palců, zatímco by měla být 4,5 stopy. …. Přibližně v 11:45 hodin předložila posádka průzkumu následující údaje:

Stanice 15 – potrubí 3 stopy nad bazénem jádra; (mělo být 4,5 stopy.
Stanice 16 – 3 stopy; mělo být 4,5 stopy
Stanice 17 – 2,8 stopy (mělo být 4,5 stopy)“

V tomto okamžiku byla výška základního bazénu 2252, výška nádrže 2117,5 a hráz se blížila k dokončení. Když další pozorování potvrdila, že hladina vody v jádrové tůni se oproti předchozímu dni nezměnila, bylo zjištěno, že se zřejmě usazuje hráz proti proudu u pravé opěry (východní). Vedoucí projektu Clark Kittrell se na místo vydal brzy odpoledne. Jeho řidič Eugene Tourlotte se blížil od západu a na místo dorazil kolem 13:15. Tourlotte viděl, jak se pod autem začíná pohybovat skořepina proti proudu, dupl na brzdy a vysokou rychlostí zařadil zpátečku, aby sesuv úspěšně přejel. Během následujících deseti minut se na 1700 stop širokém sesuvu ocitly železniční koleje, vlaky, lodě, potrubí a čtyřiatřicet mužů. Z hráze se uvolnilo přes 5 milionů kubických metrů materiálu a pět procent konstrukce bylo zničeno. Když se hráz zastavila, část zařízení byla pod vodou a osm mužů zahynulo, pohřbeno v sesuvu. Dvacet šest mužů sesuv úspěšně přečkalo.

Ilustrace půdorysu hráze v blízkosti pravé opěry, kde došlo k poruše před sesuvem a po něm, je na fotografii 3. Všimněte si, že oblast poruchy byla jediným místem podél horního svahu hráze, kde nebyl zahrnut stabilizační val. Příčný řez poruchou, který ukazuje konfiguraci hráze před a po, je zobrazen na fotografii 4. Rychlé stoupání koruny v kombinaci s poklesem hladiny nádrže mezi červencem a zářím (zobrazeno červeně) společně vytvořily nevysušené zatížení, které způsobilo poruchu.

Bezprostředně po sesuvu byla původní rada pro návrh hráze rozšířena o:

• Dr. Arthur Casagrande – profesor mechaniky zemin na Harvardově univerzitě
• Mr. I. B. Crosby – konzultační inženýrský geolog
• Dr. Glennon Gilboy – konzultační inženýr, bývalý profesor půdní mechaniky na MIT
• Pan Joel D. Justin – předseda, konzultační inženýr Phil. PA, spoluautor knihy „Engineering for Dams“
• Pan William H. McAlpine – Office of the Chief of (USACE) Engineers
• Pan C. W. Sturtevant – Division Engineer

Po rozsáhlém programu charakterizace místa a laboratorních zkoušek v oblasti sesuvu dospěla rada konzultantů 6 měsíců po jeho vzniku k následujícímu závěru o příčině sesuvu:

„Po pečlivém zvážení všech relevantních údajů dospěla rada k závěru, že sesuv v horní části hráze v blízkosti pravé opěry byl způsoben tím, že smyková odolnost zvětralých břidlicových a bentonitových vrstev v podloží nebyla dostatečná, aby odolala smykovým silám, kterým bylo podloží vystaveno. Rozsah, v jakém sesuv postupoval proti proudu, mohl být do jisté míry způsoben částečným zkapalněním materiálu v sesuvu.“ Zpráva správní rady z 2. března 1939

Tento stručný závěr správní rady o příčině poruchy zdůrazňuje smykovou pevnost břidlicových a bentonitových vrstev v podloží. Může se to zdát zřejmé vzhledem k tomu, že pravá část sesuvu byla jediným místem, kde byla část hráze pravděpodobně založena přímo na polici v břidlicových materiálech a kde byly zjištěny první pohyby. Jak se horní část břidlic ponořila pod levou část sesuvu, břidlice se pohřbily do maximální hloubky asi 40 až 60 stop naplavenin na levé hranici sesuvu, alespoň na ose. Zpětná analýza, která se stala základem pro přepracování projektu, se zaměřila na pevnost bentonitových břidlicových materiálů, zatímco laboratorní zkoušky se zabývaly pevností jílových břidlic a zjišťovaly, zda došlo ke zkapalnění (U.S. Army Corps of Engineers, červenec 1939).

Dva z devíti členů rady, Merriman a Mead, zprávu nepodepsali: Jeden z technických důvodů a druhý z důvodů spíše filozofických. Několik členů komise (doktoři Casagrande a Gilboy) bylo přesvědčeno, že došlo ke zkapalnění, přestože výsledky laboratorních zkoušek k odhadu kritického poměru prázdnoty (Casagrande, 1936) hydraulické výplně naznačovaly, že by materiály nezkapalněly (Middlebrooks, 1942). Gilboy ve své diskusi k Middlebrooksově práci z roku 1942 poprvé vyjádřil názor menšiny v radě, která dospěla k závěru, „že zkapalnění bylo vyvoláno smykovým porušením břidlic a že velký rozsah poruchy byl způsoben především zkapalněním“. Casagrande o tomto tématu mlčel až do své Terzaghiho přednášky v roce 1965, kde prozradil, že formulace zprávy rady byla „kompromisní formulací, která měla překlenout velký rozpor v názorech konzultantů, kteří zprávu podepsali“. Casagrande dále uvádí, že „Gilboy a já jsme sdíleli názor, že zkapalnění bylo soustředěno hlavně v jemné pískové zóně pláště vedle jádra a že zkapalnění se mohlo rozšířit do podkladových silně zatížených základových písků.“

Podrobný přehled technologie dostupné v době návrhu a vyhodnocení po poruše spolu s lidským faktorem ve světle nedostatečné technologie, který nedávno provedli Redlinger, Ferguson a Berre (Redlinger, et al, 2018) a také Berre a Ferguson (webinář ASDSO, srpen 2019). Tyto posudky zjistily následující:

1. Klíčové faktory, které přispěly k selhání horního svahu hráze, souvisely s nedostatečnou technologií a návrhovým postupem spojeným s oběma následujícími:
   • smykovou pevností základových materiálů z jílovitých břidlic včetně toho, co nyní označujeme jako „zbytkovou pevnost“, a
   • pevnostní charakteristikou materiálů hydraulické výplně a mechanismem „zkapalnění“.
2. Klasifikace jílovitých břidlic a vliv slickensidů, zlomů a jiných předsunutých povrchů nebyly dobře známy. Rovněž se nepředpokládala možnost vzniku vysokých pórových tlaků v tuhých rozpukaných břidlicích v důsledku stavebního zatížení. Systém klasifikace zemin, který se používal, měl omezenou hodnotu ve srovnání s jednotnou klasifikací, která přišla téměř o dvě desetiletí později.
3. Charakterizace smykové pevnosti základových materiálů, včetně bentonitových vrstev v jílovitých břidlicích, ještě nebyla standardní projekční praxí. Problematika pevnosti těchto materiálů a možnosti jejich selhání byla sice identifikována, ale úplné pochopení pevnostních vlastností a schopnost charakterizovat pevnost pro návrh byly omezené. Tyto pevnosti byly identifikovány až při vyšetřování po poruše. Šetření po poruše skutečně ukázala bentonitové materiály s pevností jen necelých 9 stupňů (viz foto 5). Pokud je autorovi známo, použití nižší pevnosti odpovídající tomu, co bychom dnes klasifikovali jako „zbytkovou pevnost“ jílových břidlic ve zpětné analýze poruchy sesuvu provedené radou konzultantů, bylo prvním takovým použitím této pevnosti při návrhu svahu pro přehradu.
4. Přestože koncept zkapalnění (kritický poměr hustota/prázdnota, Casagrande, 1936) začínal být chápán na základě řady případových studií, jako bylo selhání přehrady Calaveras v Kalifornii (1918), schopnost správně charakterizovat a posoudit skutečnou pevnost hydraulických výplňových materiálů buď během návrhu, nebo v rámci posouzení po selhání byla přinejlepším omezená. Dále chybělo porozumění tomu, jak rychlost výstavby a snižování hladiny bazénu, k němuž došlo v období od 20. července do 22. září, ovlivní tlaky vody v hrázi a podloží, pevnost jílovitých břidlic a hydraulických výplňových materiálů a nakonec i stabilitu horního svahu hráze.

Vyhodnocení po poruše, které provedl Westergaard (Casagrande, 1965), naznačilo, že podél paty sesuvného tělesa působil při poruše průměrný úhel tření o něco více než 4 stupně. Metoda, kterou Westergaard použil k odhadu pevnosti, spočívala v konstrukci přímky mezi odhadovanými těžišti příčného řezu násypu před a po, jak je znázorněno na fotografii 6. Za více než 80 let od poruchy se mnoho výzkumníků ujalo úkolu zpětně analyzovat průměrnou „zbytkovou pevnost“ materiálu v poruchovém tělese na přehradě Fort Peck. Jak shrnují Redlinger et al (2018), zdá se, že Westergaardovo zjednodušené hodnocení bylo docela blízko k cíli. Nicméně otázka, jak odhadnout zbytkovou pevnost potenciálně zkapalnitelných materiálů, je pro inženýry stále velkou výzvou.

Při opětovném zkoumání poruchy v letech 2018 a 2019 (Redlinger et al, 2018; a Berre a Ferguson, 2019) bylo zjištěno, že existuje řada nouzových příznaků, které naznačují, že porucha je bezprostřední. Mezi tyto nouzové ukazatele patřily např: 1) vyklenutí kolejí ve staničení 15 až 17, 2) sedání kalového potrubí a podélné praskání násypu podél horní hrany koruny a 3) vysoké tlaky vody v násypu a průsaky vycházející z první lavice (lomového kamene) podél horního svahu pod jádrovou tůní v noci před poruchou.

(1) Berre, L. a Ferguson, K. A. (2019). Fort Peck Dam Upstream Slope Failure (Porucha svahu proti proudu přehrady Fort Peck, Montana). Webový seminář ASDSO. Association of State Dam Officials.

(2) Casagrande, A. (1936). Charakteristiky nesoudržných zemin ovlivňující stabilitu svahů a zemních těles. Journal of the Boston Society of Civil Engineer. Vol. 23, No. 1.

(3) Casagrande, A.. (1965). Role „kalkulovaného rizika“ v inženýrství zemních prací a zakládání staveb. The Terzaghi Lecture, Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division, Proceedings of the American Society of Civil Engineers.

(4) Gilboy, G. (1942). Diskuse k článku Middlebrookse „Fort Peck Slide“. Transactions of the American Society of Civil Engineers, Vol. 107, pp 725-755.

(5) Redlinger, C. G., Ferguson, K.A., and Berre, L. M. (2018). Osmdesáté výročí sesuvu při stavbě přehrady Fort Peck. Výroční konference ASDSO. Seattle: Associate of State Dam Safety Officials.

(6) U.S. Army Corps of Engineers. (1939). Report on the Slide of a Portion of the Upstream Face of the Fort Peck Dam [Zpráva o sesuvu části horního toku přehrady Fort Peck]. U.S. Govt. Printing Office, Washington, D.C.

Tento souhrn případové studie recenzovala Laila M. Berre, P.E., vedoucí programu bezpečnosti přehrad v US Army Corps of Engineers.