Beschreibung & Hintergrund

Beschreibung & Hintergrund

Am 22. September 1938 gegen 13:15 Uhr brach der stromaufwärts gelegene Hang des Dammes, der an das rechte Widerlager angrenzte, in großem Umfang, als die Bauarbeiten bis auf wenige Meter an die endgültige Dammkrone heranreichten (siehe Foto 1). Hundertachtzig Männer arbeiteten in diesem Bereich. Vierunddreißig Männer wurden verletzt. Acht Männer kamen ums Leben, sechs von ihnen wurden nie gefunden und sind irgendwo im Damm verschüttet.

Diese Fallstudie gibt einen Überblick über 1) die Bemühungen, die Ursache des Versagens zu untersuchen und zu verstehen, und 2) die Kontroverse über die Ursachenbewertung. Das Beratergremium für das Projekt stellte fest, dass das Versagen auf die unzureichende Scherfestigkeit der verwitterten Schiefer- und Bentonitflöze im stromaufwärts gelegenen rechten Widerlager und im Dammfundament zurückzuführen war (siehe Foto 2). Sie wiesen ferner darauf hin, dass „das Ausmaß, in dem die Rutschung flussaufwärts fortschritt, in gewissem Maße auf eine teilweise Verflüssigung des Materials in der Rutschung zurückzuführen sein könnte.“

Bei der erneuten Untersuchung des Versagens im Jahr 2018 (Redlinger et. al., 2018, Berre und Ferguson, 2019) wurde festgestellt, dass es erhebliche technologische Fortschritte bei der Charakterisierung der Scherfestigkeit von Tonmaterialien gegeben hat. Die Bedenken im Zusammenhang mit den verwitterten Schiefer- und Bentonitflözen, von denen angenommen wird, dass sie das Hangversagen von Fort Peck ausgelöst haben, sollten bei der regelmäßigen Neubewertung der Risiken weiter geprüft werden. Der Beitrag der Verflüssigung während der Bauarbeiten stand im Mittelpunkt mehrerer Untersuchungen, um die Verflüssigungsfestigkeit der hydraulischen Aufschüttung und des flachen Fundamentsandes zu bewerten. Die Hauptursache ist auf die Grenzen der damals verfügbaren Technologie für die Dammkonstruktion zurückzuführen. Insbesondere gab es keine Labortests und Auslegungsverfahren für die Scherfestigkeit a) der Tonschiefer im stromaufwärts gelegenen rechten Widerlager (die möglicherweise das Versagen ausgelöst haben) und b) der potenziell verflüssigbaren hydraulischen Aufschüttung, die für den Bau des Damms verwendet wurde, und der Gründungssandmaterialien. Heute gibt es Technologien, um diese Mechanismen zu bewerten und die Sicherheit des Bauwerks zu bestätigen.

Das Hangversagen von Fort Peck hatte erhebliche Auswirkungen auf die Planungsmethoden und Bauverfahren des U.S. Army Corps of Engineers (und der gesamten Industrie). Darüber hinaus wurde in den Vereinigten Staaten nach dem Dammbruch von Fort Peck die Verwendung von hydraulischen Aufschüttungsmethoden für Dämme im Allgemeinen eingestellt.

Einschlägige Daten über den Fort Peck-Damm und den Stausee sind wie folgt:

• Hydraulisch gefüllter & gerollter Erdschüttdamm mit einer Spundwand als Fundamentabgrenzung.
  • 125.628.000 Cubic Yards Schüttung.
  • 3.000.000 Cubic Yards Kies in den flussaufwärts und flussabwärts gelegenen Kiesschichten.
• Länge (einschließlich Deichabschnitt) – 21.026 Fuß.
• Maximale Höhe über dem Bachbett – 250 Feet.
• Maximale Breite an der Basis – 4.900 Feet.
• Kronenbreite – 50 Feet.
• Schließungsdatum – 24. Juni 1937.
• Gesamte maximale Speicherkapazität: 18.463.000 ac-feet
• Installierte Kapazität: 185 MW
• Überlaufkapazität: 275.000 cu ft/sec

Die hydraulische Füllung wurde als die kostengünstigste Option für den Bau des Staudamms gewählt, da die Kosten für den Bau des Damms sonst wirtschaftlich nicht vertretbar gewesen wären. Die Schließung des Hauptkanals mit der Umleitung des Flusses durch die Tunnel wurde am 24. Juni 1937 abgeschlossen, so dass die restliche Dammschüttung in größerem Umfang eingebracht werden konnte. Die Überwachung der hydraulischen Aufschüttung auf Schäden oder Probleme war tägliche Routine. Während die Schüttung anstieg, gingen die Arbeiter routinemäßig die Schlammleitungen auf dem Damm ab, um nach Senkungen zu suchen, und wegen der Sorge, dass das flussaufwärts gelegene Ufer überflutet werden könnte, war eine tägliche Berichterstattung erforderlich.

Das U.S. Army Corps Engineers (USC) Army Corps of Engineers (USACE) Bericht über die Rutschung (1939) hält folgendes fest:

„Am Morgen des 22. September 1938 wurde die übliche Inspektion durch den leitenden Bauingenieur, seinen Assistenten, den Füllungsinspektor, den stellvertretenden Deichinspektor und die Füllungsinspektionstruppe durchgeführt.

Gegen 10 Uhr wurden die Ergebnisse in einer Konferenz auf dem Kamm der flussaufwärts gelegenen Wand nahe der Station 15+10 besprochen. Die Schüttungsinspektoren und der stellvertretende Bauleiter stellten fest, dass offenbar kein ausreichender Freibord vorhanden war. Bei einer sofortigen Inspektion dieses Punktes wurde durch grobe Messungen festgestellt, dass die Höhe der Sohle der Rohrleitung über dem Kernbecken nur 30 Zoll betrug, während sie 4,5 Fuß hätte betragen müssen. …. Gegen 11:45 Uhr übermittelte das Vermessungsteam folgende Daten:

Station 15 – Rohrleitung 3 Fuß über dem Kernbecken; (hätte 4 1/2 Fuß sein sollen.
Station 16 – 3 Fuß; hätte 4 1/2 Fuß sein sollen
Station 17 – 2,8 Fuß (hätte 4 1/2 Fuß sein sollen)“

Zu diesem Zeitpunkt lag die Höhe des Kernbeckens bei 2252, die Höhe des Stausees bei 2117,5 und der Damm stand kurz vor der Fertigstellung. Als weitere Beobachtungen bestätigten, dass sich der Wasserstand des Kernbeckens gegenüber dem Vortag nicht verändert hatte, wurde festgestellt, dass sich die flussaufwärts gelegene Böschung in der Nähe des rechten Widerlagers (Osten) offenbar absetzte. Der Projektleiter Clark Kittrell begab sich am frühen Nachmittag zu der Stelle. Sein Fahrer, Eugene Tourlotte, näherte sich von Westen her und kam gegen 13:15 Uhr an der Baustelle an. Tourlotte sah, wie sich der stromaufwärts gelegene Rohbau unter dem Auto zu bewegen begann, trat auf die Bremse und fuhr mit hoher Geschwindigkeit rückwärts, um der Rutschung erfolgreich auszuweichen. Während der nächsten zehn Minuten waren Eisenbahnschienen, Züge, Boote, Pipelines und vierunddreißig Männer auf der 1700 Fuß breiten Masse, als sie abrutschte. Über 5 Millionen Kubikmeter Material lösten sich aus dem Damm, und fünf Prozent des Bauwerks wurden zerstört. Als der Damm zum Stillstand kam, war ein Teil der Ausrüstung überflutet und acht Männer waren tot, begraben von der Rutschung. Sechsundzwanzig Männer überstanden die Rutschung erfolgreich.

Foto 3 zeigt eine Draufsicht auf den Damm in der Nähe des rechten Widerlagers, wo das Versagen vor und nach der Rutschung auftrat. Man beachte, dass der Bereich des Versagens die einzige Stelle entlang der stromaufwärts gelegenen Böschung des Damms war, an der keine Stabilitätsberme vorhanden war. Ein Querschnitt durch die Bruchstelle, der die Konfiguration des Dammes vor und nach dem Bruch zeigt, ist auf Foto 4 zu sehen. Der rasche Anstieg der Dammkrone in Verbindung mit dem Absinken des Stausees zwischen Juli und September (in rot dargestellt) führte zu der undrainierten Belastung, die den Bruch verursachte.

Unmittelbar nach dem Abrutschen wurde der ursprüngliche Ausschuss für die Planung des Staudamms um folgende Personen erweitert:

• Dr. Arthur Casagrande – Professor für Bodenmechanik an der Harvard University
• Mr. I.B. Crosby – Beratender Ingenieurgeologe
• Dr. Glennon Gilboy – Beratender Ingenieur, ehemaliger Professor für Bodenmechanik am MIT
• Mr. Joel D. Justin – Vorsitzender, Beratender Ingenieur Phil. PA, Mitverfasser von „Engineering for Dams“
• Mr. William H. McAlpine – Office of the Chief of (USACE) Engineers
• Mr. C. W. Sturtevant – Division Engineer

Nach einem umfangreichen Programm zur Charakterisierung des Geländes und zur Durchführung von Labortests im Bereich des Erdrutsches kam das Beratergremium sechs Monate nach dem Eintreten des Erdrutsches zu der folgenden Schlussfolgerung über dessen Ursache:

„Nach sorgfältiger Abwägung aller einschlägigen Daten ist das Gremium zu dem Schluss gekommen, dass die Rutschung im stromaufwärts gelegenen Teil des Damms in der Nähe des rechten Widerlagers darauf zurückzuführen war, dass die Scherfestigkeit der verwitterten Schiefer- und Bentonitflöze im Fundament nicht ausreichte, um den Scherkräften, denen das Fundament ausgesetzt war, standzuhalten. Das Ausmaß, in dem die Rutschung flussaufwärts fortschritt, könnte in gewissem Maße auf eine teilweise Verflüssigung des Materials in der Rutschung zurückzuführen sein.“ March 2, 1939 Board Report

Diese kurze Schlussfolgerung des Board über die Ursache des Versagens betont die Scherfestigkeit der Schiefer- und Bentonitflöze im Fundament. Dies mag offensichtlich erscheinen, da der rechte Teil der Rutschung die einzige Stelle war, an der ein Teil des Dammes wahrscheinlich direkt auf einer Platte im Schiefergestein gegründet war, und hier wurden die ersten Bewegungen festgestellt. Als die Oberseite des Schiefers unter den linken Teil der Rutschung abtauchte, wurde der Schiefer bis zu einer maximalen Tiefe von etwa 40 bis 60 Fuß Alluvium an der linken Grenze der Rutschung begraben, zumindest auf der Mittellinie. Die rückwärtige Analyse, die die Grundlage für die Neugestaltung bildete, konzentrierte sich auf die Festigkeit des Bentonitschiefers, während Labortests durchgeführt wurden, um die Festigkeit des Tonschiefers zu untersuchen und festzustellen, ob es zu einer Verflüssigung gekommen war (U.S. Army Corps of Engineers, Juli 1939).

Zwei der neun Vorstandsmitglieder, Merriman und Mead, haben den Bericht nicht unterzeichnet: Eines aus technischen Gründen und eines aus eher philosophischen Gründen. Einige Mitglieder des Ausschusses (Dr. Casagrande und Dr. Gilboy) waren davon überzeugt, dass es zu einer Verflüssigung gekommen war, obwohl die Ergebnisse der Labortests zur Schätzung des kritischen Hohlraumverhältnisses (Casagrande, 1936) der hydraulischen Füllung darauf hindeuteten, dass sich das Material nicht verflüssigt hatte (Middlebrooks, 1942). Gilboy brachte in seiner Diskussion über das Papier von Middlebrooks aus dem Jahr 1942 erstmals die Ansicht der Minderheit im Ausschuss zum Ausdruck, die zu dem Schluss kam, „dass die Verflüssigung durch Scherversagen im Schiefer ausgelöst wurde und dass das große Ausmaß des Versagens in erster Linie auf die Verflüssigung zurückzuführen war.“ Casagrande schwieg zu diesem Thema bis zu seiner Terzaghi-Vorlesung im Jahr 1965, in der er enthüllte, dass die Formulierung des Berichts des Gremiums „eine Kompromissformulierung war, um die große Kluft zwischen den Ansichten der Berater, die den Bericht unterzeichneten, zu überbrücken.“ Casagrande führt weiter aus: „Gilboy und ich teilten die Meinung, dass die Verflüssigung hauptsächlich in der Feinsandzone der Schale neben dem Kern stattfand und dass sich die Verflüssigung möglicherweise auf die darunter liegenden, stark belasteten Fundamentsande ausbreitete.“

Eine detaillierte Überprüfung der zum Zeitpunkt des Entwurfs und der Bewertung nach dem Versagen verfügbaren Technologie sowie der menschlichen Faktoren, die angesichts der unzureichenden Technologie eine Rolle spielten, wurde kürzlich von Redlinger, Ferguson und Berre (Redlinger, et al, 2018) sowie Berre und Ferguson (ASDSO Webinar, August 2019) durchgeführt. Diese Überprüfungen ergaben Folgendes:

1. Schlüsselfaktoren, die zum Versagen der stromaufwärts gelegenen Böschung des Dammes beitrugen, waren mit der unzureichenden Technologie und dem unzureichenden Entwurfsverfahren verbunden:
   • die Scherfestigkeit der Tonschiefer-Fundamentmaterialien, einschließlich dessen, was wir heute als „Restfestigkeit“ bezeichnen, und
   • die Festigkeitscharakterisierung der hydraulischen Füllmaterialien und der Mechanismus der „Verflüssigung“.
2. Die Klassifizierung von Tonschiefern und die Auswirkungen von Rutschungen, Verwerfungen und anderen vorgescherten Oberflächen waren nicht gut verstanden. Die Möglichkeit, dass sich in den steifen, zerklüfteten Schieferböden infolge von Baulasten hohe Porendrücke entwickeln könnten, wurde ebenfalls nicht vorausgesehen. Das damals verwendete Bodenklassifizierungssystem war im Vergleich zur Unified Classification, die fast zwei Jahrzehnte später eingeführt wurde, nur von begrenztem Wert.
3. Die Charakterisierung der Scherfestigkeit der Gründungsmaterialien, einschließlich der Bentonitflöze in den Tonschiefern, war noch kein Standardverfahren für die Planung. Das Problem der Festigkeit dieser Materialien und des Versagenspotenzials war zwar erkannt worden, aber das Verständnis der Festigkeitseigenschaften und die Fähigkeit, die Festigkeit für die Planung zu charakterisieren, waren begrenzt. Diese Festigkeiten wurden erst bei den Untersuchungen nach dem Versagen festgestellt. Die Untersuchungen nach dem Versagen ergaben Bentonitmaterialien mit einer Festigkeit von nur knapp 9 Grad (siehe Foto 5). Nach Kenntnis des Autors war die Verwendung einer niedrigeren Festigkeit, die dem entspricht, was wir heute als „Restfestigkeit“ der Tonschiefer in der Rückanalyse des Rutschungsversagens durch das Beratergremium bezeichnen würden, die erste Anwendung einer solchen Festigkeit bei der Bemessung einer Böschung für einen Damm.
4. Während das Konzept der Verflüssigung (kritisches Dichte-/Hohlraumverhältnis, Casagrande, 1936) aufgrund einer Reihe von Fallbeispielen wie dem Versagen des Calaveras-Damms in Kalifornien (1918) allmählich verstanden wurde, war die Fähigkeit, die tatsächliche Festigkeit der hydraulischen Füllmaterialien entweder während der Planung oder als Teil der Bewertung nach dem Versagen richtig zu charakterisieren und zu bewerten, bestenfalls begrenzt. Außerdem wusste man nicht, wie sich die Geschwindigkeit der Bauarbeiten und die Absenkung des Beckens in der Zeit vom 20. Juli bis zum 22. September auf den Wasserdruck im Damm und im Fundament, auf die Festigkeit der Tonschiefer und der hydraulischen Füllmaterialien und letztlich auf die Stabilität der stromaufwärts gelegenen Böschung des Dammes auswirken würde.

Eine Bewertung nach dem Versagen durch Westergaard (Casagrande, 1965) deutete darauf hin, dass während des Versagens ein durchschnittlicher Reibungswinkel von etwas mehr als 4 Grad an der Basis der Rutschmasse herrschte. Die von Westergaard angewandte Methode zur Abschätzung der Festigkeit bestand in der Konstruktion einer Linie zwischen den geschätzten Schwerpunkten des früheren und des späteren Böschungsquerschnitts, wie auf Foto 6 zu sehen. Mehr als 80 Jahre nach dem Versagen haben sich viele Forscher der Herausforderung gestellt, die durchschnittliche „Restfestigkeit“ des Materials in der Versagensmasse des Fort Peck Damms zu analysieren. Wie Redlinger et al. (2018) zusammenfassen, scheint es, dass Westergaards vereinfachte Bewertung ziemlich genau ins Schwarze getroffen hat. Die Frage, wie die Restfestigkeit von potenziell verflüssigbarem Material abgeschätzt werden kann, ist jedoch nach wie vor eine große Herausforderung für Ingenieure.

Die Nachuntersuchungen des Versagens in den Jahren 2018 und 2019 (Redlinger et al, 2018; und Berre und Ferguson, 2019) ergaben, dass es eine Reihe von Alarmzeichen gab, die auf ein bevorstehendes Versagen hinwiesen. Zu diesen Notstandsindikatoren gehörten: 1) Durchbiegung der Eisenbahnschienen an den Stationen 15 bis 17, 2) Setzungen des Schlammrohrs und Längsrisse im Damm entlang der Oberkante der Dammkrone und 3) hoher Wasserdruck im Damm und Sickerwasser, das in der Nacht vor dem Versagen von der ersten Bank (Bruchstein) entlang des flussaufwärts gelegenen Hangs unterhalb des Kernbeckens ausging.

(1) Berre, L. und Ferguson, K. A. (2019). Fort Peck Dam Upstream Slope Failure, Montana. ASDSO Webinar. Association of State Dam Officials.

(2) Casagrande, A. (1936). Merkmale kohäsionsloser Böden, die die Stabilität von Hängen und Erdaufschüttungen beeinflussen. Journal of the Boston Society of Civil Engineer. Vol. 23, No. 1.

(3) Casagrande, A.. (1965). Die Rolle des „kalkulierten Risikos“ im Erd- und Grundbau. The Terzaghi Lecture, Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division, Proceedings of the American Society of Civil Engineers.

(4) Gilboy, G. (1942). Diskussion über den Middlebrooks-Artikel „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). 80th Anniversary of the Fort Peck Dam Construction Slide. ASDSO Annual Conference. 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. U.S. Govt. Printing Office, Washington, D.C.

Diese Zusammenfassung der Fallstudie wurde von Laila M. Berre, P.E., Dam Safety Program Manager beim US Army Corps of Engineers, begutachtet.