Kuvaus ja tausta

Kuvaus ja tausta

Syyskuun 22. päivänä 1938 noin kello 13.15 alkoi 22.9.1938, kun padon oikean tukipilarin viereisessä ylävirran puoleisessa rinteessä tapahtui suuri murtuma, kun rakennustyöt olivat edenneet noin 20 jalan etäisyydelle padon lopullisesta harjakorkeudesta (ks. kuva 1). Alueella työskenteli sata kahdeksankymmentä miestä. Kolmekymmentäneljä miestä loukkaantui. Kahdeksan miestä menetti henkensä, joista kuutta ei koskaan löydetty ja he ovat haudattuina jonnekin padon sisälle.

Tässä tapaustutkimuksessa esitetään yhteenveto 1) ponnisteluista, joilla pyrittiin tutkimaan ja ymmärtämään murtuman syytä, ja 2) kiistasta, joka koski perimmäisen syyn arviointia. Hankkeen konsulttilautakunta katsoi, että murtuma johtui oikean ylävirran puoleisen penkereen ja padon perustuksen säänkestävien liuske- ja bentoniittisaumojen riittämättömästä leikkauskestävyydestä (ks. kuva 2). He totesivat lisäksi, että ”liukuman etenemisen laajuus ylävirtaan päin saattoi jossain määrin johtua liukumäen materiaalin osittaisesta nesteytymisestä.”

Vuonna 2018 tehdyssä vian uudelleentarkastelussa (Redlinger et. al., 2018, Berre ja Ferguson, 2019) todettiin, että savimateriaalien leikkauslujuuden karakterisoinnissa on tapahtunut merkittävää teknistä edistystä. Fort Peckin rinteen murtuman laukaisseiksi oletettuihin sään aiheuttamiin liuske- ja bentoniittikerrostumiin liittyvät huolenaiheet ansaitsevat jatkuvan tarkastelun riskien säännöllisen uudelleenarvioinnin yhteydessä. Rakentamisen aikana tapahtuneen nesteytymisen vaikutuksesta on tehty useita tutkimuksia, joissa on arvioitu hydraulisen täytön ja matalan pohjahiekan nesteytymislujuutta. Perimmäisen syyn voidaan katsoa johtuvan tuolloin käytettävissä olleen patosuunnittelutekniikan rajoituksista. Erityisesti ei ollut olemassa laboratoriotestejä ja suunnittelumenetelmiä, jotka olisivat koskeneet a) oikeanpuoleisen ylävirran puoleisen penkereen saviliuskeiden leikkauslujuutta (joka on saattanut käynnistää vikatapahtuman) ja b) padon rakentamiseen käytettyä mahdollisesti nesteytyvää hydraulista täyttöä ja pohjahiekkamateriaaleja. Nykyään on olemassa tekniikkaa, jolla voidaan arvioida näitä mekanismeja ja vahvistaa rakenteen turvallisuus.

Fort Peckin rinteen murtuminen vaikutti merkittävästi U.S. Army Corps of Engineersin (ja koko teollisuuden) suunnittelumenetelmiin ja rakentamismenettelyihin. Lisäksi Fort Peckin padon murtumistapahtuman jälkeen hydraulisen täytön rakentamismenetelmien käyttö penkereen patojen rakentamisessa lopetettiin yleisesti Yhdysvalloissa.

Fort Peckin patoa ja patoallasta koskevat olennaiset tiedot ovat seuraavat:

• Hydraulisesti täytetty &valssattu maantäyttöpato, jossa on levypaaluperustuksen katkaisuseinä.
  • 125,628,000 Cubic Yards of Fill Placed.
  • 3,000,000 Cubic Yards of Gravel Placed in Upstream and Downstream Gravel Toes.
• Length (Including Dike Section) – 21,026 Feet.
• Maksimikorkeus purouoman yläpuolella – 250 jalkaa.
• Maksimileveys pohjan kohdalla – 4,900 jalkaa.
• Pohjan leveys – 50 jalkaa.
• Sulkemispäivämäärä – 24. kesäkuuta 1937.
• Kokonaismaksimivarastointikapasiteetti: 18,463,000 ac-feet
• Asennettu kapasiteetti: 185 MW
• Ylivuotopadon kapasiteetti: 275,000 cu ft/sec

Hydraulinen täyttö valittiin kustannustehokkaimmaksi vaihtoehdoksi penkereen padon rakentamiseen, sillä muutoin padon rakentamiskustannukset eivät olisi olleet taloudellisesti perusteltavissa. Joen pääväylän sulkeminen ja joen ohjaaminen tunnelien kautta saatiin päätökseen 24. kesäkuuta 1937, mikä mahdollisti jäljellä olevan pengertäytön aggressiivisemman massan sijoittamisen. Hydraulisen täytön häiriöiden tai ongelmien seuranta oli päivittäinen rutiini. Täytön noustessa työntekijät kulkivat rutiininomaisesti padon lieteputkia pitkin etsien notkahduksia, ja päivittäistä raportointia vaadittiin, koska oltiin huolissaan ylävirran penkereen ylittämisestä.

Yhdysvaltain poliisi (U.S. Army Corps of Engineersin (USACE) raportissa liukumasta (1939) todetaan seuraavaa:

”Syyskuun 22. päivän aamuna 1938 tavanomaisen tarkastuksen tekivät rakentamisesta vastaava pääinsinööri, hänen apulaisensa, täyttöpäällikkö, padoista vastaava apulaispäällikkö ja täytön tarkastusjoukko.

Noin kello 10 aamulla havainnot käsiteltiin konferenssissa, joka pidettiin padon ylävirran puoleisen penkereen harjanteella aseman 15+10 lähellä. Täyttötarkastajat ja apulaisrakennusmestari totesivat, että vapaalaita ei näyttänyt olevan riittävästi. Kyseisen kohdan välitön tarkastus paljasti karkeilla mittauksilla, että putkilinjan pohjan korkeus ydinaltaan yläpuolella oli vain 30 tuumaa, kun sen olisi pitänyt olla 4,5 jalkaa. …. Noin kello 11.45 katsastusmiehistö toimitti seuraavat tiedot:

Asema 15 – putkilinja 3 jalkaa ydinaltaan yläpuolella; (olisi pitänyt olla 4 1/2 jalkaa.
Asema 16 – 3 jalkaa; olisi pitänyt olla 4 1/2 jalkaa
Asema 17 – 2,8 jalkaa (olisi pitänyt olla 4 1/2 jalkaa)”

Tällä hetkellä ydinaltaan korkeus oli 2252, tekoaltaan korkeus 2117,5 ja pato oli lähes valmis. Kun lisähavainnot vahvistivat, että ydinaltaan vedenkorkeus ei ollut muuttunut edellisestä päivästä, huomattiin, että ylävirran puoleinen penger lähellä oikeaa (itäistä) pengertä oli ilmeisesti laskeutumassa. Hankkeen johtaja Clark Kittrell meni paikalle varhain iltapäivällä. Hänen kuljettajansa Eugene Tourlotte lähestyi lännestä ja saapui paikalle noin kello 13.15:n aikaan. Tourlotte näki, että ylävirran puoleinen kuori alkoi liikkua auton alta, painoi jarruja ja peruutti kovaa vauhtia peruuttaakseen luisun. Seuraavien kymmenen minuutin aikana rautatiekiskot, junat, veneet, putkistot ja kolmekymmentäneljä miestä olivat 1700 jalan levyisen massan päällä, kun se liukui. Padosta irtosi yli 5 miljoonaa kuutiometriä materiaalia, ja viisi prosenttia rakenteesta tuhoutui. Kun pato pysähtyi, osa laitteista oli veden alla, ja kahdeksan miestä oli kuollut liukuun hautautuneena. Kaksikymmentäkuusi miestä selvisi onnistuneesti liukumasta.

Kuvassa 3 on havainnollistettu pohjapiirros padon oikeanpuoleisen tukipilarin läheisyydessä olevasta kohdasta, jossa murtuma tapahtui ennen liukumaa ja sen jälkeen.

Huomaa, että murtuma-alue oli ainoa kohta padon ylävirran puoleisella rinteellä, jossa ei ollut stabiliteettipengertä. Valokuvassa 4 on poikkileikkaus murtumakohdan läpi, jossa näkyy penkereen kokoonpano ennen ja jälkeen penkereen. Penkereen harjan nopea nousu yhdistettynä altaan alenemiseen heinäkuun ja syyskuun välisenä aikana (kuvassa punaisella) aiheutti murtuman aiheuttaneen ojittamattoman kuormituksen.

Heti liukumisen jälkeen padon suunnittelun alkuperäistä lautakuntaa laajennettiin siten, että siihen kuuluivat:

• Dr. Arthur Casagrande – Harvardin yliopiston maaperämekaniikan professori
• Mr. I.B. Crosby – konsultoiva insinöörigeologi
• Dr. Glennon Gilboy – konsultoiva insinööri, entinen maaperän mekaniikan professori, MIT
• Mr. Joel D. Justin – puheenjohtaja, konsultoiva insinööri Phil. PA, co-author of ”Engineering for Dams”
• Mr. William H. McAlpine – Office of Chief of (USACE) Engineers
• Mr. C. W. Sturtevant – Division Engineer

Konsulttilautakunta päätyi laajamittaisen paikan karakterisoinnin ja laboratoriotestausohjelman jälkeen liukumisalueella seuraavaan johtopäätökseen liukumisen syystä 6 kuukautta sen tapahtumisen jälkeen:

”Kaikkien asiaankuuluvien tietojen huolellisen tarkastelun jälkeen lautakunta on tullut siihen tulokseen, että padon ylävirran puoleisessa osassa lähellä oikeaa tukikohtaa tapahtunut liukuma johtui siitä, että perustuksessa olevien sään vaikutuksesta syntyneiden liuskekivi- ja bentoniittisaumojen leikkauskestävyys ei riittänyt kestämään perustukseen kohdistuneita leikkausvoimia. Se, missä määrin liukuma eteni ylävirtaan, saattoi jossain määrin johtua liukumäen materiaalin osittaisesta nesteytymisestä.” Maaliskuun 2. päivän 1939 lautakunnan raportti

Tässä lautakunnan lyhyessä johtopäätöksessä vian syystä korostetaan perustuksen liuske- ja bentoniittisaumojen leikkauslujuutta. Se saattaa vaikuttaa ilmeiseltä, kun otetaan huomioon, että liukumäen oikeanpuoleinen osa oli ainoa kohta, jossa osa padosta oli todennäköisesti perustettu suoraan liuskekiviaineksessa olevan hyllyn päälle, ja siellä havaittiin ensimmäiset liikkeet. Kun liuskekivien yläpinta painui liukumäen vasemmanpuoleisen osan alapuolelle, liuske peittyi liukumäen vasemmalla rajalla, ainakin keskilinjalla, enimmillään noin 40-60 jalan syvyyteen alluviumin alle. Uudelleensuunnittelun perustana olleessa taka-analyysissä keskityttiin bentoniittiliuskeaineksen lujuuteen, kun taas laboratoriokokeet suoritettiin saviliuskeiden lujuuden selvittämiseksi ja sen määrittämiseksi, oliko tapahtunut nesteytymistä (U.S. Army Corps of Engineers, heinäkuu 1939).

Kaksi hallituksen yhdeksästä jäsenestä, Merriman ja Mead, ei allekirjoittanut raporttia: Toinen teknisistä syistä ja toinen filosofisemmista syistä. Pari lautakunnan jäsentä (tohtorit Casagrande ja Gilboy) olivat vakuuttuneita siitä, että nesteytystä oli tapahtunut, vaikka hydraulisen täytön kriittisen tyhjätilasuhteen (Casagrande, 1936) arvioimiseksi tehtyjen laboratoriotestien tulokset osoittivat, että materiaalit eivät olisi nesteytyneet (Middlebrooks, 1942). Keskustellessaan Middlebrooksin vuonna 1942 laatimasta asiakirjasta Gilboy ilmaisi ensimmäisenä lautakunnan vähemmistön näkemyksen, jonka mukaan ”nesteytyminen johtui liuskekivessä tapahtuneesta leikkausmurtumasta ja että vikaantumisen suuri laajuus johtui pääasiassa nesteytymisestä.” Näin ollen Gilboy totesi, että ”nesteytyminen johtui liuskekivessä tapahtuneesta leikkausmurtumasta ja että vikaantumisen suuri laajuus johtui pääasiassa nesteytymisestä”. Casagrande vaikeni aiheesta Terzaghi-luennolleen vuonna 1965, jossa hän paljastaa, että lautakunnan raportin sanamuoto oli ”kompromissisanamuoto, jolla pyrittiin kuromaan umpeen raportin allekirjoittaneiden konsulttien näkemysten välinen suuri kuilu”. Casagrande jatkaa sanomalla, että ”Gilboy ja minä olimme samaa mieltä siitä, että nesteytys keskittyi pääasiassa ytimen vieressä olevaan kuoren hienoon hiekkavyöhykkeeseen ja että nesteytys saattoi levitä sen alla olevaan raskaasti kuormitettuun pohjahiekkaan.”

Redlinger, Ferguson ja Berre (Redlinger, et al, 2018) sekä Berre ja Ferguson (ASDSO:n webinaari, elokuu 2019) tekivät hiljattain yksityiskohtaisen katsauksen suunnitteluhetkellä käytettävissä olleeseen tekniikkaan ja vikaantumisen jälkeiseen arviointiin sekä inhimillisiin tekijöihin puutteellisen tekniikan valossa. Näissä tarkasteluissa todettiin seuraavaa:

1. Padon ylävirran puoleisen rinteen murtumiseen vaikuttaneet keskeiset tekijät liittyivät riittämättömään tekniikkaan ja suunnittelumenettelyyn, joka liittyi molempiin seuraaviin:
   • saviliuskeperustemateriaalien leikkauslujuus, mukaan lukien se, mitä nykyään kutsutaan ”jäännöslujuudeksi”, ja
   • hydraulisten täyttömateriaalien lujuuden karakterisointi ja ”nesteytymismekanismi”.
2. Saviliuskeiden luokittelua ja slickensidien, rikkonaisuuksien ja muiden leikkausta edeltävien pintojen vaikutusta ei ymmärretty hyvin. Myöskään ei osattu ennakoida, että jäykissä halkeilevissa liuskeissa voi syntyä korkeita huokospaineita rakennekuormituksen seurauksena. Käytetyllä maaperän luokitusjärjestelmällä oli vain vähän arvoa verrattuna lähes kaksi vuosikymmentä myöhemmin käyttöön otettavaan yhtenäistettyyn luokitukseen.
3. Pohjamateriaalien, mukaan lukien saviliuskeissa olevien bentoniittisaumojen, leikkauslujuuden karakterisointi ei ollut vielä vakiintunut suunnittelukäytäntö. Vaikka kysymys näiden materiaalien lujuudesta ja mahdollisesta vikaantumisesta oli tunnistettu, täydellinen ymmärrys lujuusominaisuuksista ja kyky luonnehtia lujuutta suunnittelua varten oli rajallinen. Nämä lujuudet tunnistettiin vasta vikaantumisen jälkeisissä tutkimuksissa. Rikkoutumisen jälkeiset tutkimukset osoittivat, että bentoniittimateriaalien lujuus oli vain alle 9 astetta (ks. kuva 5). Kirjoittajan tietämyksen mukaan se, että konsulttilautakunta käytti liukumurtuman jälkianalyysissä alempaa lujuutta, joka vastaa sitä lujuutta, joka nykyään luokiteltaisiin saviliuskeiden ”jäännöslujuudeksi”, oli ensimmäinen kerta, kun tällaista lujuutta sovellettiin padon rinteen suunnittelussa.
4. Vaikka nesteytymisen käsite (kriittinen tiheyden ja tyhjätilan suhde, Casagrande, 1936) oli alkanut tulla ymmärretyksi useiden tapaustapausten, kuten Kaliforniassa sijaitsevan Calaverasin padon murtuman (1918), perusteella, hydraulisen täyttömateriaalin todellisen lujuuden asianmukainen luonnehdinta ja arviointi joko suunnittelun aikana tai osana murtuman jälkeistä arviointia oli parhaimmillaankin rajallista. Lisäksi ei ollut ymmärrystä siitä, miten 20. heinäkuuta ja 22. syyskuuta välisenä aikana tapahtunut rakentamisvauhti ja altaan lasku vaikuttaisivat padon ja perustuksen vedenpaineisiin, saviliuskeiden ja hydraulisen täyttömateriaalin lujuuteen ja lopulta padon ylävirran puoleisen rinteen vakauteen.

Westergaardin tekemä murtuman jälkeinen arviointi (Casagrande, 1965) osoitti, että murtumishetkellä liukumassan pohjaa pitkin vaikutti keskimäärin hieman yli 4 asteen kitkakulma. Menetelmä, jota Westergaard käytti lujuuden arvioimiseksi, oli ennen ja jälkeen penkereen poikkileikkauksen arvioitujen painopisteiden välisen viivan rakentaminen, kuten kuvassa 6 on esitetty. Yli 80 vuotta murtuman jälkeen monet tutkijat ovat ottaneet vastaan haasteen analysoida Fort Peckin padon murtumamassan materiaalin keskimääräistä ”jäännöslujuutta”. Kuten Redlinger et al. (2018) tiivistää, näyttää siltä, että Westergaardin yksinkertaistettu arvio oli melko lähellä kohdetta. Kysymys siitä, miten mahdollisesti nesteytyvien materiaalien jäännöslujuus arvioidaan, on kuitenkin edelleen suuri haaste insinööreille.

Vuonna 2018 ja 2019 tehdyissä epäonnistumisen uusintatarkasteluissa (Redlinger et al., 2018; sekä Berre ja Ferguson, 2019) todettiin, että oli olemassa useita hätämerkkejä, jotka viittasivat siihen, että epäonnistuminen oli lähellä. Näitä hätämerkkejä olivat mm: 1) ratakiskojen taipuminen asemien 15-17 kohdalla, 2) lieteputken laskeutuminen ja penkereen pituussuuntainen halkeilu harjan ylävirran puoleisessa reunassa ja 3) korkeat vedenpaineet penkereessä ja ensimmäisestä penkereestä (louhoskivestä) ylävirran puoleista rinnettä pitkin ydinaltaan alapuolelle purkautuva suotautuminen vikaantumista edeltäneenä iltana.

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

(2) Casagrande, A. (1936). Rinteiden ja maantäytteiden stabiliteettiin vaikuttavien koheesiottomien maiden ominaisuudet. Journal of the Boston Society of Civil Engineer. Vol. 23, No. 1.

(3) Casagrande, A. (3). (1965). ”Laskennallisen riskin” rooli maanrakennus- ja pohjarakennustöissä. The Terzaghi Lecture, Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division, Proceedings of the American Society of Civil Engineers.

(4) Gilboy, G. (1942). Keskustelua Middlebrooksin artikkelista ”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). Fort Peckin padon rakentamisen liukumisen 80-vuotisjuhla. ASDSO:n vuotuinen konferenssi. 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.

Tämän tapaustutkimusyhteenvedon on vertaisarvioinut Laila M. Berre, P.E., Dam Safety Program Manager at US Army Corps of Engineers.