Leírás és háttér

Leírás és háttér

1938. szeptember 22-én 13:15 körül kezdődött, amikor a gát jobb oldali támfalához közeli, feláramlás felőli lejtő nagymértékű meghibásodást szenvedett, miközben az építési munkálatok a végleges gátkorona magasságától 20 lábnyira haladtak (lásd 1. kép). Száznyolcvan ember dolgozott a területen. Harmincnégy ember megsérült. Nyolc ember életét vesztette, közülük hatot soha nem találtak meg, és valahol a gátban vannak eltemetve.

Ez az esettanulmány összefoglalja 1) a meghibásodás okának kivizsgálására és megértésére tett erőfeszítéseket, valamint 2) a gyökeres okok értékelésével kapcsolatos vitát. A projekt tanácsadó testülete úgy találta, hogy a meghibásodás oka az időjárás okozta pala- és bentonitrétegek nem megfelelő nyírási ellenállása volt a folyásirány feletti jobb oldali támfalban és a gát alapozásában (lásd a 2. képet). Jelezték továbbá, hogy “a csúszás előrehaladásának mértéke bizonyos mértékben a csúszásban lévő anyag részleges cseppfolyósodásának is köszönhető lehetett.”

A kudarc 2018-as újbóli vizsgálata során (Redlinger et. al., 2018, Berre and Ferguson, 2019) megállapították, hogy jelentős technológiai fejlődés történt az agyaganyagok nyírószilárdságának jellemzésében. A Fort Peck-i lejtőtörést vélhetően kiváltó időjárási pala- és bentonitrétegekkel kapcsolatos aggályok a kockázatok időszakos újraértékelése során folyamatos felülvizsgálatot érdemelnek. Az építés során bekövetkező cseppfolyósodás hozzájárulása több vizsgálat középpontjában állt a hidraulikus feltöltés és a sekély alapozási homok cseppfolyósodási szilárdságának felmérése érdekében. A kiváltó ok az akkoriban rendelkezésre álló gáttervezési technológia korlátainak tulajdonítható. Konkrétan nem léteztek laboratóriumi vizsgálatok és tervezési eljárások a) a folyásirány feletti jobb oldali támfalban lévő agyagpala nyírószilárdságával kapcsolatban (amely a tönkremenetelt okozhatta), valamint b) a gát építéséhez használt, potenciálisan cseppfolyósítható hidraulikus töltés és az alapozó homok anyagainak nyírószilárdságával kapcsolatban. Ma már létezik technológia ezen mechanizmusok értékelésére és a szerkezet biztonságának megerősítésére.

A Fort Peck-i lejtőtörés jelentős hatással volt a U.S. Army Corps of Engineers (és az egész iparág) tervezési módszereire és építési eljárásaira. Továbbá, a Fort Peck-i gát meghibásodása után az Egyesült Államokban általában felhagytak a hidraulikus töltéses építési módszerek alkalmazásával a duzzasztógátak esetében.

A Fort Peck-i gát és tározó vonatkozó adatai a következők:

• Hidraulikus töltésű & hengerelt földtöltésű gát lapos cölöpalapozású vágófallal.
  • 125,628,000 köbméternyi töltést helyeztek el.
  • 3,000,000 köbméternyi kavicsot helyeztek el a folyásirány feletti és a folyásirány alatti kavicstömbökben.
• Hossza (beleértve a gátszakaszt) – 21,026 láb.
• Maximális magasság a patakmeder felett – 250 láb.
• Maximális szélesség az alapnál – 4,900 láb.
• Tetőszélesség – 50 láb.
• Bezárás időpontja – 1937. június 24.
• Teljes maximális tárolókapacitás: 18,463,000 ac-feet
• Beszerelt kapacitás: 185 MW
• Torkolati kapacitás: 275,000 cu ft/sec

A hidraulikus töltést választották a legköltséghatékonyabb megoldásnak a gátépítéshez, különben a gát építésének költségei gazdaságilag nem lettek volna indokoltak. A folyó főcsatornájának lezárása a folyó alagutakon keresztül történő elterelésével 1937. június 24-én fejeződött be, ami lehetővé tette a fennmaradó gáttöltés agresszívebb tömeges elhelyezését. A hidraulikus feltöltés veszélyeztetettségének vagy problémáinak ellenőrzése mindennapos rutin volt. Ahogy a töltés emelkedett, a munkások rutinszerűen végigjárták a gáton lévő hígtrágya csővezetékeket, hogy megereszkedéseket keressenek, és napi jelentéstételre volt szükség, mivel aggódtak a folyásirány feletti part felborulása miatt.

Az U.S. Army Corps of Engineers (USACE) jelentése a csúszásról (1939) a következőket jegyzi fel:

“1938. szeptember 22-én reggel a szokásos ellenőrzést az építésért felelős főmérnök, a segédje, a töltésfelügyelő, a gátakért felelős segédfelügyelő és a töltésellenőrző csoport végezte.

Délelőtt 10 óra körül a 15+10-es állomás közelében, a felöli fal gerincén tartott konferencián megvitatták a megállapításaikat. A töltésellenőrök és az építésvezető-helyettes kijelentették, hogy úgy tűnik, nincs elegendő szabadoldal. A pont azonnali ellenőrzése során durva mérésekkel megállapították, hogy a csővezeték aljának magassága a magmedence felett csak 30 hüvelyk volt, míg ennek 4,5 lábnak kellett volna lennie. …. Körülbelül 11:45-kor a felmérő személyzet a következő adatokat szolgáltatta:

15-ös állomás – a csővezeték 3 láb magasan a magmedence felett; (4 1/2 lábnak kellett volna lennie.
16-os állomás – 3 láb; 4 1/2 lábnak kellett volna lennie
17-es állomás – 2,8 láb (4 1/2 lábnak kellett volna lennie)”

Ebben az időpontban a magmedence magassága 2252, a tározó magassága 2117,5 volt, és a gát közeledett a befejezéshez. Amikor további megfigyelések megerősítették, hogy a magmedence vízszintje nem változott az előző naphoz képest, felismerték, hogy a jobb oldali (keleti) támfal közelében lévő, folyásirányban feljebb fekvő töltés láthatóan leülepedett. A projekt vezetője, Clark Kittrell kora délután a helyszínre ment. Sofőrje, Eugene Tourlotte nyugat felől közelítette meg a helyszínt, és 1:15 körül érkezett meg. Tourlotte látta, hogy az autó alatt elkezdett kimozdulni a folyásiránnyal szemben lévő héj, beletaposott a fékbe, és nagy sebességgel hátramenetbe kapcsolt, hogy sikeresen kikerülje a csúszást. A következő tíz percben vasúti sínek, vonatok, hajók, csővezetékek és harmincnégy ember volt a csúszás közben 1700 láb széles masszán. Több mint 5 millió köbméternyi anyag szabadult el a gátról, és a szerkezet öt százaléka megsemmisült. Amikor megállt, a berendezések egy része víz alá került, és nyolc ember meghalt, őket a csúszás temette maga alá. Huszonhat ember sikeresen átvészelte a csúszást.

A 3. képen látható a gát alaprajzának illusztrációja a jobb oldali támasz közelében, ahol a meghibásodás bekövetkezett a csúszás előtt és után. Vegyük észre, hogy a meghibásodás területe volt az egyetlen olyan hely a gát folyásirányú lejtője mentén, ahol nem építettek stabilitási bordát. A 4. fényképen egy keresztmetszet látható a tönkremenetelről, amely a gát előtti és utáni kialakítását mutatja. A tetőgerinc gyors emelkedése és a tározó medencéjének július és szeptember közötti csökkenése (piros színnel jelölve) együttesen okozta a tönkremenetelt okozó lefolyástalan terhelést.

Közvetlenül a csúszás után a gát eredeti tervezőbizottságát kibővítették:

• Dr. Arthur Casagrande – a Harvard Egyetem talajmechanika professzora
• Mr. I.B. Crosby – tanácsadó mérnökgeológus
• Dr. Glennon Gilboy – tanácsadó mérnök, korábbi talajmechanikai professzor, MIT
• Mr. Joel D. Justin – elnök, tanácsadó mérnök Phil. PA, társszerzője a “Engineering for Dams”
• Mr. William H. McAlpine – Office of Chief of (USACE) Engineers
• Mr. C. W. W. Sturtevant – Division Engineer

A csúszás területén végzett kiterjedt helyszíni jellemzési és laboratóriumi vizsgálati program után a Tanácsadó Testület a következő következtetésre jutott a csúszás okáról 6 hónappal a bekövetkezése után:

“Az összes vonatkozó adat alapos mérlegelése után a Tanács arra a következtetésre jutott, hogy a gát jobb oldali támfalhoz közeli, folyásirányban felfelé eső részén bekövetkezett csúszás oka az volt, hogy az alapozásban lévő időjárás okozta pala- és bentonitrétegek nyírási ellenállása nem volt elegendő az alapozást érő nyíróerőknek való ellenálláshoz. Az, hogy a csúszás milyen mértékben haladt felfelé a folyásirányban, bizonyos fokig a csúszásban lévő anyag részleges cseppfolyósodásának tudható be”. 1939. március 2. Testületi jelentés

Ez a rövid következtetés a Testület részéről a csőd okáról kiemeli az alapozásban lévő pala- és bentonitvarratok nyírószilárdságát. Ez nyilvánvalónak tűnhet, tekintve, hogy a csúszás jobb oldali része volt az egyetlen olyan hely, ahol a gát egy része valószínűleg közvetlenül a palás anyagokban lévő polcra volt alapozva, és itt észlelték az első mozgásokat. Ahogy a pala teteje a csúszás bal oldali része alá süllyedt, a csúszás bal oldali határán, legalábbis a középvonal mentén, a pala körülbelül 40-60 láb mélységig betemetődött az allúviumba. Az újratervezés alapját képező hátsó elemzés a bentonitpala-anyagok szilárdságára összpontosított, míg az agyagpala szilárdságának vizsgálatára és annak megállapítására, hogy történt-e cseppfolyósodás (U.S. Army Corps of Engineers, 1939. július) laboratóriumi vizsgálatokat végeztek (U.S. Army Corps of Engineers, 1939. július).

A kilenc igazgatósági tag közül kettő, Merriman és Mead nem írta alá a jelentést: Egyikük technikai, másikuk pedig filozófiai okokból. A bizottság néhány tagja (Dr. Casagrande és Gilboy) meg volt győződve arról, hogy cseppfolyósodás következett be, annak ellenére, hogy a hidraulikus feltöltés kritikus üregarányának (Casagrande, 1936) becslésére végzett laboratóriumi vizsgálatok eredményei azt mutatták, hogy az anyagok nem cseppfolyósodtak volna (Middlebrooks, 1942). Gilboy a Middlebrooks 1942-es tanulmányáról szóló értekezésében fogalmazta meg először a testület kisebbségének véleményét, akik arra a következtetésre jutottak, hogy “a cseppfolyósodást a palában bekövetkezett nyírási hiba váltotta ki, és hogy a hiba nagy nagyságrendjét elsősorban a cseppfolyósodás okozta”. Casagrande hallgatott a témáról egészen 1965-ös Terzaghi-előadásáig, amelyben elárulja, hogy a Testület jelentésének megfogalmazása “kompromisszumos megfogalmazás volt, hogy áthidalja a jelentést aláíró tanácsadók nézetei közötti nagy szakadékot”. Casagrande a továbbiakban azt mondja, hogy “Gilboy és én osztottuk azt a véleményt, hogy a cseppfolyósodás elsősorban a mag melletti héj finom homokos zónájában volt, és hogy a cseppfolyósodás átterjedhetett az alatta lévő, erősen terhelt alaphomokra.”

A tervezés és a meghibásodás utáni értékelés idején rendelkezésre álló technológia részletes áttekintése, valamint a nem megfelelő technológia fényében szerepet játszó emberi tényezők, amelyeket a közelmúltban Redlinger, Ferguson és Berre (Redlinger, et al, 2018), valamint Berre és Ferguson (ASDSO Webinar, augusztus, 2019) végeztek el. Ezek a felülvizsgálatok a következőket állapították meg:

1. A gát felső lejtőjének meghibásodásához hozzájáruló fő tényezők a következőkhöz kapcsolódó nem megfelelő technológiához és tervezési eljáráshoz kapcsolódtak:
   • az agyagpala alapanyagok nyírószilárdsága, beleértve azt, amit ma “maradó szilárdságnak” nevezünk, és
   • a hidraulikus töltésanyagok szilárdságának jellemzése és a “cseppfolyósodás” mechanizmusa.
2. Az agyagpala osztályozását és a slickensides, a törések és más előkiemelkedő felületek hatását nem értették jól. Nem számoltak azzal a lehetőséggel sem, hogy az építési terhelések következtében a merev hasadékos palákban nagy pórusnyomás alakulhat ki. Az alkalmazott talajosztályozási rendszer korlátozott értékű volt a majdnem két évtizeddel később megjelenő egységes osztályozáshoz képest.
3. Az alapanyagok nyírószilárdságának jellemzése, beleértve az agyagpala bentonitvarratait is, még nem volt szabványos tervezési gyakorlat. Bár az ezen anyagok szilárdságának és a meghibásodás lehetőségének kérdését felismerték, a szilárdsági tulajdonságok teljes megértése és a szilárdság tervezési célú jellemzésének képessége korlátozott volt. Ezeket a szilárdságokat csak a meghibásodást követő vizsgálatok során azonosították. A meghibásodás utáni vizsgálatok olyan bentonit anyagokat mutattak ki, amelyek szilárdsága mindössze kevesebb, mint 9 fokos volt (lásd az 5. képet). A szerző tudomása szerint az agyagpala alacsonyabb szilárdságának alkalmazása, amely megfelel annak, amit ma az agyagpala “maradó szilárdságának” neveznénk, a csúszás meghibásodásának a Tanácsadó Testület által végzett utólagos elemzésében, volt az első ilyen szilárdság alkalmazása egy gát lejtőjének tervezésénél.
4. Míg a cseppfolyósodás fogalmát (kritikus sűrűség/hézag arány, Casagrande, 1936) számos esettörténetből, például a kaliforniai Calaveras gát meghibásodásából (1918) kezdték megérteni, a hidraulikus töltésanyagok tényleges szilárdságának megfelelő jellemzésére és értékelésére való képesség akár a tervezés során, akár a meghibásodás utáni értékelés részeként a legjobb esetben is korlátozott volt. Továbbá, nem volt tisztában azzal, hogy a július 20. és szeptember 22. közötti időszakban bekövetkezett építési és medencesüllyedési ütem hogyan befolyásolja a gátban és az alapozásban lévő víznyomást, az agyagpala és a hidraulikus töltésanyag szilárdságát, és végül a gát felöli lejtő stabilitását.

A Westergaard (Casagrande, 1965) által végzett, a meghibásodást követő értékelés szerint a meghibásodás során a csúszótömeg alján valamivel több mint 4 fokos átlagos súrlódási szög hatott. A Westergaard által a szilárdság becslésére használt módszer az volt, hogy a 6. képen látható módon megépített egy vonalat az előtte és utána lévő padkakeresztmetszet becsült súlypontjai között. A tönkremenetel óta eltelt több mint 80 év alatt számos kutató vállalta fel a Fort Peck-i gátnál a tönkremeneteli tömegben lévő anyag átlagos “maradó szilárdságának” visszaelemzését. Amint azt Redlinger et al (2018) összefoglalta, úgy tűnik, hogy Westergaard egyszerűsített értékelése meglehetősen közel járt a célhoz. Az a kérdés azonban, hogy hogyan becsüljük meg a potenciálisan cseppfolyósítható anyagok maradó szilárdságát, még mindig komoly kihívást jelent a mérnökök számára.

A meghibásodás 2018-as és 2019-es újbóli vizsgálata (Redlinger et al, 2018; valamint Berre és Ferguson, 2019) megállapította, hogy számos olyan vészjel volt, amely a meghibásodás küszöbön állására utalt. Ezek a vészjelzők a következők voltak: 1) a vasúti sínek meghajlása a 15-17. állomásnál, 2) a hígtrágyacső süllyedése és a hosszirányú padkarepedés a gerinc felöli szélén, és 3) a magas víznyomás a padkában és a szivárgás, amely az első padkából (kőfejtő kő) indult ki a felöli lejtő mentén a magmedence alatt a meghibásodást megelőző éjszaka.

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

(2) Casagrande, A. (1936). A lejtők és földtöltések stabilitását befolyásoló kohézió nélküli talajok jellemzői. Journal of the Boston Society of Civil Engineer. Vol. 23, No. 1.

(3) Casagrande, A.: “A. (1965). A “számított kockázat” szerepe a földmunkákban és az alapozásban. The Terzaghi Lecture, Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division, Proceedings of the American Society of Civil Engineers.

(4) Gilboy, G. (1942). Vita a Middlebrooks “Fort Peck Slide” című cikkéről. 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). A Fort Peck-i gátépítési csúszás 80. évfordulója. ASDSO éves konferencia. Seattle: Associate of State Dam Safety Officials.

(6) U.S. Army Corps of Engineers. (1939). Report on the Slide of a Port Peck Dam of the Partion of the Upstream Face of the Fort Peck Dam. U.S. Govt. Printing Office, Washington, D.C.

Ez az esettanulmány összefoglalóját Laila M. Berre, P.E., a US Army Corps of Engineers gátbiztonsági programvezetője bírálta el.