Beskrivelse og baggrund

Beskrivelse og baggrund

Den 22. september 1938 omkring kl. 13.15 begyndte et stort svigt på dæmningens opstrømsskråning ved siden af det højre støtteben, da byggearbejdet var nået op til 20 fod fra den endelige højde for dæmningens top (se foto 1). Der var 180 mand på arbejde i området. Fireogtredive mænd blev såret. Otte mænd mistede livet, hvoraf seks aldrig blev fundet og er begravet et eller andet sted i dæmningen.

Denne casestudie indeholder et resumé af 1) bestræbelserne på at undersøge og forstå årsagen til svigtet og 2) kontroversen vedrørende vurderingen af den grundlæggende årsag. Projektets konsulentudvalg fandt, at svigtet skyldtes utilstrækkelig forskydningsmodstand i de forvitrede skifer- og bentonitlag i det opstrøms liggende højre bærende element og dæmningsfundamentet (se foto 2). De angav endvidere, at “omfanget af den grad, i hvilken skredet gik opstrøms, kan i nogen grad have skyldtes en delvis flydendegørelse af materialet i skredet.”

Ved den fornyede undersøgelse af svigtet i 2018 (Redlinger et. al., 2018, Berre og Ferguson, 2019) blev det konstateret, at der er sket betydelige teknologiske fremskridt i karakteriseringen af skubstyrken i lermaterialer. Bekymringerne i forbindelse med de forvitrede skifer- og bentonitsamlinger, der formodes at have udløst Fort Peck-skråningsnedbruddet, fortjener fortsat at blive gennemgået i forbindelse med den periodiske revurdering af risici. Bidraget fra væskeophobning under opførelsen har været genstand for adskillige undersøgelser med henblik på at vurdere den hydrauliske fyldnings og det lavvandede fundamentsands væskeophobningsstyrke. Den grundlæggende årsag kan tilskrives begrænsningerne i den teknologi til dæmningsdesign, der var tilgængelig på det tidspunkt. Der fandtes ingen laboratorieprøvning og designprocedurer vedrørende forskydningsstyrken af a) lerskiferen i det højre helleanlæg opstrøms (som kan have udløst bruddet) og b) den potentielt flydende hydrauliske fyldning, der blev anvendt til opførelse af dæmningen, og fundamentsandmaterialerne. Der findes i dag teknologi til at vurdere disse mekanismer og bekræfte strukturens sikkerhed.

Fort Peck-skråningsbruddet havde en betydelig indvirkning på U.S. Army Corps of Engineers’ (og industrien som helhed) designmetoder og konstruktionsprocedurer. Endvidere blev brugen af hydraulisk fyldte konstruktionsmetoder til dæmninger med dæmninger med dæmningskonstruktion generelt indstillet i USA efter Fort Peck-dambruddet.

Pertinente data om Fort Peck-dæmningen og -reservoiret er følgende:

• Hydraulisk fyldte & rullede jordfyldningsdæmninger med en skillevæg med fundament af spunsvægge.
  • 125.628.000 kubikyard fyldmateriale.
  • 3.000.000 kubikyard grus placeret i opstrøms og nedstrøms grusetåer.
• Længde (inklusive digeafsnit) – 21.026 fod.
• Maksimal højde over vandløbsbunden – 250 fod.
• Maximal bredde ved bunden – 4.900 fod.
• Bredde på toppen – 50 fod.
• Slutningsdato – 24. juni 1937.
• Total maksimal opbevaringskapacitet: 18.463.000 ac-feet
• Installeret kapacitet: 185 MW
• Udløbskapacitet: 275.000 cu ft/sek

Hydraulisk fyldning blev valgt som den mest omkostningseffektive mulighed for at konstruere dæmningen med dæmning, ellers ville omkostningerne ved at bygge dæmningen ikke have været økonomisk forsvarlige. Lukning af hovedflodkanalen med omledning af floden gennem tunnellerne blev afsluttet den 24. juni 1937, hvilket gav mulighed for en mere aggressiv masseplacering af den resterende dæmningsfyldning. Det var en daglig rutine at overvåge, om der var problemer med den hydrauliske fyldning. Efterhånden som fyldningen steg, gik arbejderne rutinemæssigt langs slamrørledningerne på dæmningen for at lede efter nedfald, og der var krav om daglig rapportering på grund af bekymring for overskridelse af den opstrøms liggende bred.

Den amerikanske Army Corps of Engineers (USACE) rapport om glidebanen (1939) noterer følgende:

“Om morgenen den 22. september 1938 blev den sædvanlige inspektion foretaget af den ledende ingeniør med ansvar for byggeriet, hans assistent, fill superintendent, den associerede superintendent med ansvar for diger og fill inspection force.

Omkring kl. 10 om morgenen blev deres resultater drøftet på den konference, der blev afholdt på toppen af den opstrøms liggende flade nær station 15+10. Fyldningsinspektørerne og den assisterende tilsynsførende for byggeriet erklærede, at der tilsyneladende ikke var tilstrækkeligt fribord. En øjeblikkelig inspektion af dette punkt afslørede ved grove målinger, at højden af rørledningens bund over kernebassinet kun var 30 tommer, hvorimod den burde have været 4,5 fod. …. Omkring kl. 11.45 indsendte besætningen følgende data:

Station 15 – Rørledning 3 fod over kernebassinet; (burde have været 4 1/2 fod)
Station 16 – 3 fod; burde have været 4 1/2 fod
Station 17 – 2,8 fod (burde have været 4 1/2 fod)”

På dette tidspunkt var kernebassinets højde 2252, reservoirets højde var 2117,5, og dæmningen var ved at være færdig. Da yderligere observationer bekræftede, at vandstanden i kernebassinet ikke havde ændret sig i forhold til dagen før, blev det konstateret, at dæmningen opstrøms ved det højre støttepunkt (øst) tilsyneladende var ved at sætte sig. Projektleder Clark Kittrell tog til stedet tidligt om eftermiddagen. Hans chauffør, Eugene Tourlotte, nærmede sig fra vest og ankom til stedet omkring kl. 13.15. Tourlotte så, at den opstrøms liggende skal begyndte at bevæge sig ud under bilen, bremsede og kørte i høj fart baglæns for at nå ud over glidebanen. I løbet af de næste ti minutter var der jernbanespor, tog, både, rørledninger og 34 mænd på den 1700 fod brede masse, mens den gled. Over 5 millioner kubikmeter materiale blev løsrevet fra dæmningen, og fem procent af konstruktionen blev ødelagt. Da dæmningen faldt til ro, var en del af udstyret oversvømmet, og otte mænd var døde, begravet i rutschebanen. Det lykkedes 26 mænd at overleve rutschet.

Foto 3 viser en illustration af et plan af dæmningen nær det højre støtteben, hvor bruddet skete før og efter rutschet. Bemærk, at det område, hvor bruddet skete, var det eneste sted langs dæmningens opstrømsskråning, hvor der ikke var indlagt en stabilitetsvold. Et tværsnit gennem bruddet, der viser dæmningens konfiguration før og efter bruddet, er vist på foto 4. Den hurtige stigning i højderyggen kombineret med sænkningen af reservoirpuljen mellem juli og september (vist med rødt) var medvirkende til at skabe den udtørrede belastning, der forårsagede bruddet.

Umiddelbart efter skredet blev den oprindelige bestyrelse for udformningen af dæmningen udvidet til at omfatte:

• Dr. Arthur Casagrande – professor i jordmekanik ved Harvard University
• Mr. I.B. Crosby – rådgivende ingeniørgeolog
• Dr. Glennon Gilboy – rådgivende ingeniør, tidligere professor i jordbundsmekanik, MIT
• Mr. Joel D. Justin – formand, rådgivende ingeniør Phil. PA, medforfatter af “Engineering for Dams”
• Mr. William H. McAlpine – Office of the Chief of (USACE) Engineers
• Mr. C. W. Sturtevant – Division Engineer

Efter en omfattende karakterisering af stedet og et omfattende program for laboratorieprøver i det område, hvor skredet fandt sted, nåede konsulentrådet frem til følgende konklusion om årsagen til skredet 6 måneder efter, at det havde fundet sted:

“Efter omhyggelig overvejelse af alle relevante data har bestyrelsen konkluderet, at glidet i den opstrøms del af dæmningen nær det højre overligger skyldtes, at forskydningsmodstanden i de forvitrede skifer- og bentonitlag i fundamentet ikke var tilstrækkelig til at modstå de forskydningskræfter, som fundamentet blev udsat for. Det omfang, hvori skredet bevægede sig opstrøms, kan til en vis grad have skyldtes en delvis flydendegørelse af materialet i skredet.” Board Report af 2. marts 1939

Denne korte konklusion om årsagen til nedbruddet fra Board fremhæver forskydningsstyrken i skifer- og bentonitlagene i fundamentet. Det kan virke indlysende, da den højre del af rutschebanen var det eneste sted, hvor en del af dæmningen sandsynligvis var funderet direkte på en hylde i skifermaterialerne, og det var her, de første bevægelser blev opdaget. Efterhånden som skiferens top dykkede under den venstre del af rutschebanen, blev skiferstenen begravet til en maksimal dybde på ca. 40 til 60 fod af alluvium ved den venstre grænse af rutschebanen, i det mindste på midterlinjen. Den bagvedliggende analyse, der dannede grundlag for den nye udformning, fokuserede på styrken af bentonitskiferens materialer, mens der blev gennemført laboratorieundersøgelser for at undersøge styrken af lerskiferene og for at fastslå, om der var sket flydendegørelse (U.S. Army Corps of Engineers, juli 1939).

To af de ni bestyrelsesmedlemmer, Merriman og Mead, underskrev ikke rapporten: Den ene af tekniske årsager og den anden af mere filosofiske årsager. Et par af bestyrelsesmedlemmerne (Dr. Casagrande og Gilboy) var overbevist om, at der var sket flydendegørelse, selv om resultaterne fra laboratorieforsøgene til vurdering af det kritiske hulrumsforhold (Casagrande, 1936) for den hydrauliske fyldning viste, at materialerne ikke ville være blevet flydendegjort (Middlebrooks, 1942). I sin diskussion af Middlebrooks’ dokument fra 1942 formulerede Gilboy først det synspunkt, som mindretallet i bestyrelsen havde, og som konkluderede, at “at væskeophobningen blev udløst af et skubningssvigt i skiferlaget, og at svækkelsens store omfang hovedsageligt skyldtes væskeophobningen”. Casagrande forblev tavs om emnet indtil sin Terzaghi-forelæsning i 1965, hvor han afslører, at sproget i bestyrelsens rapport var “en kompromisformulering for at bygge bro over den store kløft i synspunkterne hos de konsulenter, der underskrev rapporten”. Casagrande fortsætter med at sige, at “Gilboy og jeg var enige i den opfattelse, at væskeophobningen hovedsageligt var centreret i den fine sandzone i skallen ved siden af kernen, og at væskeophobningen kan have spredt sig til det underliggende tungt belastede fundamentssand.”

En detaljeret gennemgang af den teknologi, der var tilgængelig på tidspunktet for design og evaluering efter svigt, sammen med de menneskelige faktorer, der spillede ind i lyset af den utilstrækkelige teknologi, der for nylig blev udført af Redlinger, Ferguson og Berre (Redlinger, et al, 2018) samt Berre og Ferguson (ASDSO Webinar, august, 2019). Disse undersøgelser fandt følgende:

1. Nøglefaktorer, der bidrog til bruddet på dæmningens opstrømsskråning, var forbundet med den utilstrækkelige teknologi og designprocedure i forbindelse med begge følgende:
   • skubstyrken af lerskiferfundamentmaterialerne, herunder det, vi nu betegner som “reststyrke”, og
   • styrkekarakteriseringen af hydrauliske fyldmaterialer og mekanismen for “liquefaction”.
2. Klassificeringen af lerskifer og virkningen af slickensider, forkastninger og andre før-skævheder var ikke velforstået. Man havde heller ikke forudset muligheden for, at der kunne udvikles høje poretryk i de stive fissurerede lerskifre som følge af konstruktionsbelastninger. Det jordklassifikationssystem, der blev anvendt, var af begrænset værdi sammenlignet med den ensartede klassifikation, der skulle komme næsten to årtier senere.
3. Karakterisering af fundamentsmaterialernes forskydningsstyrke, herunder bentonitsømmene i lerskiferene, var endnu ikke en standardkonstruktionspraksis. Selv om spørgsmålet om disse materialers styrke og potentiale for svigt var blevet identificeret, var en fuld forståelse af styrkeegenskaberne og evnen til at karakterisere styrken med henblik på design begrænset. Disse styrker blev ikke identificeret før undersøgelserne efter svigt. Undersøgelserne efter bruddet viste, at bentonitmaterialer havde en styrke på helt ned til under 9 grader (se foto 5). Så vidt forfatteren ved, var brugen af en lavere styrke svarende til det, som vi i dag ville klassificere som “reststyrke” i lerskiferene i konsulentrådets analyse af rutsjebruddet den første anvendelse af en sådan styrke i forbindelse med udformningen af en skråning til en dæmning.
4. Mens man begyndte at forstå begrebet flydendegørelse (kritisk tæthedsgrad/ulrumsforhold, Casagrande, 1936) ud fra en række case historier som f.eks. bruddet på Calaveras-dæmningen i Californien (1918), var evnen til at karakterisere og vurdere den faktiske styrke af de hydrauliske fyldmaterialer korrekt, enten under projekteringen eller som en del af vurderingen efter bruddet, i bedste fald begrænset. Endvidere var der ingen forståelse af, hvordan byggehastigheden og sænkningen af bassinet, der fandt sted fra perioden fra den 20. juli til den 22. september, ville påvirke vandtrykket i dæmningen og fundamentet, styrken af lerskiferen og de hydrauliske fyldmaterialer og i sidste ende stabiliteten af dæmningens opstrøms skråning.

En evaluering efter svigt af Westergaard (Casagrande, 1965) viste, at en gennemsnitlig friktionsvinkel på lidt over 4 grader virkede langs bunden af glidemassen under svigtet. Den metode, som Westergaard anvendte til at vurdere styrken, var ved at konstruere en linje mellem de anslåede tyngdepunkter i tværsnittet af før- og efterdæmningen, som vist på foto 6. I mere end 80 år siden bruddet har mange forskere taget udfordringen op med at analysere den gennemsnitlige “reststyrke” af materialet i brudmassen ved Fort Peck-dæmningen. Som opsummeret af Redlinger et al (2018) ser det ud til, at Westergaards forenklede vurdering var ret tæt på målet. Spørgsmålet om, hvordan man vurderer reststyrken af potentielt flydende materialer, er dog stadig en stor udfordring for ingeniørerne.

Den fornyede undersøgelse af svækkelsen i 2018 og 2019 (Redlinger et al, 2018; og Berre og Ferguson, 2019) viste, at der var en række nødsignaler, der indikerede, at svækkelsen var nært forestående. Disse nødindikatorer omfattede bl.a: 1) bøjning af jernbanesporene ved station 15 til 17, 2) sætning af gyllerøret og langsgående revner i dæmningen langs den opstrøms liggende kant af kammen og 3) højt vandtryk i dæmningen og sivning, der udgik fra den første bænk (brudsten) langs den opstrøms liggende skråning under kernebassinet natten før bruddet.

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

(2) Casagrande, A. (1936). Karakteristika for kohesionsløse jordtyper, der påvirker stabiliteten af skråninger og jordfyldninger. Journal of the Boston Society of Civil Engineer. Vol. 23, No. 1.

(3) Casagrande, A.. (1965). Den “beregnede risikos” rolle i forbindelse med jordarbejde og fundamenter. The Terzaghi Lecture, Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division, Proceedings of the American Society of Civil Engineers.

(4) Gilboy, G. (1942). Diskussion om 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 (80-årsdagen for Fort Peck Dam Construction Slide). ASDSO’s årlige konference. 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.

Dette resumé af casestudiet blev peer-reviewed af Laila M. Berre, P.E., Dam Safety Program Manager hos US Army Corps of Engineers.