Descrizione & Background

Descrizione & Background

A partire dalle 13:15 circa del 22 settembre 1938, il pendio a monte della diga adiacente al pilastro destro subì un grosso cedimento mentre i lavori di costruzione erano avanzati fino a circa 6 metri dalla quota di cresta finale della diga (vedi foto 1). Centottanta uomini stavano lavorando nella zona. Trentaquattro uomini sono rimasti feriti. Otto uomini hanno perso la vita, sei dei quali non sono mai stati trovati e sono sepolti da qualche parte nella diga.

Questo caso di studio presenta una sintesi di 1) gli sforzi per indagare e capire la causa del fallimento, e 2) la controversia riguardante la valutazione della causa principale. Il comitato di consulenti per il progetto ha trovato che il cedimento era dovuto all’inadeguata resistenza al taglio degli scisti stagionati e delle fasce di bentonite nella spalla destra a monte e nella fondazione della diga (vedi foto 2). Hanno inoltre indicato che “la misura in cui lo scivolo è progredito a monte potrebbe essere stato dovuto, in qualche misura, a una liquefazione parziale del materiale nello scivolo.”

Durante il riesame del 2018 del fallimento (Redlinger et. al., 2018, Berre e Ferguson, 2019), si è scoperto che ci sono stati significativi progressi tecnologici nella caratterizzazione della resistenza al taglio dei materiali argillosi. Le preoccupazioni relative ai filoni di scisto e bentonite esposti alle intemperie che si pensava avessero innescato il cedimento del pendio di Fort Peck meritano una revisione continua durante la rivalutazione periodica dei rischi. Il contributo della liquefazione durante la costruzione è stato al centro di molteplici indagini, per valutare la forza liquefatta del riempimento idraulico e della sabbia di fondazione poco profonda. La causa principale può essere attribuita ai limiti della tecnologia di progettazione della diga disponibile all’epoca. In particolare, non esistevano prove di laboratorio e procedure di progettazione relative alla resistenza al taglio di a) scisti argillosi nella spalla destra a monte (che potrebbero aver dato inizio all’evento di cedimento), e b) il riempimento idraulico potenzialmente liquefacibile utilizzato per costruire la diga e i materiali della sabbia di fondazione. Oggi esiste la tecnologia per valutare questi meccanismi e confermare la sicurezza della struttura.

Il cedimento del pendio di Fort Peck ha avuto un impatto significativo sui metodi di progettazione e sulle procedure di costruzione dell’U.S. Army Corps of Engineers (e dell’industria). Inoltre, l’uso di metodi di costruzione di riempimento idraulico per dighe di terrapieno è stato generalmente interrotto negli Stati Uniti dopo l’evento del fallimento della diga di Fort Peck.

I dati rilevanti sulla diga e sul bacino di Fort Peck sono i seguenti:

• Diga di riempimento idraulico &in terra arrotolata con un muro di taglio di fondazione in Sheet Pile.
  • 125.628.000 metri cubi di materiale di riempimento collocati.
  • 3.000.000 metri cubi di ghiaia collocati in punta di ghiaia a monte e a valle.
• Lunghezza (inclusa la sezione della diga) – 21.026 piedi.
• Altezza massima sopra il letto del fiume – 250 piedi.
• Larghezza massima alla base – 4.900 piedi.
• Larghezza della cresta – 50 piedi.
• Data di chiusura – 24 giugno 1937.
• Capacità massima totale di stoccaggio: 18.463.000 ac-feet
• Capacità installata: 185 MW
• Capacità dello sfioratore: 275.000 cu ft/sec

Il riempimento idraulico è stato selezionato come l’opzione più conveniente per costruire la diga d’argine, altrimenti il costo della costruzione della diga non sarebbe stato economicamente giustificabile. La chiusura del canale principale del fiume con la deviazione del fiume attraverso le gallerie fu completata il 24 giugno 1937, permettendo un più aggressivo posizionamento di massa del restante riempimento del terrapieno. Il monitoraggio di eventuali difficoltà o problemi con il riempimento idraulico era una routine quotidiana. Mentre il riempimento saliva, gli operai percorrevano abitualmente le tubature di fango sulla diga per cercare eventuali cedimenti e si richiedevano rapporti quotidiani a causa della preoccupazione di superare la riva a monte.

L’U.S. Il rapporto del Corpo degli Ingegneri dell’Esercito (USACE) sullo scivolo (1939) nota quanto segue:

“La mattina del 22 settembre 1938, la solita ispezione fu fatta dall’ingegnere principale incaricato della costruzione, il suo assistente, il sovrintendente del riempimento, il sovrintendente associato incaricato degli argini e la forza di ispezione del riempimento.

A circa le 10 del mattino, i loro risultati furono discussi alla conferenza tenuta sulla cresta del fronte a monte vicino alla stazione 15+10. Gli ispettori di riempimento e l’assistente sovrintendente alla costruzione hanno dichiarato che non sembrava esserci un bordo libero sufficiente. Un’ispezione immediata di quel punto rivelò, con misurazioni approssimative, che l’altezza del fondo della condotta sopra la piscina del nucleo era di soli 30 pollici, mentre avrebbe dovuto essere di 4,5 piedi. …. Alle 11:45 circa, l’equipaggio del sondaggio presentò i seguenti dati:

Stazione 15 – Linea di tubatura 3 piedi sopra la piscina del nucleo; (avrebbe dovuto essere 4 1/2 piedi.
Stazione 16 – 3 piedi; avrebbe dovuto essere 4 1/2 piedi
Stazione 17 – 2.8 piedi (avrebbe dovuto essere 4 1/2 piedi)”

In questo momento l’elevazione della piscina del nucleo era 2252, l’elevazione del serbatoio era 2117,5 e la diga era prossima al completamento. Quando ulteriori osservazioni confermarono che il livello dell’acqua del bacino centrale non era cambiato dal giorno prima, ci si rese conto che il terrapieno a monte vicino alla spalla destra (est) si stava apparentemente assestando. Il capo del progetto, Clark Kittrell è andato sul posto nel primo pomeriggio. Il suo autista, Eugene Tourlotte, si avvicinò da ovest e arrivò al sito verso le 13:15. Tourlotte vide il guscio a monte iniziare a muoversi sotto la macchina, schiacciò i freni e andò in retromarcia ad alta velocità per superare con successo lo scivolo. Nei dieci minuti successivi, binari, treni, barche, condutture e trentaquattro uomini erano sulla massa di 1700 piedi di larghezza mentre scivolava. Più di 5 milioni di metri cubi di materiale si staccarono dalla diga, e il cinque per cento della struttura fu distrutta. Quando si fermò, parte dell’attrezzatura era sommersa e otto uomini erano morti, sepolti nello scivolo. Ventisei uomini hanno cavalcato con successo lo scivolo.

Un’illustrazione della vista in pianta della diga vicino al pilastro destro dove si è verificato il cedimento prima e dopo lo scivolo è mostrata nella Foto 3. Si noti che l’area del cedimento era l’unica posizione lungo il pendio a monte della diga dove non era inclusa una barriera di stabilità. Una sezione trasversale attraverso il cedimento che mostra la configurazione prima e dopo del terrapieno è mostrata nella foto 4. Il rapido aumento della cresta combinato con l’abbassamento del bacino idrico tra luglio e settembre (mostrato in rosso) si è combinato per creare il carico non drenato che ha causato il cedimento.

Immediatamente dopo lo scivolamento il consiglio originale per la progettazione della diga fu ampliato per includere:

• Dr. Arthur Casagrande – Professore di Meccanica del Suolo alla Harvard University
• Mr. I.B. Crosby – Consulente di ingegneria geologica
• Dr. Glennon Gilboy – Consulente di ingegneria, ex Prof di meccanica del suolo, MIT
• Mr. Joel D. Justin – Presidente, Consulente di ingegneria Phil. PA, co-autore di “Engineering for Dams”
• Mr. William H. McAlpine – Office of the Chief of (USACE) Engineers
• Mr. C. W. Sturtevant – Division Engineer

Dopo un esteso programma di caratterizzazione del sito e di test di laboratorio nell’area dello scivolo, il Board of Consultants arrivò alla seguente conclusione sulla causa dello scivolo 6 mesi dopo che si era verificato:

“Dopo un’attenta considerazione di tutti i dati pertinenti, il Consiglio ha concluso che lo scivolamento nella porzione a monte della diga vicino alla spalla destra era dovuto al fatto che la resistenza al taglio degli scisti e della bentonite nella fondazione era insufficiente a sopportare le forze di taglio a cui la fondazione era sottoposta. La misura in cui lo scivolo è progredito a monte, può essere stato dovuto, in qualche misura, ad una liquefazione parziale del materiale nello scivolo”. March 2, 1939 Board Report

Questa breve conclusione sulla causa del cedimento da parte del Board enfatizza la resistenza al taglio delle cuciture di scisto e bentonite nella fondazione. Può sembrare ovvio dato che la porzione destra dello scivolo era l’unica posizione dove una parte della diga era probabilmente fondata direttamente su un ripiano nei materiali di scisto ed è qui che sono stati rilevati i primi movimenti. Man mano che la parte superiore degli scisti si immergeva sotto la porzione sinistra della diga, gli scisti venivano sepolti ad una profondità massima di circa 40-60 piedi di alluvium al limite sinistro della diga, almeno sulla linea centrale. L’analisi posteriore che costituì la base della riprogettazione si concentrò sulla forza dei materiali scistosi bentonitici, mentre i test di laboratorio furono completati per affrontare la forza degli scisti argillosi e per determinare se si fosse verificata la liquefazione (U.S. Army Corps of Engineers, luglio 1939).

Due dei nove membri del consiglio, Merriman e Mead, non hanno firmato il rapporto: Uno per motivi tecnici e uno per motivi più filosofici. Un paio di membri della commissione (i dottori Casagrande e Gilboy) erano convinti che la liquefazione fosse avvenuta anche se i risultati dei test di laboratorio per stimare il rapporto critico di vuoto (Casagrande, 1936) del riempimento idraulico indicavano che i materiali non si sarebbero liquefatti (Middlebrooks, 1942). Gilboy, nella sua discussione sul documento di Middlebrooks del 1942, articolò per primo il punto di vista della minoranza del consiglio che concluse “che la liquefazione fu innescata dal cedimento di taglio nello scisto, e che la grande grandezza del cedimento fu principalmente dovuta alla liquefazione”. Casagrande rimase in silenzio sull’argomento fino alla sua conferenza Terzaghi del 1965, dove rivela che il linguaggio del rapporto della commissione era “una formulazione di compromesso per colmare l’ampio divario tra le opinioni dei consulenti che hanno firmato il rapporto”. Casagrande continua dicendo che “Gilboy ed io condividevamo l’opinione che la liquefazione era centrata principalmente nella zona di sabbia fine del guscio vicino al nucleo, e che la liquefazione può essersi diffusa nelle sottostanti sabbie di fondazione fortemente caricate.”

Una revisione dettagliata della tecnologia disponibile al momento della progettazione e della valutazione post fallimento, insieme ai fattori umani in gioco alla luce della tecnologia inadeguata che è stata recentemente eseguita da Redlinger, Ferguson e Berre (Redlinger, et al, 2018), nonché Berre e Ferguson (ASDSO Webinar, agosto, 2019). Queste revisioni hanno trovato quanto segue:

1. I fattori chiave che hanno contribuito al cedimento del pendio a monte della diga erano associati alla tecnologia inadeguata e alla procedura di progettazione associata a entrambi i seguenti:
   • la resistenza al taglio dei materiali di fondazione in argilla scistosa, incluso ciò che ora ci riferiamo come “forza residua”, e
   • la caratterizzazione della forza dei materiali di riempimento idraulico e il meccanismo di “liquefazione”.
2. La classificazione degli scisti argillosi e l’impatto di slickensides, faglie e altre superfici pre-sheared non era ben compreso. Il potenziale per alte pressioni di poro che si sviluppano negli scisti rigidi e fessurati come risultato dei carichi di costruzione non era nemmeno previsto. Il sistema di classificazione del suolo che fu usato era di valore limitato rispetto alla Classificazione Unificata che sarebbe arrivata quasi due decenni dopo.
3. La caratterizzazione della resistenza al taglio dei materiali di fondazione, incluse le fasce bentonitiche negli scisti argillosi, non era ancora una pratica standard di progettazione. Mentre il problema della resistenza di questi materiali e del potenziale di cedimento era stato identificato, una piena comprensione delle proprietà di resistenza e la capacità di caratterizzare la forza per la progettazione era limitata. Queste resistenze non sono state identificate fino alle indagini post-fallimento. Le indagini post-fallimento hanno indicato materiali bentonitici con una resistenza fino a poco meno di 9 gradi (vedi foto 5). Per quanto ne sa l’autore, l’uso di una forza inferiore corrispondente a ciò che oggi classificheremmo come “forza residua” degli scisti argillosi nell’analisi a ritroso del cedimento della diga da parte del Collegio dei Consulenti, fu la prima applicazione di tale forza nella progettazione di un pendio per una diga.
4. Mentre il concetto di liquefazione (rapporto densità critica/vuoto, Casagrande, 1936) cominciava ad essere compreso da una serie di case history come il cedimento della diga di Calaveras in California (1918), la capacità di caratterizzare e valutare correttamente la forza effettiva dei materiali di riempimento idraulico sia durante la progettazione che come parte della valutazione post-cedimento era limitata al meglio. Inoltre, non c’era alcuna comprensione di come il tasso di costruzione e l’abbassamento del bacino che si è verificato dal 20 luglio al 22 settembre avrebbe avuto un impatto sulle pressioni dell’acqua nella diga e nelle fondamenta, sulla resistenza degli scisti argillosi e dei materiali di riempimento idraulico, e infine sulla stabilità del pendio a monte della diga.

Una valutazione post fallimento di Westergaard (Casagrande, 1965) ha suggerito che l’angolo di attrito medio di poco più di 4 gradi stava agendo lungo la base della massa scivolante durante il cedimento. Il metodo usato da Westergaard per stimare la forza era la costruzione di una linea tra i centri di gravità stimati della sezione trasversale dell’argine prima e dopo, come mostrato nella foto 6. Per più di 80 anni dal cedimento, molti ricercatori hanno accettato la sfida di analizzare di nuovo la “forza residua” media del materiale nella massa del cedimento a Fort Peck Dam. Come riassunto da Redlinger et al (2018), sembra che la valutazione semplificata di Westergaard fosse abbastanza vicina al bersaglio. Tuttavia, la questione di come stimare la forza residua dei materiali potenzialmente liquefacibili è ancora una grande sfida per gli ingegneri.

I riesami del 2018 e del 2019 (Redlinger et al, 2018; e Berre e Ferguson, 2019) del cedimento hanno trovato che c’erano una serie di segnali di pericolo che indicavano che il cedimento era imminente. Questi indicatori di pericolo includevano: 1) inarcamento dei binari ferroviari alla stazione 15-17, 2) assestamento del tubo dei liquami e fessurazione longitudinale del terrapieno lungo il bordo a monte della cresta, e 3) alte pressioni dell’acqua nel terrapieno e infiltrazioni che emanano dal primo banco (pietra di cava) lungo il pendio a monte sotto la piscina del nucleo la notte prima del fallimento.

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

(2) Casagrande, A. (1936). Caratteristiche dei terreni senza coesione che influenzano la stabilità dei pendii e dei riempimenti di terra. Giornale della Boston Society of Civil Engineer. Vol. 23, No. 1.

(3) Casagrande, A.. (1965). Ruolo del “rischio calcolato” nell’ingegneria delle terre e delle fondazioni. The Terzaghi Lecture, Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division, Proceedings of the American Society of Civil Engineers.

(4) Gilboy, G. (1942). Discussione sull’articolo di Middlebrooks “Fort Peck Slide”. Transactions of the American Society of Civil Engineers, Vol. 107, pp 725-755.

(5) Redlinger, C. G., Ferguson, K.A., e Berre, L. M. (2018). 80° anniversario dello scivolamento della costruzione della diga di Fort Peck. Conferenza annuale dell’ASDSO. Seattle: Associate of State Dam Safety Officials.

(6) U.S. Army Corps of Engineers. (1939). Relazione sullo scivolamento di una parte della parete a monte della diga di Fort Peck. U.S. Govt. Printing Office, Washington, D.C.

Questo riassunto del caso di studio è stato esaminato da Laila M. Berre, P.E., Dam Safety Program Manager presso lo US Army Corps of Engineers.