説明と背景
1938年9月22日午後1時15分頃、右橋台に隣接するダム上流斜面で大きな破壊が発生しました。 この時、180人の労働者が働いていた。 34人が負傷した。 8人が命を落とし、そのうちの6人は発見されず、ダムのどこかに埋められている。
このケーススタディでは、1) 故障の原因を調査し理解するための努力、2) 根本原因評価に関する論争の概要を紹介する。 このプロジェクトのコンサルタント委員会は、破損の原因を上流側の右岸橋台とダム基礎の風化した頁岩とベントナイト層のせん断抵抗が不十分であったためとした（写真2参照）。 さらに、「滑落が上流に進行した程度は、ある程度、滑落の材料の部分的な液状化によるものかもしれない」と指摘した。”
2018年の失敗の再調査（Redlinger et.al., 2018, Berre and Ferguson, 2019）では、粘土材料のせん断強度の特性評価に大きな技術的進歩があったことが判明している。 Fort Peck斜面崩壊の引き金となったと考えられる風化頁岩やベントナイト層に関する懸念は、定期的なリスク再評価の際に継続的に検討する価値がある。 建設中の液状化現象は、水硬性盛土と浅い基礎砂の液状化強度を評価するために、複数の調査が行われてきた。 その根本的な原因は、当時のダム設計技術の限界にあると考えられる。 具体的には，①右岸橋台上流の粘土頁岩のせん断強度（破壊を誘発した可能性がある），②ダム建設に使用された液状化可能な水硬性盛土と基礎砂の材料に関する実験室試験と設計手順が存在しなかったのである． これらのメカニズムを評価し、構造の安全性を確認する技術は今日存在する。
The Fort Peck slope failureは、米国陸軍工兵隊（および業界全体）の設計方法および建設手順に大きな影響を与えた。 さらに、Fort Peckダムの失敗事象の後、堤体ダムの水力充填工法の使用は米国で一般的に中止された。
Fort Peckダムと貯水池に関する関連データは以下の通りである：
- Hydraulic Filled & Rolled Earthfill Dam with a Sheet Pile Foundation Cutoff Wall（シートパイルファンデーションカットオフウォールを持つ、水力充填&アースフィルダム）.
- 125,628,000 立方メートルの盛土。
- 3,000,000 立方メートルの砂利を上流と下流の砂利道に配置。
- Length (Including Dike Section) – 21,026 Feet.
- 川床からの最大高さ-250フィート（約9.5メートル）
- 底部の最大幅-4,900フィート（約9.5メートル）
- 頂部の幅-50フィート（約9メートル）
- 閉鎖日-1937年6月24日（約8.2メートル）。
- 総最大貯水量：18,463,000エーカーフィート
- 設置容量：185 MW
- 放水路容量：275,000立方フィート/秒
水力充填が堤防ダム建設の最もコスト効率の良いオプションとして選ばれたが、さもなければダム建設費用は経済的に正当なものとはならなかっただろう。 トンネルを通した河川迂回による本流の閉鎖は1937年6月24日に完了し、残りの堤体盛土をより積極的に大量に投入することができるようになった。 水硬性盛土の崩壊や問題の監視は、毎日の日課であった。 盛土が上昇するにつれ、作業員は日常的にダムのスラリーパイプラインを歩き、たるみを探し、上流堤防の越流を懸念して毎日の報告が必要とされた。 USACE (Army Corps of Engineers) report on the slide (1939) notes the following:
「1938年9月22日の朝、建設担当の主任技術者とその助手、盛土監督官、堤防担当の副監督官、盛土検査部隊によって通常の検査が行われた。
10時頃、ステーション15+10近くの上流の壁の頂部で、彼らの所見が会議で議論された。 盛土検査官と工事監督補は、十分なフリーボードがないように見えると述べた。 その点を直ちに検査したところ、パイプラインの底がコアプールからわずか30インチしかないことが、大まかな測定で判明しました。 …. 午前11時45分頃、調査員は以下のデータを提出した：
Station 15 – Pipe line above the core pool; (should have been 4 1/2 feet.
Station 16 – 3 feet; should be 4 1/2 feet
Station 17 – 2.8 feet (should be 4 1/2 feet)”
Obliqual aerview of Upstream slope failure near right abutment of the dam.The station 15は、ダムの上部斜面にある。 (写真出典：Redlinger et al, 2018参照）
この時点でコアプールの標高は2252、貯水池の標高は2117.5、ダムは完成間近であった。 追加観測でコアプールの水位が前日と変わらないことを確認すると、右アバットメント（東）付近の上流側の堤防が明らかに沈下していることに気がつきました。 プロジェクトリーダーのClark Kittrellは、午後の早い時間に現地に向かった。 運転手のEugene Tourlotteは西側から近づき、1時15分ごろに現場に到着した。 トゥルロットは、上流側のシェルが車の下に出始めたのを見て、ブレーキをかけ、高速で逆走し、スライドをうまくやり過ごした。 その後10分間、線路、列車、船、パイプライン、そして34人の隊員が、幅1700フィートの塊の上に乗って滑走を続けた。 ダムからは500万立方ヤードを超える物質が流出し、構造物の5％が破壊されました。 ダムが静止したとき、機材の一部は水没し、8人の隊員は滑落に埋もれて死亡しました。 8329>
滑落前後の右岸橋台付近のダムの平面図を写真3に示す。 滑落箇所は、ダム上流斜面で唯一安定堤が設けられていない。 写真4は堤体断面図であり、7月から9月にかけての貯水池水位の低下（赤色）と共に、クレストの急激な上昇が非排水負荷となり破壊に至ったことがわかる。
滑落の直後、ダムの設計のための当初の委員会は、
- Dr. Arthur Casagrande – ハーバード大学の土壌力学の教授
- Mr. I.B. Crosby – Consulting Engineering Geologist
- Dr. Glennon Gilboy – Consulting Engineer, former Prof of Soil Mech, MIT
- Mr. Joel D. Justin – Chairman, Consulting Engineer Phil. Joel D. Justin – 会長、コンサルティングエンジニア、Phil.PA、「Engineering for Dams」の共著者
- Mr. William H. McAlpine – Office of the Chief of (USACE) Engineers
- Mr. C. W. Sturtevant – Division Engineer
滑り台の領域で広範な現場調査と実験室試験を行った後、コンサルタント委員会は、滑り台の発生から6カ月後にその原因について以下の結論に到達した。
「すべての関連データを慎重に検討した結果、委員会は、右橋台に近いダム上流部の滑落は、基礎の風化頁岩とベントナイト層のせん断抵抗が、基礎が受けたせん断力に耐えるには不十分だったことによると結論づけました」。 滑落が上流に進んだ程度は、滑落物の部分的な液状化がある程度原因であったと思われる。” 1939年3月2日理事会報告
理事会からの故障の原因に関するこの短い結論は、基礎の頁岩とベントナイトの層のせん断強度を強調するものであった。 滑走路の右側部分が、ダムの一部が頁岩材料の棚の上に直接設置されたと思われる唯一の場所であり、ここが最初の動きが検出された場所であることを考えると、これは明白に思えるかもしれません。 頁岩の上部が滑り台の左側部分の下に落ち込むと、頁岩は少なくとも中心線上の滑り台の左側限界で最大約40〜60フィートの沖積層に埋もれるようになりました。 再設計の基礎となった背面分析では、ベントナイト頁岩材料の強度に焦点が当てられ、粘土頁岩の強度に対処し、液状化が発生したかどうかを判断するためのラボテストが完了しました（U.S. Army Corps of Engineers, July 1939）
Fort Peck Damの右アバットメントのスライド前と後の平面写真です。 (Photo Source: Casagrande, 1965)
9人の理事会メンバーのうち、MerrimanとMeadの2人は報告書に署名しなかった。 一人は技術的な理由で、もう一人はより哲学的な理由である。 カサグランデ博士とギルボーイ博士は、水硬性盛土の限界空隙率（Casagrande, 1936）を推定するための実験室試験の結果、その材料が液状化することはないと示唆したにもかかわらず、液状化が発生したと確信していた（Middlebrooks, 1942年）。 Gilboyは、Middlebrooksの1942年の論文に関する議論の中で、「液状化は頁岩のせん断破壊によって引き起こされ、破壊の大きさは主に液状化によってもたらされた」と結論付けた理事会の少数派の見解を初めて明らかにした。 Casagrandeは、1965年のTerzaghi講演まで、この問題について沈黙を守っていましたが、彼は、委員会の報告書の文言が、「報告書に署名したコンサルタントの見解の大きなギャップを埋めるための妥協の文言」であったことを明らかにしています。 さらにCasagrandeは、「Gilboyと私は、液状化の中心は主に炉心に隣接するシェルの細かい砂地であり、液状化はその下の荷重の大きい基礎砂に広がったかもしれないという意見を共有していた」と述べています。”
最近、Redlinger、Ferguson、Berre (Redlinger, et al, 2018) およびBerreとFerguson (ASDSO Webinar, August, 2019) によって行われた不十分な技術に照らして、設計時および破損後の評価で利用できた技術の詳しいレビュー、ならびに人的要因のレビューがあります。 これらのレビューでは、以下のことが判明しました：
- ダムの上流斜面の破壊に寄与した主要な要因は、以下の両方に関連する不十分な技術と設計手順に関連していました：
- 現在「残留強度」と呼ばれるものを含む粘土シェール基礎材料のせん断強度、および
- 水硬性充填材の強度特性および「液状化」の機構です。
- 粘土頁岩の分類とスリッケンシーズ、断層、その他の前剪断面の影響についてはよく理解されていませんでした。 また、建設荷重の結果、硬い亀裂性頁岩に高い間隙水圧が発生する可能性も想定されていなかった。 1961>
- 粘土頁岩のベントナイト層を含む基礎材料のせん断強度の特性は、まだ標準的な設計手法ではありませんでした。 これらの材料の強度と破壊の可能性の問題は確認されていたが、強度特性の完全な理解、および設計のための強度特性を明らかにする能力は限られていた。 これらの強度は、破損後の調査まで確認されなかった。 その結果、9度以下という低い強度のベントナイトが存在することが判明した（写真5）。 このように、粘土頁岩の「残留強度」に相当する低い強度を、ダム斜面の設計に適用したのは、筆者の知る限り、コンサルタント協会による滑動破壊の背面解析が最初であった。
- 液状化の概念（臨界密度／ボイド比、Casagrande、1936）は、カリフォルニアのCalaverasダムの破壊（1918）などの多くの事例から理解され始めていたが、設計中または破壊後の評価の一部として、水硬性充填材の実際の強度を適切に特徴付け評価する能力はせいぜい限定的であった。 さらに、7月20日から9月22日の期間に発生した建設とプールの低下速度が、ダムと基礎の水圧、粘土シェールと水硬性充填材の強度、そして最終的にはダム上流斜面の安定性にどのように影響するかを理解していなかった。
Westergaard (Casagrande, 1965) による破壊後の評価は、平均摩擦角4度強が破壊時にスライド塊底面に沿って作用したことを示唆するものであった。 Westergaardが強度を推定するために用いた方法は、写真6に示すように、堤防断面の前後の推定重心を結ぶ線を作ることであった。 この破壊から80年以上が経過し，多くの研究者がFort Peckダムの破壊マスの材料の平均的な「残留強度」の逆解析に挑戦している． Redlingerら（2018）がまとめたように、Westergaardの簡易評価はかなり的を射ていたようです。 しかし、液状化する可能性のある材料の残留強度をどのように推定するかという問題は、依然としてエンジニアにとって大きな課題です
2018年と2019年の破損の再調査（Redlinger et al, 2018; and Berre and Ferguson, 2019）では、破損が差し迫っていることを示す多くの遭難信号があったことが判明しています。 それらの遭難指標は以下の通りである。 1）ステーション15から17の線路の反り、2）スラリーパイプの沈下とクレストの上流端に沿った縦方向の堤防のひび、3）堤防の高水圧と破損前夜のコアプール下の上流斜面に沿った第一ベンチ（砕石）から発せられる浸透。
(1) Berre, L. and Ferguson, K. A. (2019). Fort Peck Dam 上流斜面崩壊，モンタナ州． ASDSO ウェビナー。 Association of State Dam Officials.
(2) Casagrande, A. (1936). 斜面および盛土の安定性に影響を及ぼす粘性土の特性． ボストン土木学会誌． 第23巻第1号.
(3) Casagrande，A． (1965). 土工・基礎工学における “計算リスク “の役割． テルザーギ講演会、土質力学・基礎部門誌、アメリカ土木学会論文集.
(4) Gilboy, G. (1942). Middlebrooks論文 “Fort Peck Slide “に関する考察． 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)． フォートペックダム建設滑走の80周年記念。 ASDSO 年次会議． シアトル。 Associate of State Dam Safety Officials.
(6) U.S. Army Corps of Engineers. (1939). フォートペックダム上流壁の一部滑走に関する報告書． U.S. Govt. Printing Office, Washington, D.C.
このケーススタディの要約は、US Army Corps of Engineers の Dam Safety Program Manager である Laila M. Berre, P.E. によって査読されたものである。