Opis i tło

Opis i tło

Początek około godziny 13:15 22 września 1938 roku, zbocze tamy w górę rzeki przylegające do prawego przyczółka doświadczyło dużej awarii, gdy prace budowlane posunęły się do 20 stóp od ostatecznej wysokości korony tamy (patrz zdjęcie 1). W tym rejonie pracowało sto osiemdziesiąt osób. Trzydzieści cztery osoby zostały ranne. Ośmiu mężczyzn straciło życie, sześciu z nich nigdy nie odnaleziono i są pochowani gdzieś w tamie.

Niniejsze studium przypadku przedstawia podsumowanie 1) wysiłków zmierzających do zbadania i zrozumienia przyczyny awarii oraz 2) kontrowersji dotyczących oceny pierwotnej przyczyny. Rada Konsultantów tego projektu stwierdziła, że przyczyną awarii była niewystarczająca odporność na ścinanie zwietrzałych łupków i pokładów bentonitu w prawym górnym przyczółku i fundamencie tamy (patrz Zdjęcie 2). Ponadto wskazano, że „zakres, w jakim osuwisko postępowało w górę rzeki mógł być spowodowany, w pewnym stopniu, częściowym upłynnieniem materiału w osuwisku.”

Podczas ponownego badania awarii w 2018 roku (Redlinger et. al., 2018, Berre i Ferguson, 2019) stwierdzono, że nastąpił znaczny postęp technologiczny w charakteryzowaniu wytrzymałości na ścinanie materiałów ilastych. Obawy związane ze zwietrzałymi łupkami i pokładami bentonitu, o których sądzono, że spowodowały awarię zbocza Fort Peck, zasługują na ciągły przegląd podczas okresowej ponownej oceny ryzyka. Przyczynienie się do upłynnienia podczas budowy było przedmiotem wielu badań mających na celu ocenę wytrzymałości na upłynnienie wypełnienia hydraulicznego i płytkiego piasku fundamentowego. Podstawową przyczyną mogą być ograniczenia technologii projektowania zapór dostępne w tamtym czasie. W szczególności nie istniały testy laboratoryjne i procedury projektowe związane z wytrzymałością na ścinanie a) łupków ilastych w prawym górnym przyczółku (które mogły zapoczątkować awarię) oraz b) potencjalnie upłynnionego wypełnienia hydraulicznego użytego do budowy zapory i materiałów piasku fundamentowego. Obecnie istnieje technologia umożliwiająca ocenę tych mechanizmów i potwierdzenie bezpieczeństwa konstrukcji.

Niebezpieczeństwo zbocza Fort Peck miało znaczący wpływ na metody projektowania i procedury budowlane Korpusu Inżynierów Armii Stanów Zjednoczonych (i całej branży). Ponadto po awarii zapory Fort Peck w Stanach Zjednoczonych zaprzestano stosowania metod budowy zapór nasypowych z wypełnieniem hydraulicznym.

Istotne dane dotyczące zapory i zbiornika Fort Peck są następujące:

• Hydraulicznie wypełniona & zapora z wypełnieniem ziemnym z ścianą odcinającą na fundamencie z pali szczelnych.
  • 125,628,000 jardów sześciennych umieszczonego wypełnienia.
  • 3,000,000 jardów sześciennych żwiru umieszczonego w górnym i dolnym biegu zapory.
• Długość (włączając odcinek wału) – 21,026 stóp.
• Maksymalna wysokość nad dnem potoku – 250 stóp.
• Maksymalna szerokość u podstawy – 4 900 stóp.
• Szerokość korony – 50 stóp.
• Data zamknięcia – 24 czerwca 1937.
• Całkowita maksymalna pojemność retencyjna: 18 463 000 stóp sześciennych
• Zainstalowana moc: 185 MW
• Wydajność zapory: 275 000 stóp sześciennych/sek

Wypełnienie hydrauliczne zostało wybrane jako najbardziej efektywna kosztowo opcja budowy zapory nasypowej, w przeciwnym razie koszty budowy zapory nie byłyby ekonomicznie uzasadnione. Zamknięcie głównego koryta rzeki i przekierowanie jej przez tunele zostało zakończone 24 czerwca 1937 r., co pozwoliło na bardziej agresywne układanie pozostałej części nasypu. Monitorowanie niebezpieczeństw i problemów z hydraulicznym wypełnieniem było codzienną rutyną. Gdy nasyp się podnosił, pracownicy rutynowo chodzili po rurociągach szlamu na zaporze w poszukiwaniu zwisów, a codzienne raporty były wymagane ze względu na obawy o przewrócenie się brzegu w górę rzeki.

The U.S. Army Corps of Engineers (USACE) raport na temat osuwiska (1939) odnotowuje, co następuje:

„Rankiem 22 września 1938 roku, zwykła inspekcja została przeprowadzona przez głównego inżyniera odpowiedzialnego za budowę, jego asystenta, inspektora ds. wypełnień, zastępcę inspektora ds. lewarów i zespół inspekcji wypełnień.

Około 10 rano, ich ustalenia zostały omówione na konferencji, która odbyła się na grzbiecie górnego brzegu w pobliżu stacji 15+10. Inspektorzy ds. wypełnień oraz asystent kierownika budowy stwierdzili, że nie wydaje się, aby istniała wystarczająca wolna burta. Natychmiastowa inspekcja tego miejsca wykazała, dokonując wstępnych pomiarów, że wysokość dna rurociągu nad basenem rdzeniowym wynosiła zaledwie 30 cali, podczas gdy powinna wynosić 4,5 stopy. …. Około godziny 11:45 ekipa badawcza przekazała następujące dane:

Stacja 15 – Linia rurowa 3 stopy powyżej basenu rdzeniowego; (powinno być 4 1/2 stopy.
Stacja 16 – 3 stopy; powinno być 4 1/2 stopy
Stacja 17 – 2,8 stopy (powinno być 4 1/2 stopy)”

W tym momencie wysokość basenu rdzeniowego wynosiła 2252, wysokość zbiornika wynosiła 2117,5, a zapora była bliska ukończenia. Kiedy dodatkowe obserwacje potwierdziły, że poziom wody w basenie rdzeniowym nie zmienił się od poprzedniego dnia, zdano sobie sprawę, że nasyp w górę rzeki w pobliżu prawego przyczółka (wschodniego) najwyraźniej osiada. Kierownik projektu, Clark Kittrell, udał się na miejsce wczesnym popołudniem. Jego kierowca, Eugene Tourlotte, zbliżał się od zachodu i dotarł na miejsce około 1:15. Tourlotte zobaczył, że powłoka w górnym biegu rzeki zaczyna wysuwać się spod samochodu, wcisnął hamulce i z dużą prędkością wjechał na wstecznym biegu, aby skutecznie wyprzedzić osuwisko. W ciągu następnych dziesięciu minut tory kolejowe, pociągi, łodzie, rurociągi i trzydziestu czterech ludzi znajdowało się na masie o szerokości 1700 stóp, która się osuwała. Ponad 5 milionów jardów sześciennych materiału spadło z tamy, a pięć procent konstrukcji zostało zniszczonych. Kiedy zapora się zatrzymała, część sprzętu była zanurzona, a ośmiu ludzi zginęło, pogrzebanych przez osuwisko. Dwudziestu sześciu mężczyznom udało się wyjść z osuwiska.

Ilustracja widoku planu tamy w pobliżu prawego przyczółka, gdzie nastąpiła awaria przed i po osunięciu, pokazana jest na zdjęciu 3. Należy zwrócić uwagę, że obszar awarii był jedyną lokalizacją wzdłuż górnego zbocza tamy, gdzie nie zastosowano nasypu stabilizującego. Przekrój przez awarię, który pokazuje konfigurację wału przed i po, pokazano na zdjęciu 4. Gwałtowne podniesienie się korony w połączeniu z obniżeniem się basenu zbiornika pomiędzy lipcem a wrześniem (pokazane na czerwono) spowodowało powstanie obciążenia niewysuszonego, które spowodowało awarię.

Natychmiast po osunięciu się zapory pierwotna rada projektowa została poszerzona o następujące osoby:

• Dr Arthur Casagrande – profesor mechaniki gruntów na Uniwersytecie Harvarda
• 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. PA, współautor „Engineering for Dams”
• Mr. William H. McAlpine – Office of the Chief of (USACE) Engineers
• Mr. C. W. Sturtevant – Inżynier Oddziału

Po obszernej charakterystyce terenu i programie badań laboratoryjnych w obszarze osuwiska, Rada Konsultantów doszła do następujących wniosków dotyczących przyczyny osuwiska 6 miesięcy po jego wystąpieniu:

„Po dokładnym rozważeniu wszystkich odnośnych danych Rada doszła do wniosku, że osunięcie w górnej części tamy w pobliżu prawego przyczółka było spowodowane faktem, że odporność na ścinanie zwietrzałych łupków i pokładów bentonitu w fundamencie była niewystarczająca, aby wytrzymać siły ścinające, którym poddany był fundament. Zakres, w jakim osuwisko postępowało w górę rzeki, mógł być spowodowany, w pewnym stopniu, częściowym upłynnieniem materiału w osuwisku.” March 2, 1939 Board Report

Ta krótka konkluzja o przyczynie awarii ze strony Zarządu podkreśla wytrzymałość na ścinanie pokładów łupków i bentonitu w fundamencie. Może się to wydawać oczywiste, biorąc pod uwagę, że prawa część zjazdu była jedyną lokalizacją, w której część tamy była prawdopodobnie posadowiona bezpośrednio na półce w materiałach łupkowych i to właśnie tam wykryto pierwsze ruchy. W miarę jak górna część łupków zanurzała się pod lewą część osuwiska, łupki zostały zasypane do maksymalnej głębokości około 40 do 60 stóp aluwium przy lewej granicy osuwiska, przynajmniej na linii środkowej. Analiza historyczna, która stanowiła podstawę do przeprojektowania, skupiła się na wytrzymałości materiałów z łupków bentonitowych, podczas gdy badania laboratoryjne zostały ukończone w celu określenia wytrzymałości łupków ilastych i ustalenia, czy nastąpiło upłynnienie (U.S. Army Corps of Engineers, lipiec 1939).

Dwóch z dziewięciu członków zarządu, Merriman i Mead, nie podpisało raportu: Jeden z powodów technicznych, a drugi z powodów bardziej filozoficznych. Kilku członków Rady (dr Casagrande i Gilboy) było przekonanych, że doszło do upłynnienia, mimo że wyniki badań laboratoryjnych mających na celu oszacowanie krytycznego współczynnika pustki (Casagrande, 1936) w wypełnieniu hydraulicznym wskazywały, że materiały nie uległyby upłynnieniu (Middlebrooks, 1942). Gilboy, w swojej dyskusji na temat pracy Middlebrooksa z 1942 roku, po raz pierwszy przedstawił pogląd mniejszości w Radzie, która stwierdziła, że „upłynnienie zostało wywołane przez zniszczenie łupków przy ścinaniu, a ogromna skala zniszczenia była spowodowana głównie upłynnieniem”. Casagrande milczał na ten temat aż do swojego wykładu Terzaghi w 1965 roku, w którym ujawnia, że język raportu Rady był „kompromisowym sformułowaniem mającym na celu wypełnienie szerokiej luki w poglądach konsultantów, którzy podpisali się pod raportem”. Casagrande mówi dalej, że „Gilboy i ja podzielaliśmy opinię, że upłynnienie koncentrowało się głównie w strefie drobnego piasku w skorupie obok rdzenia, i że upłynnienie mogło rozprzestrzenić się na leżące pod spodem, silnie obciążone piaski fundamentowe.”

Szczegółowy przegląd technologii dostępnej w czasie projektowania i oceny po awarii, wraz z czynnikami ludzkimi w grze w świetle nieodpowiedniej technologii, która została niedawno wykonana przez Redlingera, Fergusona i Berre (Redlinger, et al, 2018), a także Berre i Fergusona (ASDSO Webinar, sierpień, 2019). W przeglądach tych stwierdzono, co następuje:

1. Kluczowe czynniki przyczyniające się do niepowodzenia zbocza zapory w górę rzeki były związane z nieodpowiednią technologią i procedurą projektową związaną z obiema z następujących kwestii:
   • wytrzymałość na ścinanie materiałów fundamentowych z łupków ilastych, w tym to, co obecnie określamy jako „wytrzymałość resztkową”, oraz
   • charakterystyka wytrzymałościowa hydraulicznych materiałów wypełniających i mechanizm „upłynniania”.
2. Klasyfikacja łupków ilastych oraz wpływ slickenside’ów, uskoków i innych powierzchni wstępnie obwałowanych nie był dobrze rozumiany. Nie przewidziano również możliwości powstania wysokich ciśnień porowych w sztywnych łupkach szczelinowych na skutek obciążeń budowlanych. Zastosowany system klasyfikacji gruntów miał ograniczoną wartość w porównaniu z klasyfikacją zunifikowaną, która pojawiła się prawie dwie dekady później.
3. Charakterystyka wytrzymałości na ścinanie materiałów fundamentowych, w tym pokładów bentonitu w łupkach ilastych, nie była jeszcze standardową praktyką projektową. Podczas gdy kwestia wytrzymałości tych materiałów i możliwości ich uszkodzenia została zidentyfikowana, pełne zrozumienie właściwości wytrzymałościowych oraz zdolność do scharakteryzowania wytrzymałości do celów projektowych była ograniczona. Wytrzymałości te zostały zidentyfikowane dopiero w trakcie badań poawaryjnych. Badania poawaryjne wskazały na materiały bentonitowe o wytrzymałości zaledwie poniżej 9 stopni (patrz Fot. 5). Według wiedzy autora, użycie niższej wytrzymałości odpowiadającej temu, co dzisiaj sklasyfikowalibyśmy jako „wytrzymałość resztkową” łupków ilastych w analizie wstecznej awarii osuwiska przeprowadzonej przez Radę Konsultantów, było pierwszym zastosowaniem takiej wytrzymałości w projektowaniu skarpy dla zapory.
4. Pomimo, że koncepcja upłynnienia (stosunek gęstości krytycznej do pustki, Casagrande, 1936) zaczynała być rozumiana na podstawie wielu historii przypadków, takich jak awaria tamy Calaveras w Kalifornii (1918), zdolność do właściwego scharakteryzowania i oceny rzeczywistej wytrzymałości hydraulicznych materiałów wypełniających podczas projektowania lub jako część oceny po awarii była w najlepszym wypadku ograniczona. Co więcej, nie rozumiano, jak tempo budowy i obniżania basenu, które nastąpiło od 20 lipca do 22 września, wpłynie na ciśnienie wody w tamie i fundamencie, wytrzymałość łupków ilastych i hydraulicznych materiałów wypełniających, a ostatecznie na stabilność zbocza tamy w górę rzeki.

Popowstaniowa ocena przeprowadzona przez Westergaarda (Casagrande, 1965) zasugerowała, że średni kąt tarcia wynoszący nieco więcej niż 4 stopnie działał wzdłuż podstawy masy osuwiskowej podczas awarii. Metoda, którą zastosował Westergaard do oszacowania wytrzymałości, polegała na wyznaczeniu linii łączącej szacunkowe środki ciężkości przed i po przekroju poprzecznym nasypu, jak pokazano na zdjęciu 6. Przez ponad 80 lat od awarii, wielu badaczy podjęło wyzwanie przeanalizowania średniej „wytrzymałości resztkowej” materiału w masie uszkodzonej zapory Fort Peck. Jak podsumowują Redlinger et al (2018), wydaje się, że uproszczona ocena Westergaarda była dość bliska prawdy. Jednak kwestia tego, jak oszacować wytrzymałość resztkową potencjalnie upłynnionych materiałów, nadal stanowi poważne wyzwanie dla inżynierów.

Powtórne badania awarii w 2018 i 2019 roku (Redlinger i inni, 2018; oraz Berre i Ferguson, 2019) wykazały, że istniało wiele niepokojących oznak, które wskazywały na zbliżającą się awarię. Te niepokojące wskaźniki obejmowały: 1) wygięcie torów kolejowych na stacji 15 do 17, 2) osiadanie rury szczelinowej i wzdłużne pęknięcie nasypu wzdłuż górnej krawędzi grzebienia, oraz 3) wysokie ciśnienie wody w nasypie i przesiąkanie emanujące z pierwszej ławy (kamień kamieniołomu) wzdłuż zbocza w górę rzeki poniżej basenu rdzeniowego w noc przed awarią.

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

(2) Casagrande, A. (1936). Characteristics of Cohesionless Soils Affecting the Stability of Slopes and Earth Fills. Journal of the Boston Society of Civil Engineer. Vol. 23, No. 1.

(3) Casagrande, A.. (1965). Role of the „Calculated Risk” in Earthwork and Foundation Engineering. The Terzaghi Lecture, Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division, Proceedings of the American Society of Civil Engineers.

(4) Gilboy, G. (1942). Dyskusja nad artykułem Middlebrooksa „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. Doroczna konferencja ASDSO. 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.

To streszczenie studium przypadku zostało zrecenzowane przez Lailę M. Berre, P.E., Dam Safety Program Manager w US Army Corps of Engineers.