Descriere și context

Descriere și context

Începând în jurul orei 13:15 pe 22 septembrie 1938, versantul amonte al barajului adiacent la pilonul drept a suferit o cedare de mari dimensiuni, în timp ce lucrările de construcție progresaseră până la mai puțin de 6 metri de înălțimea finală a coronamentului barajului (a se vedea fotografia 1). O sută optzeci de oameni lucrau în zonă. Treizeci și patru de oameni au fost răniți. Opt oameni și-au pierdut viața, dintre care șase nu au fost găsiți niciodată și sunt îngropați undeva în baraj.

Acest studiu de caz prezintă un rezumat al 1) eforturilor de investigare și înțelegere a cauzei cedării și 2) controversei privind evaluarea cauzei principale. Consiliul de consultanți pentru proiect a constatat că cedarea s-a datorat rezistenței inadecvate la forfecare a șisturilor de șisturi și bentonită alterate de vreme, în pilonul drept din amonte și în fundația barajului (a se vedea fotografia 2). Aceștia au indicat, de asemenea, că „măsura în care alunecarea a progresat în amonte s-ar fi putut datora, într-o anumită măsură, unei lichefieri parțiale a materialului din alunecare.”

În timpul reexaminării din 2018 a eșecului (Redlinger et. al., 2018, Berre și Ferguson, 2019), s-a constatat că au existat progrese tehnologice semnificative în caracterizarea rezistenței la forfecare a materialelor argiloase. Preocupările legate de straturile de șisturi de șisturi și bentonită erodate, despre care se crede că au declanșat cedarea versantului Fort Peck, merită să fie analizate în continuare în timpul reevaluării periodice a riscurilor. Contribuția lichefierii în timpul construcției a fost în centrul mai multor investigații, pentru a evalua rezistența lichefiată a umpluturii hidraulice și a nisipului de fundație de mică adâncime. Cauza principală poate fi atribuită limitărilor tehnologiei de proiectare a barajului disponibile la acea vreme. Mai exact, nu existau proceduri de testare în laborator și de proiectare legate de rezistența la forfecare a) a șisturilor argiloase din pilonul drept din amonte (care ar fi putut iniția evenimentul de cedare) și b) a umpluturii hidraulice potențial lichefiabile utilizate pentru construirea barajului și a materialelor din nisipul de fundație. Tehnologia există astăzi pentru a evalua aceste mecanisme și pentru a confirma siguranța structurii.

Eșecul versantului de la Fort Peck a avut un impact semnificativ asupra metodelor de proiectare și procedurilor de construcție ale U.S. Army Corps of Engineers (și ale întregii industrii). Mai mult, utilizarea metodelor de construcție cu umplutură hidraulică pentru barajele de rambleu a fost, în general, întreruptă în Statele Unite în urma evenimentului de cedare a barajului Fort Peck.

Datele relevante privind barajul și rezervorul Fort Peck sunt următoarele:

• Baraj de umplutură hidraulică & Baraj de umplutură de pământ rulat cu un perete de tăiere a fundației din palplanșe.
  • 125.628.000 de yarzi cubi de umplutură plasată.
  • 3.000.000 de yarzi cubi de pietriș plasat în toții de pietriș din amonte și din aval.
• Lungime (inclusiv secțiunea de dig) – 21.026 picioare.
• Înălțimea maximă deasupra albiei râului – 250 de picioare.
• Lățimea maximă la bază – 4.900 de picioare.
• Lățimea crestei – 50 de picioare.
• Data închiderii – 24 iunie 1937.
• Capacitate maximă totală de înmagazinare: 18.463.000 ac-feet
• Capacitate instalată: 185 MW
• Capacitate de deversare: 275.000 cu ft/sec

Cumpărarea hidraulică a fost selectată ca fiind cea mai rentabilă opțiune pentru construirea barajului de dig, altfel costul construcției barajului nu ar fi fost justificat din punct de vedere economic. Închiderea canalului principal al râului cu devierea râului prin tuneluri a fost finalizată la 24 iunie 1937, permițând plasarea în masă mai agresivă a umpluturii rămase a digului. Monitorizarea pentru detectarea dificultăților sau a problemelor legate de umplutura hidraulică a fost o rutină zilnică. Pe măsură ce umplutura se ridica, muncitorii parcurgeau în mod obișnuit conductele de suspensie de pe baraj pentru a căuta deformări, iar raportarea zilnică era necesară din cauza îngrijorării legate de surparea malului din amonte.

SUA. Army Corps of Engineers (USACE) privind alunecarea (1939) notează următoarele:

„În dimineața zilei de 22 septembrie 1938, inspecția obișnuită a fost făcută de către inginerul principal însărcinat cu construcția, asistentul său, superintendentul de umplutură, superintendentul asociat însărcinat cu digurile și forța de inspecție a umpluturii.

În jurul orei 10 dimineața, constatările lor au fost discutate la conferința ținută pe creasta frontului din amonte, lângă stația 15+10. Inspectorii de umplutură și adjunctul superintendentului de construcții au declarat că nu părea să existe un bord liber suficient. O inspecție imediată a acelui punct a scos la iveală, prin măsurători aproximative, că înălțimea părții inferioare a conductei deasupra bazinului principal era de numai 30 de centimetri, în timp ce ar fi trebuit să fie de 4,5 picioare. …. În jurul orei 11:45, echipa de topografie a prezentat următoarele date:

Stația 15 – Conducta de țeavă la 3 picioare deasupra bazinului de bază; (ar fi trebuit să fie de 4 1/2 picioare.
Stația 16 – 3 picioare; ar fi trebuit să fie de 4 1/2 picioare
Stația 17 – 2,8 picioare (ar fi trebuit să fie de 4 1/2 picioare)”

În acest moment, cota bazinului principal era de 2252, cota rezervorului era de 2117,5, iar barajul era aproape de finalizare. Atunci când observațiile suplimentare au confirmat că nivelul apei din bazinul central nu se schimbase față de ziua precedentă, s-a realizat că terasamentul din amonte, în apropierea pilonului drept (est), se pare că se așezase. Șeful de proiect, Clark Kittrell, s-a deplasat la fața locului la începutul după-amiezii. Șoferul său, Eugene Tourlotte, s-a apropiat dinspre vest și a ajuns la fața locului în jurul orei 1:15. Tourlotte a văzut că învelișul din amonte începea să se deplaseze sub mașină, a frânat brusc și a mers în marșarier cu viteză mare pentru a reuși să depășească alunecarea. În următoarele zece minute, șine de cale ferată, trenuri, bărci, conducte și treizeci și patru de oameni se aflau pe masa de 1700 de picioare lățime în timp ce aluneca. Peste 5 milioane de metri cubi de material s-au desprins din baraj, iar cinci la sută din structură a fost distrusă. Când s-a oprit, o parte din echipament a fost scufundat, iar opt oameni au murit, îngropați în alunecare. Douăzeci și șase de oameni au reușit să treacă cu bine peste alunecare.

O ilustrație a vederii în plan a barajului din apropierea pilonului drept, unde s-a produs cedarea, înainte și după alunecare, este prezentată în fotografia 3. Rețineți că zona cedării a fost singurul loc de-a lungul versantului amonte al barajului unde nu a fost inclusă o bermă de stabilitate. În fotografia 4 este prezentată o secțiune transversală care arată configurația de dinainte și de după cedare a terasamentului. Creșterea rapidă a crestei combinată cu scăderea bazinului rezervorului între iulie și septembrie (prezentată cu roșu) s-au combinat pentru a crea sarcina nedrenată care a provocat cedarea.

Imediat după alunecare, Consiliul inițial pentru proiectarea barajului a fost extins pentru a include:

• Dr. Arthur Casagrande – Profesor de mecanica solurilor la Universitatea Harvard
• Mr. I.B. Crosby – inginer geolog consultant
• Dr. Glennon Gilboy – inginer consultant, fost profesor de mecanica solurilor la MIT
• Mr. Joel D. Justin – președinte, inginer consultant Phil. PA, coautor al lucrării „Engineering for Dams”
• Mr. William H. McAlpine – Biroul Șefului Inginerilor (USACE)
• Mr. C. W. Sturtevant – Inginer de divizie

După un amplu program de caracterizare a sitului și de teste de laborator în zona alunecării, Consiliul de consultanți a ajuns la următoarea concluzie cu privire la cauza alunecării la 6 luni după ce aceasta s-a produs:

„După o analiză atentă a tuturor datelor pertinente, Consiliul a concluzionat că alunecarea în partea din amonte a barajului, în apropierea pilonului drept, s-a datorat faptului că rezistența la forfecare a straturilor de șisturi și bentonită alterate de vreme în fundație a fost insuficientă pentru a rezista forțelor de forfecare la care a fost supusă fundația. Măsura în care alunecarea a progresat în amonte, s-ar putea să se fi datorat, într-o anumită măsură, unei lichefieri parțiale a materialului din alunecare.” Raportul Consiliului din 2 martie 1939

Această scurtă concluzie despre cauza cedării din partea Consiliului pune accentul pe rezistența la forfecare a straturilor de șist și bentonită din fundație. Acest lucru poate părea evident, având în vedere că porțiunea dreaptă a alunecării a fost singura locație în care o porțiune a barajului a fost probabil întemeiată direct pe o platformă din materialele de șist și aici au fost detectate primele mișcări. Pe măsură ce partea superioară a șisturilor s-a scufundat sub porțiunea stângă a alunecării, șisturile au fost îngropate până la o adâncime maximă de aproximativ 40 până la 60 de picioare de aluviuni la limita stângă a alunecării, cel puțin pe linia mediană. Analiza din spate care a stat la baza reproiectării s-a axat pe rezistența materialelor de șisturi bentonitice, în timp ce testele de laborator au fost finalizate pentru a aborda rezistența șisturilor argiloase și pentru a determina dacă a avut loc lichefiere (U.S. Army Corps of Engineers, iulie 1939).

Doi dintre cei nouă membri ai consiliului, Merriman și Mead, nu au semnat raportul: Unul din motive tehnice și unul din motive mai filozofice. Câțiva dintre membrii consiliului (Dr. Casagrande și Gilboy) au fost convinși că a avut loc o lichefiere, chiar dacă rezultatele testelor de laborator pentru estimarea raportului critic de goluri (Casagrande, 1936) al umpluturii hidraulice indicau că materialele nu s-ar fi lichefiat (Middlebrooks, 1942). Gilboy, în discuția sa despre lucrarea din 1942 a lui Middlebrooks, a formulat pentru prima dată punctul de vedere al minorității din cadrul Consiliului care a concluzionat „că lichefierea a fost declanșată de cedarea prin forfecare a șisturilor și că amploarea mare a cedării s-a datorat în principal lichefierii”. Casagrande a păstrat tăcerea asupra subiectului până la prelegerea sa Terzaghi din 1965, în care dezvăluie că limbajul din raportul Consiliului a fost „o formulare de compromis pentru a acoperi diferențele mari dintre punctele de vedere ale consultanților care au semnat raportul”. Casagrande continuă mai departe spunând că „Gilboy și cu mine am împărtășit opinia că lichefierea a fost centrată în principal în zona de nisip fin a învelișului de lângă nucleu și că este posibil ca lichefierea să se fi răspândit în nisipurile de fundație subiacente puternic încărcate.”

O trecere în revistă detaliată a tehnologiei disponibile la momentul proiectării și a evaluării post-eșec, împreună cu factorii umani în joc în lumina tehnologiei inadecvate care a fost realizată recent de Redlinger, Ferguson și Berre (Redlinger, et al, 2018), precum și de Berre și Ferguson (ASDSO Webinar, august, 2019). Aceste analize au constatat următoarele:

1. Factori-cheie care au contribuit la cedarea versantului din amonte al barajului au fost asociați cu tehnologia și procedura de proiectare inadecvate asociate cu ambele dintre următoarele:
   • rezistența la forfecare a materialelor de fundație din șisturi argiloase, inclusiv ceea ce acum numim „rezistență reziduală”, și
   • caracterizarea rezistenței materialelor de umplutură hidraulică și mecanismul de „lichefiere”.
2. Nu a fost bine înțeleasă clasificarea șisturilor argiloase și nici impactul slickensides, al faliilor și al altor suprafețe de pre-sheare. De asemenea, nu a fost anticipat potențialul de apariție a unor presiuni porale ridicate în șisturile fisurate rigide ca urmare a sarcinilor de construcție. Sistemul de clasificare a solurilor care a fost folosit avea o valoare limitată în comparație cu Clasificarea Unificată care avea să sosească aproape două decenii mai târziu.
3. Caracterizarea rezistenței la forfecare a materialelor de fundație, inclusiv a straturilor de bentonită din șisturile argiloase, nu era încă o practică standard de proiectare. În timp ce problema rezistenței acestor materiale și a potențialului de cedare fusese identificată, înțelegerea deplină a proprietăților de rezistență și capacitatea de a caracteriza rezistența pentru proiectare era limitată. Aceste rezistențe nu au fost identificate până la investigațiile ulterioare cedării. Cercetările ulterioare eșecului au indicat materiale bentonitice cu o rezistență de numai puțin de 9 grade (a se vedea fotografia 5). După cunoștințele autorului, utilizarea unei rezistențe mai mici, corespunzătoare la ceea ce am clasifica astăzi drept „rezistență reziduală” a șisturilor argiloase în analiza retrospectivă a cedării alunecării de către Consiliul de consultanți, a fost prima astfel de aplicare a unei astfel de rezistențe în proiectarea unui versant pentru un baraj.
4. În timp ce conceptul de lichefiere (densitate critică/raportul gol, Casagrande, 1936) începea să fie înțeles dintr-o serie de istorii de caz, cum ar fi cedarea barajului Calaveras din California (1918), capacitatea de a caracteriza și evalua în mod corespunzător rezistența reală a materialelor de umplutură hidraulică, fie în timpul proiectării, fie ca parte a evaluării după cedare, a fost în cel mai bun caz limitată. Mai mult, nu a existat nicio înțelegere a modului în care ritmul de construcție și de coborâre a bazinelor care a avut loc în perioada 20 iulie-22 septembrie va avea un impact asupra presiunilor de apă din baraj și fundație, asupra rezistenței șisturilor argiloase și a materialelor de umplutură hidraulică și, în cele din urmă, asupra stabilității versantului din amonte al barajului.

O evaluare post-eșec realizată de Westergaard (Casagrande, 1965) a sugerat că unghiul mediu de frecare de puțin mai mult de 4 grade a acționat de-a lungul bazei masei de alunecare în timpul cedării. Metoda pe care Westergaard a folosit-o pentru a estima rezistența a fost prin construirea unei linii între centrele de greutate estimate ale secțiunii transversale a terasamentului înainte și după, așa cum se arată în fotografia 6. Timp de mai bine de 80 de ani de la cedare, mulți cercetători și-au asumat provocarea de a analiza din nou „rezistența reziduală” medie a materialului din masa de cedare de la barajul Fort Peck. După cum rezumă Redlinger et al. (2018), se pare că evaluarea simplificată a lui Westergaard a fost destul de aproape de adevăr. Cu toate acestea, problema modului de estimare a rezistenței reziduale a materialelor potențial lichefiabile este încă o provocare majoră pentru ingineri.

Reexaminările din 2018 și 2019 (Redlinger et al, 2018; și Berre și Ferguson, 2019) ale eșecului au constatat că existau o serie de semne de pericol care indicau că eșecul era iminent. Acești indicatori de primejdie au inclus: 1) încovoierea căii ferate la stațiile 15-17, 2) așezarea conductei de suspensie și fisurarea longitudinală a terasamentului de-a lungul marginii amonte a crestei și 3) presiuni ridicate ale apei în terasament și infiltrații care emanau de la prima bancă (piatră de carieră) de-a lungul pantei amonte, sub bazinul central, în noaptea dinaintea cedării.

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

(2) Casagrande, A. (1936). Caracteristicile solurilor fără coeziune care influențează stabilitatea pantelor și a umpluturilor de pământ. Jurnalul Societății de Inginerie Civilă din Boston. Vol. 23, Nr. 1.

(3) Casagrande, A.. (1965). Rolul „riscului calculat” în ingineria terasamentelor și fundațiilor. The Terzaghi Lecture, Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division, Proceedings of the American Society of Civil Engineers.

(4) Gilboy, G. (1942). Discuție pe marginea articolului lui Middlebrooks „Fort Peck Slide”. Transactions of the American Society of Civil Engineers, Vol. 107, pp 725-755.

(5) Redlinger, C. G., Ferguson, K.A., și Berre, L. M. (2018). A 80-a aniversare a alunecării construcției barajului Fort Peck Dam. Conferința anuală a ASDSO. Seattle: Associate of State Dam Safety Officials.

(6) Corpul de ingineri al armatei SUA. (1939). Raport privind alunecarea unei porțiuni din fața amonte a barajului Fort Peck. U.S. Govt. Printing Office, Washington, D.C.

Acest rezumat al studiului de caz a fost revizuit de către Laila M. Berre, P.E., Manager al programului de siguranță a barajelor la US Army Corps of Engineers.

.