Beskrivning och bakgrund

Beskrivning och bakgrund

Med början omkring kl. 13.15 den 22 september 1938 inträffade ett stort brott i uppströmsbacken av dammen i anslutning till det högra överbyggnadsdelen när byggnadsarbetet hade framskridit till sex meter från den slutliga höjden för dammens krön (se bild 1). Ett hundra åttio män arbetade i området. Trettiofyra män skadades. Åtta män miste livet, varav sex aldrig hittades och är begravda någonstans i dammen.

Denna fallstudie innehåller en sammanfattning av 1) ansträngningarna för att utreda och förstå orsaken till brottet, och 2) kontroversen kring utvärderingen av grundorsaken. Konsultstyrelsen för projektet kom fram till att haveriet berodde på den otillräckliga skjuvhållfastheten hos de vittrade skiffer- och bentonitfogarna i det högra överbyggnaden uppströms och dammbyggnaden (se bild 2). De angav vidare att ”den omfattning i vilken glidningen fortskred uppströms kan i viss utsträckning ha berott på en partiell förtätning av materialet i glidningen.”

Under den förnyade granskningen av haveriet 2018 (Redlinger et. al., 2018, Berre och Ferguson, 2019) konstaterades att det har gjorts betydande tekniska framsteg när det gäller karakteriseringen av skjuvningshållfastheten hos lermaterial. De farhågor som är relaterade till de vittrade skiffer- och bentonitlagren som tros ha utlöst Fort Peck-backenbrottet förtjänar fortsatt granskning under den periodiska omvärderingen av riskerna. Bidraget från förvätskning under byggtiden har varit i fokus för flera undersökningar för att bedöma den hydrauliska fyllningens och den ytliga fundamentsandens förvätskningshållfasthet. Grundorsaken kan tillskrivas begränsningarna i den teknik för dammbyggnad som fanns tillgänglig vid den tiden. Det fanns inga laboratorietester eller konstruktionsförfaranden för skjuvhållfastheten hos a) lerskifferna i det högra överbyggnaden uppströms (som kan ha utlöst brottet) och b) den potentiellt flytande hydrauliska fyllningen som användes för att bygga dammen och de grunda sandmaterialen. Teknik finns idag för att bedöma dessa mekanismer och bekräfta konstruktionens säkerhet.

Fort Peck-backen hade en betydande inverkan på U.S. Army Corps of Engineers (och hela branschen) konstruktionsmetoder och byggnadsrutiner. Vidare upphörde användningen av konstruktionsmetoder med hydraulisk fyllning för valldammar i allmänhet i USA efter Fort Peck-dammhaveriet.

Perinent data om Fort Peck-dammen och reservoaren är följande:

• Hydrauliskt fylld & rullad jordfyllningsdamm med en avskärande vägg i form av en spånpålsfundament.
  • 125 628 000 kubikyard fyllning.
  • 3 000 000 kubikyard grus placerat i uppströms och nedströms grusåsar.
• Längd (inklusive dikesdelen) – 21 026 fot.
• Maximal höjd över vattendraget – 250 fot.
• Maximal bredd vid basen – 4 900 fot.
• Bredd på krönet – 50 fot.
• Slutningsdatum – 24 juni 1937.
• Total maximal lagringskapacitet: 18 463 000 ac-feet
• Installerad kapacitet: 185 MW
• Kapacitet för utskov: 275 000 cu ft/sek

Hydraulisk fyllning valdes ut som det mest kostnadseffektiva alternativet för att konstruera vallen, annars skulle kostnaden för att bygga dammen inte ha varit ekonomiskt försvarbar. Stängningen av huvudflodens kanal med avledning av floden genom tunnlarna avslutades den 24 juni 1937, vilket möjliggjorde en mer aggressiv massplacering av den återstående vallfyllningen. Övervakning för att upptäcka problem med den hydrauliska fyllningen var en daglig rutin. När fyllningen steg gick arbetarna rutinmässigt längs slyreledningarna på dammen för att leta efter nedgångar, och det krävdes daglig rapportering på grund av oron för att överväldiga banken uppströms.

USA:s myndighet för vattenbyggnad och vattenbyggnad har en omfattande erfarenhet av att undersöka och analysera vattenbyggnadsfrågorna. Army Corps of Engineers (USACE) rapport om glidningen (1939) noterar följande:

”På morgonen den 22 september 1938 gjordes den sedvanliga inspektionen av huvudingenjören med ansvar för konstruktionen, hans assistent, fyllnadsinspektören, den biträdande inspektören med ansvar för dämmena och inspektionsstyrkan för fyllningen.”

Omkring klockan 10 på förmiddagen diskuterades deras resultat vid den konferens som hölls på krönet av den uppströms liggande väggen nära station 15+10. Fyllnadsinspektörerna och den biträdande byggnadsinspektören konstaterade att det inte verkade finnas tillräckligt fribord. En omedelbar inspektion av den punkten avslöjade genom grova mätningar att höjden på rörledningens botten ovanför kärnbassängen endast var 30 tum, medan den borde ha varit 4,5 fot. …. Omkring klockan 11.45 lämnade besättningen följande uppgifter:

Station 15 – Rörledning 3 fot över kärnbassängen; (borde ha varit 4 1/2 fot)
Station 16 – 3 fot; borde ha varit 4 1/2 fot
Station 17 – 2,8 fot (borde ha varit 4 1/2 fot)”

Vid denna tidpunkt var höjden på kärnbassängen 2252, reservoarens höjd var 2117,5 och dammen höll på att färdigställas. När ytterligare observationer bekräftade att vattennivån i kärnbassängen inte hade förändrats från dagen innan, insåg man att vallen uppströms nära det högra stödjepelaren (österut) uppenbarligen höll på att sätta sig. Projektledaren Clark Kittrell åkte till platsen tidigt på eftermiddagen. Hans chaufför, Eugene Tourlotte, kom västerifrån och anlände till platsen omkring kl. 13.15. Tourlotte såg att skalet uppströms började röra sig under bilen, han bromsade och körde baklänges i hög hastighet för att lyckas undvika glidningen. Under de följande tio minuterna befann sig järnvägsspår, tåg, båtar, rörledningar och trettiofyra män på den 1700 fot breda massan när den gled. Över 5 miljoner kubikyard material lossnade från dammen och fem procent av konstruktionen förstördes. När den stannade var en del av utrustningen nedsänkt och åtta män var döda, begravda i glidningen. Tjugosex män klarade sig igenom glidningen.

Foto 3 visar en illustration av planritningen av dammen nära det högra överbyggnaden där brottet inträffade före och efter glidningen. Observera att det område där brottet inträffade var den enda platsen längs dammens uppströms sluttning där det inte fanns någon stabilitetsberm. Foto 4 visar ett tvärsnitt genom brottet som visar hur vallen såg ut före och efter brottet. Den snabba höjningen av krönet i kombination med den sänkta reservoarpölen mellan juli och september (visas i rött) skapade tillsammans den odränerade belastning som orsakade brottet.

Omedelbart efter skredet utökades den ursprungliga styrelsen för utformningen av dammen till att omfatta:

• Dr. Arthur Casagrande – professor i jordmekanik vid Harvard University
• Mr. I.B. Crosby – konsulterande ingenjörsgeolog
• Dr. Glennon Gilboy – konsulterande ingenjör, tidigare professor i markmekanik vid MIT
• Mr. Joel D. Justin – ordförande, konsulterande ingenjör Phil. PA, medförfattare till ”Engineering for Dams”
• Mr William H. McAlpine – Office of the Chief of (USACE) Engineers
• Mr C. W. Sturtevant – Division Engineer

Efter ett omfattande program för karakterisering av platsen och laboratorietester i det område där skredet inträffade, kom konsultstyrelsen fram till följande slutsats om orsaken till skredet sex månader efter det att det inträffat:

”Efter noggrant övervägande av alla relevanta uppgifter har styrelsen dragit slutsatsen att glidningen i den uppströms belägna delen av dammen nära det högra överbyggnaden berodde på att skjuvningsmotståndet hos de vittrade skiffer- och bentonitfogarna i fundamentet var otillräckligt för att motstå de skjuvningskrafter som fundamentet utsattes för. Den utsträckning i vilken glidningen fortskred uppströms kan i viss mån ha berott på en partiell förtvätning av materialet i glidningen.” Board Report

Denna korta slutsats om orsaken till haveriet från styrelsen betonar skjuvhållfastheten hos skiffer- och bentonitfogarna i fundamentet. Det kan tyckas uppenbart med tanke på att den högra delen av glidningen var den enda plats där en del av dammen sannolikt grundades direkt på en hylla i skiffermaterialen och det var där de första rörelserna upptäcktes. När toppen av skiffern dök ner under den vänstra delen av skredet begravdes skiffern till ett maximalt djup av cirka 40-60 fot alluvium vid den vänstra gränsen av skredet, åtminstone i centrumlinjen. Den bakre analys som låg till grund för den nya konstruktionen fokuserade på styrkan hos bentonitskiffermaterialen medan laboratorietester genomfördes för att ta upp styrkan hos lerskifferna och för att avgöra om det hade förekommit förflytning (U.S. Army Corps of Engineers, juli 1939).

Två av de nio styrelseledamöterna, Merriman och Mead, undertecknade inte rapporten: En av tekniska skäl och en av mer filosofiska skäl. Ett par av styrelseledamöterna (dr Casagrande och Gilboy) var övertygade om att det hade uppstått en förflytning trots att resultaten från laboratorietesterna för att uppskatta det kritiska tomrumsförhållandet (Casagrande, 1936) för den hydrauliska fyllningen visade att materialen inte skulle ha blivit förflytande (Middlebrooks, 1942). Gilboy, i sin diskussion om Middlebrooks’ artikel från 1942, uttryckte först åsikten hos minoriteten i styrelsen som drog slutsatsen ”att vätskningen utlöstes av skjuvbrott i skiffern, och att den stora omfattningen av brottet huvudsakligen berodde på vätskningen”. Casagrande förblev tyst i frågan fram till sin Terzaghi-föreläsning 1965, där han avslöjar att språket i styrelsens rapport var ”en kompromissformulering för att överbrygga den stora klyftan mellan åsikterna hos de konsulter som undertecknade rapporten”. Casagrande fortsätter med att säga att ”Gilboy och jag delade uppfattningen att flytningen huvudsakligen var koncentrerad till den fina sandzonen i skalet intill kärnan, och att flytningen kan ha spridit sig till den underliggande tungt belastade grundsanden”.”

En detaljerad genomgång av den teknik som fanns tillgänglig vid konstruktionstillfället och utvärderingen efter haveriet, tillsammans med de mänskliga faktorer som spelade in mot bakgrund av den otillräckliga tekniken som nyligen utfördes av Redlinger, Ferguson och Berre (Redlinger, et al, 2018) samt Berre och Ferguson (ASDSO-webbseminarium, augusti, 2019). I dessa granskningar konstaterades följande:

1. De viktigaste bidragande faktorerna som bidrog till brottet i dammens uppströmsbacke var förknippade med den otillräckliga tekniken och konstruktionsförfarandet som var förknippade med båda följande:
   • skjuvhållfastheten hos grundmaterialen av lerskiffer, inklusive det som vi numera kallar ”resthållfasthet”, och
   • hållfasthetskaraktäriseringen hos de hydrauliska fyllnadsmaterialen och mekanismen för ”liquefaction”.
2. Klassificeringen av lerskiffer och inverkan av slickensidor, förkastningar och andra förskjutna ytor var inte väl förstådda. Man förutsåg inte heller risken för att höga portryck skulle utvecklas i de styva sprickiga skifferna till följd av konstruktionsbelastningar. Det jordklassificeringssystem som användes var av begränsat värde jämfört med den enhetliga klassificering som skulle komma nästan två decennier senare.
3. Karakterisering av skjuvhållfastheten hos grundläggningsmaterialen, inklusive bentonitfogarna i lerskifferna, var ännu inte en standardmetod för konstruktion. Även om frågan om hållfastheten hos dessa material och potentialen för brott hade identifierats, var en fullständig förståelse av hållfasthetsegenskaperna och förmågan att karakterisera hållfastheten för utformning begränsad. Dessa hållfastheter identifierades inte förrän vid undersökningarna efter brottet. Undersökningarna efter brottet visade på bentonitmaterial med en hållfasthet som var så låg som knappt 9 grader (se bild 5). Såvitt författaren vet var användningen av en lägre hållfasthet som motsvarar vad vi i dag skulle klassificera som ”resthållfasthet” hos lerskiffern i konsultstyrelsens analys av släntbrottet den första tillämpningen av en sådan hållfasthet vid utformningen av en sluttning för en damm.
4. Men även om man började förstå begreppet förflytning (kritisk densitet/tomt förhållande, Casagrande, 1936) utifrån ett antal fallbeskrivningar, t.ex. brottet vid Calaveras-dammen i Kalifornien (1918), var förmågan att på ett korrekt sätt karakterisera och bedöma den faktiska hållfastheten hos de hydrauliska fyllnadsmaterialen, antingen under projekteringen eller som en del av bedömningen efter brottet, i bästa fall begränsad. Vidare fanns det ingen förståelse för hur byggnadshastigheten och bassinsänkningen som inträffade från perioden 20 juli till 22 september skulle påverka vattentrycket i dammen och fundamentet, hållfastheten hos lerskifferna och de hydrauliska fyllnadsmaterialen och i slutändan stabiliteten hos dammens uppströmsbacke.

En utvärdering efter haveriet som gjordes av Westergaard (Casagrande, 1965) föreslog att en genomsnittlig friktionsvinkel på drygt 4 grader verkade längs basen av glidmassan under haveriet. Den metod Westergaard använde för att uppskatta styrkan var genom att konstruera en linje mellan de uppskattade tyngdpunkterna i tvärsnittet före och efter vallen, vilket visas på bild 6. Under de mer än 80 år som gått sedan brottet har många forskare tagit sig an utmaningen att bakåtanalysera den genomsnittliga ”reststyrkan” hos materialet i brottsmassan vid Fort Peck-dammen. Som sammanfattas av Redlinger et al (2018) verkar det som om Westergaards förenklade utvärdering låg ganska nära målet. Frågan om hur man ska uppskatta reststyrkan hos potentiellt flytande material är dock fortfarande en stor utmaning för ingenjörer.

I de förnyade undersökningarna (Redlinger et al, 2018; och Berre och Ferguson, 2019) av haveriet 2018 och 2019 konstaterades att det fanns ett antal nödsignaler som tydde på att haveriet var nära förestående. Dessa nödindikatorer omfattade bland annat följande: 1) böjning av järnvägsspåren vid station 15 till 17, 2) sättning av slyröret och längsgående sprickbildning i banvallen längs krönets uppströms, och 3) höga vattentryck i banvallen och läckage som utgick från den första bänken (stenbrott) längs den uppströms belägna sluttningen nedanför kärnbassängen kvällen före haveriet.

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

(2) Casagrande, A. (1936). Egenskaper hos kohesionsfria jordar som påverkar stabiliteten hos sluttningar och jordfyllningar. Journal of the Boston Society of Civil Engineer. Vol. 23, No. 1.

(3) Casagrande, A.. (1965). Den ”beräknade riskens” roll i jord- och grundläggningsteknik. 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. ASDSO:s årliga konferens. 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.

Denna sammanfattning av fallstudien har granskats av Laila M. Berre, P.E., Dam Safety Program Manager vid US Army Corps of Engineers.