Плотина Остина, также известная как плотина Бейлесса, была спроектирована как гравитационная плотина, но катастрофически разрушилась 30 сентября 1911 года, в течение двух лет после строительства. Позже инженеры признали, что она разрушилась из-за сползания фундамента.
Фундамент плотины был построен на осадочных породах, а глубина фундамента составляла всего 1,2 м, что было значительно меньше. Ориентация разрушенных блоков плотины и другие свидетельства на месте происшествия указывали на то, что разрушение произошло в результате скольжения. Критической границей скольжения был сланцевый контакт, расположенный на небольшой глубине под основанием плотины.
Анализ устойчивости, основанный на испытаниях основания на прочность при сдвиге, показал, что плотина безопасна в отношении разрушения несущей способности, но небезопасна в отношении скольжения и опрокидывания. Самый низкий коэффициент безопасности 0,6 наблюдался в случае скольжения. К основным факторам, способствовавшим разрушению, относятся низкая прочность материалов фундамента на сдвиг, недостаточные меры по снижению давления при подъеме и слабый бетон.
Провал плотины Остин признан шестым по количеству человеческих жертв в истории США. В этой статье мы рассмотрели геологию места расположения плотины, особенности ее строительства, основные причины разрушения плотины и уроки, извлеченные из безопасности плотин.
Плотина Остин после завершения строительства
1. Геология участка плотины Остин
Плотина Остин расположена в разделе “Глубокие долины” физико-географической провинции Аппалачского плато в штате Пенсильвания. Ниже описана геология участка плотины Остин:
Расположение плотины Остин
2. Детали строительства плотины Остин
До строительства плотины Остин на том же месте существовала плотина меньшего размера. Владельцы плотины (Paper Mill и Bayless Pulp) решили построить более крупную плотину, чтобы увеличить производство. Предлагаемая плотина была бетонной гравитационной плотиной. Она была спроектирована таким образом, чтобы противостоять гравитационным и гидростатическим силам за счет трения о фундамент. Владельцы хотели закончить строительство плотины до наступления зимы.
Длина плотины Остин составляла 161 м и 166 м в основании и гребне, соответственно. Высота плотины составляла 15 м у гребня и 13 м у водосброса. Толщина плотины составляла 10 м у основания и 0,76 м у гребня. Плотина была рассчитана на пропускную способность 750 000 м3 воды за счет перекрытия долины Фриман Ран.
При строительстве плотины использовался циклопический бетон. Бетон состоял из кусков песчаника размером с валун, остальное содержание стандартного бетона. Всего при строительстве плотины было использовано 12 000 м3 циклопического бетона. Для усиления плотины использовалась витая стальная арматура диаметром 32 мм, расположенная на расстоянии 1 м друг от друга.
Поперечное сечение плотины Остин
Фундамент плотины состоял из тонких слоев сланцевой породы, зажатой между песчаником. Для строительства фундамента было вынуто в общей сложности 6500 м3 грунта, а для скрепления рыхлого материала использовалась уплотняющая цементация. Для основания плотины было предусмотрено основание размером 1,2 x 1,2 кв. м, а также уступы до 6 м в подстилающую породу.
Как и предполагалось ранее, строительство плотины не могло быть завершено к зиме. Однако владельцы настояли на продолжении строительства в зимний период, поэтому бетонные работы велись при отрицательных температурах. После завершения всех строительных работ, 1 декабря 1909 года, по плотине прошла большая трещина, и глыбы циклопического бетона получили трещины. Поскольку плотина была пустой, а фундамент плотины не имел видимого оседания, причиной образования трещин посчитали сжатие в бетоне.
3. Состояние плотины Остин перед разрушением
Через шесть недель после завершения строительства плотины водохранилище плотины было заполнено водой. 17 января 1910 года прошел сильный дождь, снег растаял, а теплая температура после дождя вызвала перелив воды через водосброс плотины. В результате в носовой части плотины наблюдалось сильное просачивание воды, что привело к растрескиванию нижней грани плотины.
Чтобы снизить уровень воды в водохранилище, владельцы решили использовать динамит для подрыва верхней части гребня плотины. Однако, как только уровень воды отступил, гребень плотины был восстановлен. После этого вода снова наполнилась до нормального уровня бассейна.
Использование динамита для взрыва двух выемок в гребне плотины
Во время проведения взрывных работ плотине был нанесен значительный ущерб. В общей сложности образовалось шесть заметных вертикальных трещин. Поскольку плотина была построена без строительных швов, образовавшиеся трещины разделили всю часть плотины на семь отдельных сегментов. Однако, чтобы спустить воду, необходимо было провести взрывные работы, поскольку плотина не имела затворов для спуска воды.
4. Подробности разрушения плотины Остина
Остинская плотина разрушилась 30 сентября 1911 года. В западном уступе плотины образовалась дыра, и под действием мощной силы воды бетонный блок плотины был вытолкнут и сполз вниз по течению. Большая волна поднялась между водохранилищем и нижним течением плотины и затопила город Остин. Остатки разрушенной плотины показаны на Рисунке 5 и Рисунке 7.
Когда вода достигла города Остин, она разрушила лесопилку и подняла бревна в качестве обломков. Удар волны был настолько сильным, что большинство зданий города было разрушено. На рисунке 8 показаны масштабы разрушений в Остине.
Остатки разрушенной плотины Остина
Быстро движущаяся вода разорвала большой газопровод и подожгла его, сжигая большую часть обломков, оставшихся после наводнения. В результате наводнения была разрушена система противопожарной защиты города. Кроме того, в 5 км ниже по течению от плотины стена воды полностью разрушила город Костелло. Город Уортон, расположенный в 13 км от Костелло, также сильно пострадал, но обошлось без жертв.
5. Основные причины разрушения плотины Остин
Было начато два отдельных расследования: одно – Комиссией по водным ресурсам штата Пенсильвания, другое – окружным прокурором округа Поттер, где находился город Остин. Инженер плотины, Чалкли Хаттон, утверждал, что его проект был бы правильным, если бы фундамент не был подорван просачиванием воды. Он утверждал, что посоветовал владельцам построить бетонированную отсекающую траншею выше по течению, но эта рекомендация не была выполнена.
Хаттон также обвинил некачественную практику строительства, когда бетон укладывался при температуре ниже нуля и не было достаточно времени для затвердевания бетона до ввода плотины в эксплуатацию. Даже по стандартам 1909 года исследования основания плотины были неадекватными, а методы строительства – недостаточными. Валуны из циклопического песчаника сами по себе были слабыми, о чем свидетельствуют трещины в них, когда плотина дала первые трещины.
Циклопический бетон, использованный при строительстве плотины Остина
Исследования также показали, что трещины соответствовали холодным швам между бетоном, залитым в разные дни. Грани всех трещин, кроме двух, были обесцвечены, что указывает на то, что они появились за некоторое время до разрушения плотины. Раскопки фундамента показали, что значительное просачивание воды подорвало фундамент. Блок подстилающей породы сполз вниз по течению вместе с самой плотиной. Из-за просачивания воды гидростатическая сила, поднимающая гравитационную плотину (уменьшающая трение), оказалась намного больше, чем предполагалось при проектировании.
Редактор независимой инженерной новостной организации Шмитт также расследовал катастрофу. Он обследовал обломки в полевых условиях, нанеся на карту окончательное расположение блоков. Шмитт определил два заметных пролома в плотине, один в 30 м от левого упора, а другой на таком же расстоянии от правого упора. В каждом проломе в левом и правом уступе два блока были сдвинуты вниз по течению примерно на 9 и 30 м соответственно.
Плотина Остин после разрушения
5.1 Роль геологии
Геология участка и материалы на месте объясняют разрушение от скольжения. Заметно поднятые и смятые массы слоистых сланцевых пластов указывают на огромное давление вниз по течению между двумя разрушенными бетонными секциями.
Геология участка состояла из тонкого слоя песчаника между двумя слоями сланца. Основание плотины лежало на песчанике. Плоскость скольжения развивалась в нижнем слое сланца, а верхний слой песчаника скользил вместе с бетонными блоками. Толщина слоя песчаника, который, по мнению проектировщика, служил подходящим фундаментом, составила всего 0,6 м.
Геология сыграла значительную роль в катастрофе в Остине. Если бы фундамент плотины был углублен в коренные породы, это могло бы предотвратить подпор, который в конечном итоге привел к высокому давлению, вызвавшему неустойчивость конструкции.
Подъемное давление снижает эффективный вес и, следовательно, устойчивость бетонной плотины. Когда эффективный вес плотины уменьшается, горизонтальная сила водной нагрузки может сдвинуть конструкцию. Кроме того, если бы основание было принято ниже сланцевого слоя, устойчивость плотины была бы значительно повышена.
5.2 Роль основания
Провал этой плотины произошел не из-за плохого качества изготовления, а из-за неправильного определения требований к ее фундаменту. Самая большая ошибка, допущенная при строительстве плотины, заключалась в том, что скальное основание было непроницаемым.
Мельница Бейлесса накладывала серьезные ограничения на конструкцию плотины. Если бы плотина имела отсекающую стенку фундамента, уходящую достаточно далеко в коренные породы, это предотвратило бы просачивание, но эта идея была отвергнута из-за дополнительных расходов.
5.3 Роль органов управления плотиной
Эксплуатация плотины также была явно виновата. Как только в плотине появились трещины, должны были быть приняты более жесткие меры для обеспечения безопасности населения, проживающего ниже по течению. Первая трещина была более чем достаточным предупреждением, но строительство продолжалось без каких-либо изменений. Последствия второй трещины также были проигнорированы.
Взрывать отверстия в плотине, что они сделали, чтобы снизить уровень воды, было большой, нелепой ошибкой, которая, вероятно, ослабила все, что осталось от целостности конструкции. Когда власти проигнорировали рекомендации инженера по ремонту, судьба плотины была предрешена. Хотя после появления трещин в декабре 1909 года водохранилище не должно было быть заполнено, его определенно следовало полностью ликвидировать после катастрофы в январе 1910 года.
6. Последствия разрушения плотины Остин
В Пенсильвании с разницей в два десятилетия произошли две аварии плотин со значительными человеческими жертвами – плотины Саут-Форк в Джонстауне и плотины Остин. Неудивительно, что вскоре после провала плотины Остин в Пенсильвании был принят закон, призывающий к государственному надзору за проектированием, строительством и эксплуатацией плотин и водохранилищ.
Таким образом, в Пенсильвании была инициирована комплексная программа по обеспечению безопасности плотин для предотвращения повторения подобных катастроф. Прорыв плотины в Остине повысил осведомленность населения о безопасности плотин и преподал ценные уроки по предотвращению подобных трагедий в будущем.
Гибель людей после разрушения плотины в Остине
7. Извлеченные уроки
У плотины Остин было две серьезные проблемы. Первая – это неадекватный проект фундамента, а вторая – некачественная бетонная конструкция. Способ разрушения ясно показывает, что плотина разделилась на отдельные блоки. Это свидетельствует о том, что самым решающим фактором было низкое трение об основание плотины.
Очевидно, что гравитационная плотина, опирающаяся на сланец, могла бы сопротивляться давлению воды неограниченно долго, если бы плотина не треснула. Тем не менее, низкое качество бетонной конструкции также сыграло определенную роль. Трещины и слабость бетона разделили плотину на блоки, и как только самый слабый блок начал сползать, проломы расширились. Трещины в плотине позволяют гидростатическому давлению работать на разрушение плотины.
Время и экономические трудности поставили под угрозу безопасность плотины. Решение опустить стену отсечения фундамента из первоначального проекта в сочетании с отказом оплатить траншею для отсечения бетона выше по течению обрекало плотину на разрушение в результате скольжения. Поспешное завершение строительства плотины до наступления зимы привело к замораживанию бетона, а раннее замораживание значительно снижает прочность бетона.
Бетон усаживается, и если усадку не сдерживать, как в случае с длинной гравитационной плотиной, он растрескается. Поэтому в бетонных конструкциях обычно закладывают контрольные швы или проектируют трещины. В бетонных плотинах контрольные швы снабжены гидрозатворами, чтобы вода не проникала внутрь плотины и не ослабляла ее. Трещины, разделившие плотину Остин, возникли практически в тех местах, где должны были быть предусмотрены контрольные швы, разделяющие разрушенную плотину на блоки примерно равных размеров.
Часто задаваемые вопросы
Какова была емкость водохранилища плотины Остин?
Водохранилище плотины Остин было рассчитано на 750 000 кубических метров воды.
Какова была высота плотины Остин?
Плотина Остин была спроектирована как бетонная гравитационная плотина высотой 15 м.
Какова была основная причина разрушения плотины Остин?
Плотина Остин разрушилась из-за скользящего разрушения. Критической границей скольжения был сланцевый контакт, расположенный на небольшой глубине под основанием плотины.
Топ-5 самых крупных разрушений плотин в мире
Всемирный торговый центр: Причины разрушения здания после теракта 9/11
Пизанская Наклонная башня: Архитектурное чудо или инженерная неудача?
Читайте далее:- Топ-5 крупнейших провалов плотин в мире.
- Мосульская плотина в Ираке: Самая опасная плотина в мире.
- 21 тип плотин в строительстве.
- Воздействие плотин на окружающую среду.
- Типы плотин и поток через плотины.
- Причины разрушения земляных плотин.
- Разрушение гравитационных плотин – причины и способы разрушения.