Невозможно было предвидеть то, что началось с проливных дождей 18 мая 2020 года и закончилось ужасающим разрушением плотин Эденвилл и Сэнфорд в шт. Мичиган, США.
Однако катастрофы можно было избежать — к таким выводам пришла независимая группа экспертов-криминалистов в своем отчете, опубликованном в сентябре 2021 года Федеральной комиссией по регулированию энергетики.
«Главным виновником здесь была плотина Эденвилл», — говорит Венсан Кастонгей, инженер по исследованиям в Seequent. «Если бы она не разрушилась, плотина Сэнфорд, скорее всего, стояла бы и сегодня».
19 мая в 17 ч 35 мин произошел прорыв плотины Эденвилл вследствие наводнения. Поток воды быстро перелился через плотину Сэнфорд ниже по течению, и стена воды продвигалась вдоль реки Титтабаваси.
Из-за наводнения пришлось эвакуировать более 10 000 человек из общин Мидлэндс, Сэнфорд и Саганар, вода затопила более 2500 зданий и причинила ущерб на сумму более 200 млн долларов. Поразительно, что обошлось без жертв.
Невероятно, но очевидцы засняли на видео именно тот момент, когда рухнула первая плотина.
«Для инженеров это важно, поскольку мы редко видим, как подобные события разворачиваются в реальном времени».
говорит Кастонгей. Благодаря этому группа экспертов-криминалистов смогла непосредственно сравнить результаты моделирования прорыва плотины в программном обеспечении GeoStudio с фактически записанными кадрами.
Результаты их анализа показали идеальное совпадение и помогли определить причину относительно редкого явления разрушения плотины — статического разжижения.
Крутые насыпи и рыхлый грунт
Эденвилл и Сэнфорд были двумя из четырех плотин, принадлежащих компании Boyce Hydro Power вдоль реки Титтабаваси и построенных в 1920-х годах для выработки гидроэлектроэнергии.
«Если бы плотина Эденвилл была построена сегодня, она не была бы подвержена статическому разжижению», — говорит Кастонгей. «Но ее построили 100 лет назад, до того, как люди пришли к нынешнему пониманию геотехнической инженерии и современных стандартов безопасности плотин».
В наши дни насыпи возводятся медленно снизу вверх плотно уплотненными, отдельными слоями или подъемами.
«Мы используем пологие склоны для повышения долгосрочной устойчивости, поскольку большинство грунтов на крутых склонах естественным образом неустойчивы,» —
говорит Кастонгей. «А на этапе проектирования мы строго контролируем типы используемого грунта при помощи постоянного тестирования, чтобы убедиться, что свойства соответствуют нашим предположениям или превосходят их».
Для 190-метровой плотины Эденвилл большая часть строительных проблем заключалась в использовании метода, называемого гидравлическим заполнением. «В основном нагромождение кучи рыхлой, насыщенной, неуплотненной породы», — говорит Кастонгей.
«Насыпь также была довольно крутой, 1,8 : 1 (горизонталь к вертикали) — коэффициент откоса, который вызвал бы удивление у любых инженеров, если только не уплотнить грунт как следует, но это не было сделано».
Плотина Сэнфорд была похожа на Эденвилл, но меньше по размеру, с оснащенным затворами регулируемым водосбросом, аварийным водосбросом и электростанцией.
«Несмотря на то, что обе плотины, возможно, были не самыми устойчивыми, они по-прежнему оставались крепкими и обладали запасом прочности, достаточным для обеспечения устойчивости в нормальных условиях эксплуатации», — говорит Кастонгей.
Тем не менее, геотехнический анализ группы экспертов-криминалистов, выполненный в программах GeoStudio SLOPE/W, SEEP/W и SIGMA/W, показал, что непрекращающиеся дожди привели к неуклонному повышению уровня водохранилища, что ухудшило устойчивость плотины.
«Мы говорим о рыхлых, пропитанных, насыщенных песках — идеальных условиях для статического разжижения, ведущего к разрушению плотины», — говорит он.
Собираем воедино головоломку статического разжижения
Экстремальное погодное явление подняло озеро Уиксом, искусственное водохранилище, перекрытое плотиной Эденвилл, до уровня, который был опасно выше, чем достигнутый когда-либо прежде.
Жители прибрежной территории, чьи дома располагались по всей периферии озера, нервно наблюдали, как вода поднялась до уровня, лишь на 30 см не доходящего до вершины насыпи.
По данным группы экспертов-криминалистов, за два дня до прорыва уровень водохранилища поднялся примерно на 1,8 метра (что на 0,9 метра превысило предыдущий рекорд высоты, установленный в 1929 году).
Программное обеспечение SEEP/W от GeoStudio использовалось для моделирования подъема уровня водохранилища во время дождя и его влияния на общую устойчивость плотины.
«То, как группа экспертов-криминалистов решила использовать наше программное обеспечение, на мой взгляд, наглядно демонстрирует обширный опыт и богатство знаний этой рабочей группы,» —
говорит Кастонгей. Анализ SEEP/W моделирует просачивание и перенос воды, происходящие в пористой среде, такой как земляная плотина.
«В этом случае группа экспертов-криминалистов смоделировала реакцию плотины Эденвилл на сильные дожди и то, как это повлияло на пьезометрический уровень внутри конструкции», — говорит Кастонгей.
В анализе устойчивости SLOPE/W использовались результаты SEEP/W, чтобы правильно установить, где располагался пьезометрический уровень, а затем рассчитать, насколько устойчивой или неустойчивой была плотина в различные моменты временной шкалы события.
«SLOPE/W был чрезвычайно полезен, чтобы понять, когда устойчивость была более слабой, а когда более надежной», — говорит Кастонгей.
Были превышены пределы устойчивости насыщенных грунтов
Но эти два типа анализа сами по себе не объясняют прорыв. Устойчивость не была достаточно слабой, чтобы произошло разрушение.
Что интересно, результаты SEEP/W и SLOPE/W были интегрированы в SIGMA/W для моделирования характеристик напряжение-деформация.
«В частности, условия напряжения внутри плотины, которые после расчетов помогли определить зону, где могло произойти статическое разжижение», — говорит Кастонгей.
Группа экспертов-криминалистов пришла к выводу, что по мере повышения уровня озера Уиксом гидравлическая нагрузка на насыпь увеличивалась, и нагрузка на земляное сооружение была больше, чем когда-либо раньше.
Из-за более высокого уровня вода могла поступать из водохранилища в проницаемые слои верхней насыпи. Это, вероятно, вызвало оседание, которое образовалась до разрушения, предупредив очевидцев о точном месте надвигающегося прорыва, который они смогли заснять на пленку.
«Увеличивающееся просачивание и возрастающее поровое давление воды насыщали неуплотненные песчаные грунты внутри конструкции. Снятие нагрузки с подошвы плотины было единственным фактором, необходимым, чтобы вызвать статическое разжижение и, как следствие, прорыв», — говорит Кастонгей.
Инновации для понимания экстремальных явлений
Работа любой группы экспертов-криминалистов состоит в том, чтобы восстановить историю, собрав воедино улики и придав смысл событиям.
«Как инструмент, позволяющий легко и просто решать сложные задачи, GeoStudio блистательно подходит для применения именно в этой ситуации,» —
говорит Кастонгей. «Это масштабируемое решение, которое может решать любые инженерно-геологические задачи по требованию».
Статическое разжижение представляет собой сложную проблему, но в этом случае группе экспертов-криминалистов удалось легко разгадать, как сильный ливень повлиял на устойчивость откоса, и рассчитать напряженное состояние плотины.
Водный режим изменился, слабое поровое давление воды возросло вследствие подъема уровня водохранилища, что привело к снижению эффективных напряжений и сопротивления.
«Польза продуктов GeoStudio, SLOPE/W, SEEP/W и SIGMA/W, иногда используемых последовательно, а иногда вместе, состояла в том, что группа экспертов-криминалистов смогла легко создать повествование, чтобы разобраться в явлениях разжижения и объяснить прорыв», — говорит Кастонгей.
«Заслуга полностью принадлежит их творческому решению — это был отличный способ решить действительно сложную задачу».