ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΓΕΩΛΟΓΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΤΕΧΝΙΚΗΣ ΓΕΩΛΟΓΙΑΣ ΜΑΘΗΜΑ: ΤΕΧΝΙΚΗ ΓΕΩΛΟΓΙΑ
ΕΞΑΜΗΝΟ: 7ο
1η ΑΣΚΗΣΗ:
ΟΝΟΜΑΤΕΠΩΝΥΜΟ ΦΟΙΤΗΤΗ:……………………………………
ΔΙΔΑΣΚΟΝΤΕΣ: Β. ΧΡΗΣΤΑΡΑΣ, Καθηγητής Β. ΜΑΡΙΝΟΣ, Λέκτορας
.………….……………………………………...…ΗΜ/ΝΙΑ: …………. Τίτλος άσκησης: Η σηµασία του γεωλογικού µοντέλου για τα τεχνικά έργα: Οι συνέπειες της άγνοιας ή λανθασµένης ερµηνείας του. Η µεγάλη αστοχία του φράγµατος Malpasset Το τοξωτό φράγµα του Malpasset (ΝΑ Γαλλία), κατασκευάστηκε για υδρευτικούς και αρδευτικούς σκοπούς το 1954 και καταστράφηκε το 1959, όταν και για πρώτη φορά το νερό της λίµνης έφθασε σε υψηλή στάθµη. Τα χαρακτηριστικά του παρουσιάζονται στα Σχήµατα 3 και 12. Τα αποτελέσµατα της γεωλογικής µελέτης του φράγµατος πριν από την κατασκευή του έδωσαν τα εξής: •
Η θέση κατασκευής αποτελείται από γνευσίους (Σχήµα 1)
•
Οι γνεύσιοι αν και ελαφρά ρωγµατωµένοι έδειξαν ότι προσφέρουν µεγάλη αντοχή στη στήριξη του έργου (Σχήµα 10)
•
Η φολίδωση του γνευσίου έχει φορά κλίσης από τα ανάντη προς τα κατάντη (Σχήµα 1).
•
Οι δοκιµές υδροπερατότητας, µε εισπιέσεις ύδατος, έδειξαν ότι οι γνεύσιοι κάτω από τη θέση του φράγµατος είναι γενικά στεγανοί.
Η γεωλογική-γεωτεχνική µελέτη, όπως αποδείχθηκε εκ των υστέρων, δεν ήταν πλήρης.
Σχήµα 1. Θέση θεµελίωσης τοξωτού φράγµατος Malpasset µετά την αστοχία του. Διακρίνεται ο γνεύσιος και η φολίδωση του (προς τα κατάντη) και ο εκκενωτής πυθµένα.
Σχήµα 2. Τοξωτό φράγµα Malpasset (πρίν την αστοχία)
Σχήµα 3. Χαρακτηρίστηκα τοξωτού φράγµατος Malpasset.
Σχήµα 4. Τοξωτό φράγµα Malpasset (µετά την αστοχία). Λήψη φωτογραφίας από τα κατάντη.
Φάση πλήρωσης του φράγµατος Η φάση πλήρωσης είναι η πιο κρίσιµη για τη ζωή του φράγµατος. Η πλήρωση του φράγµατος άρχισε το 1954 και το Μάιο του ίδιου χρόνου έφτασε το 60,60m υψόµετρο (βλέπε Σχήµα 5). Από τότε και µέχρι το 1959, η στάθµη δεν ανέβηκε πιο ψηλά γιατί προέκυψαν διαφωνίες µε τις απαλλοτριώσεις των περιοχών που θα κατακλύζονταν (το περίσσευµα νερού έφευγε από τον εκκενωτή πυθµένα). Η τελική πλήρωση του φράγµατος άρχισε το 1959. Έτσι, στις 15 Νοεµβρίου και αφού προηγήθηκαν κατακλυσµιαίες βροχές (500mm σε δύο εβδοµάδες), η στάθµη έφτασε για πρώτη φορά, στο υψόµετρο 95,20m λίγο κάτω από την υπερχείλιση που ήταν στα 100,40m. Ο φύλακας τότε του φράγµατος επεσήµανε τη δηµιουργία µικρών πηγών σε απόσταση 20m κατάντη της δεξιάς πλευράς του έργου (δεξιό αντέρεισµα, όπως κοιτάµε από ανάντη προς τα κατάντη), η παροχή των οποίων αυξανόταν µε την άνοδο της στάθµης της λίµνης. Η κατάσταση κρίθηκε τότε ανησυχητική και στις 18:00, στις 2 Δεκεµβρίου, δόθηκε η εντολή να ανοίξει ο εκκενωτής πυθµένα για το άδειασµα της λίµνης. Στις 21:00 και ενώ η στάθµη είχε κατέβει µερικά µόλις εκατοστά, ο φύλακας που βρισκόταν 1.5Km µακριά, ακούει θορύβους θραύσεων και δέχεται ένα ωστικό κύµα: το φράγµα είχε καταστραφεί ακαριαία. Το πελώριο κύµα νερού, µαζί µε τα συµπαρασυρόµενα υλικά, όρµησε προς τα κατάντη και µέσα σε 21 λεπτά της ώρας έφτασε στην πόλη Frejus της Κυανής Ακτής, 9Km µακριά, όπου και προκάλεσε εκατοντάδες θύµατα.
Σχήµα 5. Τοξωτό φράγµα Malpasset κατά τη φάση πλήρωσής του. Η στάθµη µέχρι το 1959 δεν ανέβηκε πιο ψηλά γιατί προέκυψαν διαφωνίες µε τις απαλλοτριώσεις των περιοχών που θα κατακλύζονταν
Κατάσταση φράγµατος µετά την καταστροφή •
Στο αριστερό τµήµα του φράγµατος (αριστερό αντέρεισµα) δεν έµεινε τίποτα απ’ αυτό. Επίσης σηµαντικός όγκος από το γνεύσιο της θεµελίωσης, εκτινάχθηκε και παρασύρθηκε από το κύµα (βλέπε Σχήµα 7).
•
Το δεξιό τµήµα του φράγµατος δεν έσπασε αλλά µετατοπίσθηκε λίγα dm προς τα κατάντη (βλέπε Σχήµα 6).
•
Το κεντρικό τµήµα αντιστάθηκε µερικώς µόνο.
Κατάσταση εδάφους θεµελίωσης µετά την καταστροφή •
Στο αριστερό αντέρεισµα και λίγο κατάντη του φράγµατος, αποκαλύφθηκε κατοπτρική επιφάνεια ρήγµατος (σκιασµένο τµήµα χάρτη στο Σχήµα 13 και Σχήµα 8). Η κατοπτρική επιφάνεια έχει δηµιουργήσει το νέο τοπογραφικό ανάγλυφο στη θέση αυτή. Το ρήγµα δεν είχε παρατηρηθεί στη µελέτη του φράγµατος πιθανώς λόγω έντονης φυτοκάλυψης. Αλλά ούτε οι γεωτρήσεις το είχαν εντοπίσει σε βάθος (κακή δειγµατοληψία?). Το δίεδρο που δηµιουργήθηκε στο έδαφος από την εκτίναξη έχει για την µια πλευρά του την επιφάνεια του ρήγµατος και για την άλλη επιφάνεια φολίδωσης του γνευσίου.
•
Πίσω από το δεξιό τµήµα του φράγµατος, που παρέµεινε, ο γνεύσιος παρουσιάζει µια κατά µήκους µεγάλη ανοικτή ρωγµή, σύµφωνα µε την διεύθυνση της φολίδωσης, που δείχνει γιατί µετατοπίστηκε το δεξιό τµήµα (Σχήµα 9).
Σχήµα 6. Το δεξιό τµήµα του φράγµατος δεν έσπασε αλλά µετατοπίσθηκε λίγα cm προς τα κατάντη.
Σχήµα 7. Στο αριστερό τµήµα του φράγµατος (αριστερό αντέρεισµα) δεν έµεινε τίποτα απ’ αυτό. Επίσης εκτινάχθηκε σηµαντικός όγκος από το γνεύσιο της θεµελίωσης.
Σχήµα 8. Στο αριστερό τµήµα και λίγο κατάντη του φράγµατος, αποκαλύφθηκε κατοπτρική επιφάνεια ρήγµατος (επιφάνεια όπου «ακουµπά» το πεσµένο τέµαχος- διακεκοµµένη γραµµή). Η επιφάνεια αυτή αποτελεί την κατάντη επιφάνεια του δίεδρου που δηµιουργήθηκε από την εκτίναξη. Η ανάντη επιφάνεια είναι µια από τις επιφάνειες σχιστότητας.
Σχήµα 9. Αµέσως πίσω από το φράγµα (ανάντη), στο δεξιό αντέρεισµα, σχηµατίστηκαν ανοικτές ρωγµές κατά µήκος των επιφανειών φολίδωσης (σχιστότητας) µε κλίση προς τα κατάντη
ΖΗΤΟΥΝΤΑΙ: 1.
Χαράξτε το ρήγµα FF στην επιφάνεια του εδάφους σ’ όλη την περιοχή του φράγµατος (τοπογραφικός χάρτης µετά την εκτίναξη) και βρείτε την διεύθυνση και κλίση του.
2.
Σχεδιάστε τις τοµές ΑΑ’, ΒΒ,΄ ΓΓ και ΔΔ΄, στις οποίες να φαίνεται η θέση του φράγµατος ή τα κατά περίπτωση υπολλείµατά του, καθώς και το ρήγµα F, που διαπιστώθηκε. Υποτίθεται ότι τόσο η διεύθυνση όσο και η κλίση του ρήγµατος δεν µεταβάλλεται σε όλη την έκταση του χάρτη. Να συµβολισθούν επίσης σχηµατικά οι ανοικτές ρωγµές οι οποίες διαπιστώθηκαν ανάντη του φράγµατος, καθώς και η φολίδωση (σχιστότητα) του γνευσίου (λάβετε µέση κλίση 45ο).
3.
Μετά την καταστροφή του φράγµατος έγιναν οι γεωτρήσεις F4, H3, I2 (βλέπε Σχήµα 13), µε σκοπό την έρευνα των αιτιών της θραύσης του. Έτσι η γεώτρηση I2 συνάντησε µέσα στον γνεύσιο ζώνη µυλονιτιοµένη στα 28m απόλυτο υψόµετρο, η Η3 στα 24m και η F4 στα 28m. Η µυλονιτιοµένη ζώνη αποτελείτο από αργιλικό υλικό πάχους 0,5-1,0m (Σχήµα 11). Εξ’ άλλου, το ίδιο αργιλικό παρατηρήθηκε πάνω στην κατοπτρική επιφάνεια του ρήγµατος, που αποκαλύφθηκε, µετά την ανατίναξη του τεµάχους βράχου-. Λαµβάνοντας υπόψη τα νέα αυτά δεδοµένα, χαράξτε πάλι στο χάρτη την εµφάνιση του ρήγµατος F΄, δεχόµενοι περαιτέρω την πιο αληθοφανή υπόθεση ότι η διεύθυνση του ρήγµατος είναι σταθερή µόνο κατά µήκος της ισοτονικής (παράταξης) 55m.
Σχήµα 10. Δείγµα υγιούς γνευσίου (από γεώτρηση) στη περιοχή του έργου
Σχήµα 11. Οι γεωτρήσεις συνάντησαν µέσα στον γνεύσιο µυλονιτιοµένηζώνη από αργιλικό υλικό πάχους 0,5-1,0m.
4.
Οι µελέτες για την εξήγηση της θραύσης του φράγµατος απέδειξαν ότι αυτή δεν οφείλεται ούτε στον κακό υπολογισµό της κατασκευής, ούτε στην κακή ποιότητα του σκυροδέµατος. Τα αίτια καταστροφής εντοπίζονται στην λανθασµένη εκτίµηση του γεωλογικού µοντέλου. Να βρείτε, κατά τη γνώµη σας, τα αίτια της καταστροφής και περιγράψτε ενδεικτικά το µηχανισµό της. Δώστε οπωσδήποτε σκαριφιµατική τοµή.
5.
Σε ποια από τις δύο περιπτώσεις, µεταξύ των υποθέσεων της 2ης και 3ης ερώτησης, οι συνθήκες της καταστροφής ήταν ευνοϊκότερες (για να συµβεί η καταστροφή δηλαδή).
6.
Στην περίπτωση πρόβλεψης του µηχανισµού αστοχίας που τελικά εκτιµήσατε, ποια είναι τα µέτρα που θα προτείνατε για την αποφυγή της αστοχίας;
7.
Την εποχή µελέτης του φράγµατος οι µέθοδοι γεωλογικής έρευνας ήταν περιορισµένες. Ποιες έρευνες θα προτείνατε-συγκεκριµένα- για την σύνταξη του γεωλογικού µοντέλου και την πρόβλεψη του µηχανισµού αστοχίας;
8.
Προαιρετικό ζητούµενο: Γιατί πιστεύεται ότι άντεξε το δεξιό αντέρεισµα έναντι του αριστερού και δεν εκτινάχθηκε;
Παρατήρηση: •
Η αστοχία του φράγµατος Malpasset αποτελεί διεθνώς «εκπαιδευτικό µνηµείο». Πλήθος γεωλόγων και µηχανικών από Πανεπιστήµια του κόσµου την διδάσκονται ως µια από τις πλέον χαρακτηριστικές περιπτώσεις αστοχίας έργου Πολ. Μηχανικού λόγω λανθασµένου γεωλογικού µοντέλου. Η άσκηση αυτή καταδεικνύει την τεράστια σηµασία της ανάγκης της γεωλογικής γνώσης στον ασφαλή σχεδιασµό των Τεχνικών Έργων.
•
Ορισµένα από τα παραπάνω δεδοµένα της καταστροφής του φράγµατος απλοποιήθηκαν, ελαφρώς µόνο, για τους εκπαιδευτικούς σκοπούς της άσκησης.
•
Η άσκηση είναι τροποποιηµένη έκδοση από τους Μαρίνος Π., Τσιαµπάος Γ. και Μαρίνος Β. (Μάθηµα Τεχνικής Γεωλογίας, Σχολή Πολ. Μηχανικών, ΕΜΠ).
Σχήµα 12. Τοπογραφικός χάρτης (Οριζοντιογραφία) θέσης φράγµατος Malpasset πριν την καταστροφή.
Σχήµα 13. Τοπογραφικός χάρτης (Οριζοντιογραφία) θέσης φράγµατος Malpasset µετά την καταστροφή. (µε γραµµωση σηµειώνεται η επιφάνεια του ρήγµατος όπως αποκαλύφθηκε µετά την καταστροφή και την εκτίναξη τµήµατος του αριστερού αντερείσµατος)
Βιβλιογραφία Άσκησης 1.
Bellier, J. 1967 Le barrage de Malpasset. Travaux, Juliet.
2.
Bellier, J., Londe, P. And Langbein, J., 1970. The Malpasset Dam. Proc. Conf. Evaluation of Dam Safety, Asilomar, 1970. ASCE.
3.
Bellier, J. And Londe, P., 1976. The Malpasset Dam Engineering Foundation Conference Proceedings, “The Evaluation of Dam Safety”. Pacific Grove, Calif.
4.
Bernaix, J., 1967. Etude geotechnique de la roche de Malpasset. Dunod, Paris.
5.
Carriere A. Les lecons de Malpasset. Leur application aux projets de barrages d’aujourd’hui. Revue Francaise de Geotechnique, No 131-‐132, 2e et 3e trimestres.
6.
Commission d’Enquete du Barrage de Malpasset, 1960. Rapport Definitif. Ministere de l’Agriculture, France, Aout 1960.
7.
Duffaut P. 2010. Malpasset, la seule rupture totale d’un barrage-‐voute. Revue Francaise de Geotechnique, No 131-‐132, 2e et 3e trimestres.
8.
Frejus 59. Website dedicated to the disaster of Malpasset (http://frejus59.fr/en/node/51).
9.
Goguel J. Avant-‐propos au rapport geologique Malpasset de J. Goguel. Revue Francaise de Geotechnique, No 131-‐132, 2e et 3e trimestres.
10. Goguel J. Rapport geologique Malpasset. Revue Francaise de Geotechnique, No 131-‐132, 2e et 3e trimestres. 11. Habib P. 2010. La fissuration des gneiss de Malpasset. Revue Francaise de Geotechnique, No 131-‐132, 2e et 3e trimestres. 12. Lessons from Dam Incidents, International Commission on Large Dams, Paris, 1974. 13. Leonards, G.A. (Editor) Dam failures. Engineering Geology, Vol 24, 1-‐4 14. Leonards, G.A., 1982, 1984 Investigation of Failures, 16th Terzagui Lecture. Proc. ASCE, GT2, February 1982 ( and corresponding discussions in Vol. 110, No.1, Jan 1984, pp. 95-‐96 and 105-‐107). 15. Londe P (1987) -‐ The Malpasset Dam Failures, Proc. of Int. Conf. on Dam Failures, Engineering Geology, 24,295-‐329. 16. Μαρίνος Π. Τσιαμπάος Γ. Μαρίνος Β. (2009) Σημειώσεις εκπαιδευτικής εκδρομής Πολιτικών Μηχανικών, ΕΜΠ. Έκδοση Γεωτεχνικού Τομέα Σχολής Πλοιτικών Μηχανικών ΕΜΠ 17. Mary, M., 1968. Barrages –Voutes, historique, accidents et incidentes. Dunot, Paris. 18. Maurenbrecher M. 2007/2008. The Ingeokring Newsletter. Analysing the analysis of the Malpasset arch dam failure dam of 1959. 19. Serafim, J.L., 1977. Lessons from experience and research on the safety of dams, 2nd Int. ICOSSAR, Munich, 1977. 20. Serafim, J.L., 1981b. Safety of dams judged from failures. Water Power Dam Constr. 21. Wittke, W., 1984 Felsmechanik-‐Grundlagen fur wirtschaftliches Bauen im Fels. Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York Tokyo. 22. Wittke, W. Erichsen, C. and Kleinschnittger, M., 1985. Influence of seepage and uplift forces on stresses in the rock foundation of arch dams. Proc. 5th Int. Conf. Numerical Methods in Geomechanics, Vol. 4, Nagoya.