Α Ρ Ι Σ Τ Ο Τ Ε Λ Ε Ι Ο Π Α Ν Ε Π Ι Σ Τ Η Μ Ι Ο Θ Ε Σ Σ Α Λ Ο Ν Ι Κ Η Σ ΤΜΗΜΑ ΓΕΩΛΟΓΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΤΕΧΝΙΚΗΣ ΓΕΩΛΟΓΙΑΣ ΜΑΘΗΜΑ: ΤΕΧΝΙΚΗ ΓΕΩΛΟΓΙΑ ΕΞΑΜΗΝΟ: 7 ο ΔΙΔΑΣΚΟΝΤΕΣ: Β. ΧΡΗΣΤΑΡΑΣ, Καθηγητής Β. ΜΑΡΙΝΟΣ, Αν. Καθηγητής 1η ΑΣΚΗΣΗ: ΟΝΟΜΑΤΕΠΩΝΥΜΟ ΦΟΙΤΗΤΗ:..... 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. Χαρακτηριστηκά 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 45 ο ). 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 ισοδομικής (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 2 ης και 3 ης 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, 2 e et 3 e 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, 2 e et 3 e 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, 2 e et 3 e trimestres. 10. Goguel J. Rapport geologique Malpasset. Revue Francaise de Geotechnique, No 131-132, 2 e et 3 e trimestres. 11. Habib P. 2010. La fissuration des gneiss de Malpasset. Revue Francaise de Geotechnique, No 131-132, 2 e et 3 e 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, 16 th 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, 2 nd 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. 5 th Int. Conf. Numerical Methods in Geomechanics, Vol. 4, Nagoya.