Numerical analyses of concrete buttress dams to design dam monitoring

100 Pages·2016·15.91 MB·English

DEGREE PROJECT IN CIVIL ENGINEERING AND URBAN
MANAGEMENT,
SECOND CYCLE, 30 CREDITS
STOCKHOLM, SWEDEN 2016
Numerical analyses of concrete
buttress dams to design dam
monitoring
DANIEL SVENSEN
KTH ROYAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY
SCHOOL OF ARCHITECTURE AND THE BUILT ENVIRONMENT
Numerical analyses of concrete buttress
dams to design dam monitoring
Daniel Svensen
June 2016
TRITA-BKN. Master Thesis 492, Concrete Structures 2016
ISSN 1103-4297,
ISRN KTH/BKN/EX–492–SE
(cid:13)c Daniel Svensen 2016
Cover photo, Christer Vredin (Sweco)
Royal Institute of Technology (KTH)
Department of Civil and Architectural Engineering
Division of Concrete Structures
Stockholm, Sweden, 2016
Abstract
Old concrete buttress dams are sensitive to cracking if exposed to large temperature
variations. The cracks can make dams sensitive to failure, depending on the size and
location of the cracks. These problems can be overcome by lowering the tempera-
ture variations and stabilizing the dams. Insulation walls can be built to lower the
temperature variations, and the area inside the insulation wall can be climate con-
trolled to ensure a constant temperature. Stabilizing measures could be installing
tendons, anchoring monoliths to the foundation or to keep parts of the monolith
together. However, the best way to make sure the dam is functioning as expected
is to monitor the behavior of the dam through different sensors. The sensors should
be connected to some kind of dam monitoring software, which can indicate whether
the dam is going to fail in a near future. For this to work, some kind of alert and
alarm values has to be determined.
The main purpose for this project is to develop a finite element model that could be
used to simulate the real behavior of a concrete buttress dam and predict the future
behavior of the dam. This makes it possible to determine alert and alarm values for
monitoring equipment installed on the dam.
Some steps are necessary to be able to create a finite element model representing the
real behavior and to predict the future behavior of a dam. A first step is calibration
of the model against real measurements, and during the calibration process it is
important to evaluate the predictions made. A second step is to determine the
normal variation in the behavior of the dam. A last step is to define suitable alert
and alarm values, where the alert values are based on the normal variation of the
dam and the alarm values are based on failure analyses.
The results show that it is possible to calibrate a finite element model with sufficient
accuracy in order for it to be used for predictions of the dams behavior. The results
show two failure modes of the concrete buttress dam which deviate from previous
research, where post-tensioned tendons were not included.
From the results, information is given about where to place sensors to be able
to capture a failure, how well the finite element model is calibrated, and what
the alarm values should be. Furthermore, the results show that the evaluation of
predictions made in the calibration process is of utmost importance to achieve a
model representing the real behavior.
Keywords: Concrete, buttress dams, thermal effects, finite element analysis, in-
strumentation, alarm values, alert values.
iii

Sammanfattning
Gamla betonglamelldammar är känsliga för sprickbildning om de utsätts för stora
temperaturvariationer. Sprickor kan göra dammarna känsliga för brott, beroende
på storlek och placering av sprickorna. Dessa problem kan övervinnas genom att
sänka temperaturvariationerna och stabilisera dammarna. Isoleringsväggar kan byg-
gas för att sänka temperaturvariationerna, och området innanför isoleringsväggen
kan klimatkontrolleras för att säkerställa en konstant temperatur. Stabiliserande
åtgärder skulle kunna vara att installera spännkablar, förankring av monoliten till
berggrunden eller att hålla ihop delar av monoliten. Emellertid är det bästa sättet
att se till dammen fungerar som förväntat för att övervaka beteendet hos dammen
genom olika sensorer. Givarna borde anslutas till någon form av programvara för
dammövervakning, som kan indikera om dammen kommer att gå till brott inom
en snar framtid. För att detta ska fungera måste någon form av mjuka och hårda
larmvärden bestämmas.
Huvudsyftet för detta projekt är att skapa en finit elementmodell som kan användas
för att simulera det verkliga beteendet hos en betonglamelldamm och förutsäga
framtida beteende av dammen för att kunna bestämma mjuka och hårda larmvärden
för vald övervakningutrustning på dammen.
Några steg är nödvändiga för att kunna skapa en finit elementmodell som represen-
terar det verkliga beteendet och göra det möjligt att förutsäga det framtida beteen-
det av en damm. Ett första steg är kalibrering av modellen mot riktiga mätningar
och under kalibreringsprocessen är det viktigt att utvärdera predikterade värden.
Ett andra steg är att bestämma den normala variationen av dammens beteende.
Ett sista steg är att definiera lämpliga värden för mjuka och hårda larmvärden, där
de mjuka värdena baseras på dammens normala variation och de hårda larmvärdena
på brottsanalyser.
Resultaten visar att det är möjligt att kalibrera en finit elementmodell med tillräck-
ligt god noggrannhet att den kan användas för prediktering av dammens beteende.
Resultatenvisartvåbrottmoderavbetonglamelldammensomskiljersigfråntidigare
studier där spännkablar inte hade inkluderats.
Från resultaten ges information om var sensorer ska placeras för att kunna fånga ett
brott, hur väl finita elementmodellen kalibrerats, och vilka de mjuka och hårda lar-
mvärdena bör vara. Dessutom visar resultaten att utvärderingen av predikteringar
som gjorts i kalibreringsprocessen är av yttersta vikt för att uppnå en modell som
representerar det verkliga beteendet.
Nyckelord: Betong, lamelldammar, termiska effekter, finit element analys, intstru-
mentering, larmvärden.
v

Preface
This master thesis was carried out at Sweco Energuide AB, in collaboration with
the department of Concrete Structures at the Royal Institute of Technology (KTH)
and Uniper during the period January to June 2016. The project was initiated by
Dr. Richard Malm, and supervised by MSc Rikard Hellgren, MSc Daniel Eriksson
and Adj. Prof. Erik Nordström.
The research presented was carried out as a part of "Swedish Hydropower Centre
- SVC". SVC has been established by the Swedish Energy Agency, Elforsk and
Svenska Kraftnät together with Luleå University of Technology, KTH Royal In-
stitute of Technology, Chalmers University of Technology and Uppsala University.
www.svc.nu.
I would like to thank all of my supervisors for supporting me and pushing me in
the right direction during this project, also for their time reading, commenting and
helping in the development of this project.
I would also like to thank Sweco Energuide AB and MSc Agnetha Bergström for
giving me the opportunity to carry out my master thesis project at their office. Also
a big thanks to all the people at Sweco who helped me with various problems during
my time there.
I would also like to thank MSc Carl-Oscar Nilsson at Uniper for providing me
with measurements and for arranging a site visit to Storfinnforsen and Ramsele
hydropower plants.
Finally, I would also like to thank Scanscot for providing a software license for
Brigade/Plus.
Stockholm, June 2016
Daniel Svensen
vii

Contents
Abstract iii
Sammanfattning v
Preface vii
1 Introduction 1
1.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Aim and scope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Structure of the thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2 Concrete buttress dams 5
2.1 Loads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.1 Dead load . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.2 Water pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.3 Ice load . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.4 Thermal loads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Failure modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.1 Overturning failure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.2 Sliding failure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.3 Material failure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3 Cross-sectional analyses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3 Monitoring of dams 13
3.1 Purpose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.2 Types of monitoring equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.3 Behavior models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.3.1 Deterministic model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.3.2 Statistical model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.3.3 Hybrid model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
ix