Safety of existing dams : evaluation and improvement

371 Pages·1983·6.58 MB·English

Page i
Safety of Existing Dams
Evaluation and Improvement
Committee on the Safety of Existing Dams
Water Science and Technology Board
Commission on Engineering and Technical Systems
National Research Council
NATIONAL ACADEMY PRESS
Washington, D.C. 1983
Page ii
National Academy Press, 2101 Constitution Avenue, NW, Washington, DC 20418
<><><><><><><><><><><><>
NOTICE: The project that is the subject of this report was approved by the Governing Board of the National Research Council, whose members are drawn from the 
councils of the National Academy of Sciences, the National Academy of Engineering, and the Institute of Medicine. The members of the committee responsible for the 
report were chosen for their special competences and with regard for appropriate balance.
This report has been reviewed by a group other than the authors, according to procedures approved by a Report Review Committee consisting of members of the 
National Academy of Sciences, the National Academy of Engineering, and the Institute of Medicine.
The National Research Council was established by the National Academy of Sciences in 1916 to associate the broad community of science and technology with the 
Academy's purposes of furthering knowledge and of advising the federal government. The Council operates in accordance with general policies determined by the 
Academy under the authority of its congressional charter of 1863, which establishes the Academy as a private, nonprofit, self­governing membership corporation. The 
Council has become the principal operating agency of both the National Academy of Sciences and the National Academy of Engineering in the conduct of their 
services to the government, the public, and the scientific and engineering communities. It is administered jointly by both Academies and the Institute of Medicine. The 
National Academy of Engineering and the Institute of Medicine were established in 1964 and 1970, respectively, under the charter of the National Academy of 
Sciences.
This report represents work supported by contract number EMW­C­0756, work unit number 6311F, between the Federal Emergency Management Agency and the 
National Research Council.
Library of Congress Cataloging in Publication Data
National Research Council (U.S.). Committee on the
Safety of Existing Dams.
Safety of existing dams.
Includes index.
1. Dam safety—United States. I. Title.
TC556.N37 1983 627'.8 83­12094 
ISBN 0­309­03387­X
Copyright © 1983 by the National Academy of Sciences
No part of this book may be reproduced by any mechanical, photographic, or electronic proc­
ess, or in the form of a phonographic recording, nor may it be stored in a retrieval system, 
transmitted, or otherwise copied for public or private use, without written permission 
from the publisher, except for the purposes of official use by the United States Government.
Printed in the United States of America
Page iii
COMMITTEE ON SAFETY OF EXISTING DAMS
ROBERT B. JANSEN, Consulting Civil Engineer, Spokane, Washington, Chairman
HARL P. ALDRICH, Haley and Aldrich, Inc., Cambridge, Massachusetts
ROBERT A. BURKS, Southern California Edison Company, Rosemead, California
CLIFFORD J. CORTRIGHT, Consulting Civil Engineer, Sacramento, California
JAMES J. DOODY, Department of Water Resources, Sacramento, California
JACOB H. DOUMA, Consulting Civil Engineer, Great Falls, Virginia
JOSEPH J. ELLAM, Pennsylvania Department of Environmental Resources, Harrisburg
CHARLES H. GARDNER, North Carolina Department of Natural Resources, Raleigh
WILLIAM R. JUDD, Purdue University, West Lafayette, Indiana
DAN R. LAWRENCE, Department of Water Resources, Phoenix, Arizona
ROBERT J. LEVETT, Niagara Mohawk Power Corporation, Syracuse, New York
ARTHUR G. STRASSBURGER, Pacific Gas and Electric Company, San Francisco, California
BRUCE A. TSCHANTZ, University of Tennessee, Knoxville
ERIK H. VANMARCKE, Massachusetts Institute of Technology
HOMER B. WILLIS, Consulting Civil Engineer, Bethesda, Maryland
Technical Consultant
CHARLES F. CORNS, Consulting Engineer, Springfield, Virginia
NRC Project Manager
SHEILA D. DAVID, Staff Officer
Page iv
WORKSHOP PARTICIPANTS
GEORGE L. BUCHANAN, Tennessee Valley Authority, Knoxville
CATALINO B. CECILIO, Pacific Gas and Electric Company, San Francisco, California
LLEWELLYN L. CROSS, Chas. T. Main, Inc., Boston, Massachusetts
RAY F. DEBRUHL, North Carolina Department of Administration, Raleigh
JAMES M. DUNCAN, University of California, Berkeley
LLOYD E. FOWLER, Goleta Water District, California
VERNON K. HAGEN, U.S. Army Corps of Engineers, Washington, D.C.
JOSEPH S. HAUGH, USDA Soil Conservation Service, Washington, D.C.
DAVID LOUIE, Harza Engineering Company, Chicago, Illinois
J. DAVID LYTLE, U.S. Army Corps of Engineers, St. Louis, Missouri
MARTIN W. MCCANN, Stanford University, California
JEROME RAPHAEL, University of California, Berkeley
HARESH SHAH, Stanford University, California
THOMAS V. SWAFFORD, Fairfield Glade Resort Developers, Crossville, Tennessee
HARRY E. THOMAS, Federal Energy Regulatory Commission, Washington, D.C.
LAWRENCE J. VON THUN, U.S. Bureau of Reclamation, Denver, Colorado
JACK G. WULFF, W. A. Wahler & Associates, Palo Alto, Calfifornia
FEMA Representative
WILLIAM BIVINS, Project Officer, Federal Emergency Management Agency, Washington, D.C.
Page v
COMMITTEE PANELS
Panel on Risk Assessment
Erik Vanmarcke, Chairman
James J. Doody
Joseph J. Ellam
Haresh Shah
Vernon K. Hagen
Lawrence J. VonThun
Joseph S. Haugh
Martin W. McCann, Jr.
Panel on Hydraulic/Hydrologic Considerations
Homer B. Willis, Chairman
Robert J. Levett
Jacob H. Douma
Bruce A. Tschantz
Catalino B. Cecilio
Llewellyn L. Cross
David Louie
Panel on Concrete and Masonry Dams
Arthur G. Strassburger, Chairman
William R. Judd
Robert A. Burks
Jerome Raphael
George L. Buchanan
Panel on Embankment Dams
Harl P. Aldrich, Chairman
Charles H. Gardner
Clifford J. Cortright
James M. Duncan
Thomas V. Swafford
Jack G. Wulff
Ray F. DeBruhl
Panel on Instrumentation
Dan R. Lawrence, Chairman
Robert A. Burks
Lloyd E. Fowler
J. David Lytle
Harry E. Thomas
Panel on Geological/Seismological Consideration
William R. Judd, Chairman
Harry E. Thomas
Charles H. Gardner
Jerome Raphael
James M. Duncan
Page vi
WATER SCIENCE AND TECHNOLOGY BOARD
WALTER R. LYNN, Cornell University, Ithaca, New York, Chairman
LEO R. BEARD, Espey, Huston & Associates, Inc., Austin, Texas
JOHN J. BOLAND, Johns Hopkins University, Baltimore, Maryland
JOHN CAIRNS, Virginia Polytechnic Institute and State University, Blacksburg
PETER S. EAGLESON, Massachusetts Institute of Technology
RICHARD S. ENGELBRECHT, University of Illinois at Urbana­Champaign
JEROME. B. GILBERT, East Bay Municipal Utility District, Oakland, California
YACOV Y. HAIMES, Case Western Reserve University, Cleveland, Ohio
HELEN INGRAM, University of Arizona, Tucson
L. DOUGLAS JAMES, Utah State University, Logan
ROBERT B. JANSEN, Consulting Civil Engineer, Spokane, Washington
JOHN F. KENNEDY, University of Iowa, Iowa City
ORIE LOUCKS, Butler University, Indianapolis, Indiana
DAVID W. MILLER, Geraghty & Miller, Inc., Syosset, New York
JEROME W. MILLIMAN, University of Florida, Gainesville
STEPHEN E. REYNOLDS, State Engineer, Santa Fe, New Mexico
DANIEL SHEER, Interstate Commission on the Potomac River Basin, Rockville, Maryland
ROBERT L. SMITH, University of Kansas, Lawrence
GARY WEATHERFORD, Center for Natural Resources Studies, Berkeley, California
Staff
STEPHEN D. PARKER, Executive Director
SHEILA D. DAVID, Staff Officer
THEODORE M. SCHAD, Staff Officer
JEANNE AQUILINO, Administrative and Project Secretary
CAROLE B. CARSTATER, Administrative Secretary
Page vii
Preface
Because of several disasters in recent years, the safety of dams has received increasing attention throughout the world. Governments at all levels have come to 
recognize and, in many cases, to accept their responsibilities in this area. In the United States, federal and state agencies have been active in inventorying and 
inspecting dams in the interest of improved safeguards. The results point to deficiencies that are widespread and to a problem of national importance. From the 
disasters and from the evaluations of thousands of dams, the message is clear that the threat to public safety is large and must be reduced. Although the danger is 
evident, its elimination will be difficult for at least two principal reasons: those responsible must be ready to take action and the funds for remedial programs must be 
found.
In recognition of the need for a nationwide initiative that would foster a cooperative approach to dam safety, the Committee on the Safety of Existing Dams was 
created under the auspices of the National Research Council at the request of the Federal Emergency Management Agency. Members of the committee and its work 
groups were enlisted on the basis of their expertise in the engineering of dams and in the related professional disciplines. To qualify, they had to be outstanding in their 
fields and willing to contribute their knowledge and their ideas to the common purpose. The committee was organized to include civil engineers, representatives of state 
agencies responsible for dam safety, private corporate dam owners, geologists, hydraulic engineers, risk analysts, and others knowledgeable about federal and state 
dam safety programs. The charge that was laid out for each of them was demanding, and they responded commendably without excep­
Page viii
tion. In composing the work groups, care was taken to ensure a range of experience and viewpoint so that the product would be balanced. Rather than a committee 
and work groups in the usual sense, an assembly of authors contributed individually, while the work group chairmen, the consultant, and the committee chairman 
served as planners, coordinators, and editors providing their own technical input. In structuring the effort we were guided by the belief that a collection of individual 
works, properly integrated, would be worth more than a blended group offering, the development of which might be burdened by excessive oral exchange.
With such an array of special and dedicated talent, the opportunity for accomplishment was large. To maximize this potential, work assignments were made in 
advance, and the contributors were encouraged to volunteer freely from their experience. The challenge was unanimously accepted. Each member was asked to 
consider himself in the role of adviser to a responsible dam owner or to an engineer and to suggest practical ways to approach the analysis and remedy of a suspected 
or actual deficiency. Designated tasks were designed to cover the gamut of problems, while avoiding inefficient duplication of effort. This report thus presents the 
advice of experts on how to solve the puzzle of an inadequate structure and how to apply economical and professionally acceptable remedies.
We have been guided by the need to optimize benefits from a given level of expenditure. The basic premise is that improvement of deficient dams must begin without 
delay, even though initial funding may be insufficient for comprehensive solutions. In some cases this may entail a staged approach to corrective work, but this is 
regarded as better than no action. Some solutions based on the risk assessment methods discussed in this report may not fully comply with the highest current 
standards of some federal agencies. We emphasize that we do not advocate a lowering of such criteria. A high level of excellence must continue to be the ultimate goal 
of those who strive for improvement of dams.
The limitations inherent in an evaluation of existing dams must be acknowledged. Although those unschooled in the intricacies might expect it to be an exact science, it 
is in fact full of uncertainty and dependent on judgment. The total range and character of risk may not be predictable, due in large part to the unknowns of a site and a 
structure. The goal of preventive and remedial engineering is to reduce uncertainties, recognizing that absolute safety may not be ensured in every case.
Professionals experienced in the evaluation and improvement of dam safety know that their job is to lower risk to the minimum that is practically attainable. This 
requires incremental investment in removal of deficiencies in the order of the hazard that they present. No matter how much money is spent, some unknown risk may 
remain. Many problems are not amenable
Page ix
to inexpensive solution, but the committee believes that an inadequate dam should be examined without rigid adherence to convention, always searching for ways to 
lessen risk within the unavoidable limits that are present.
The idealist may think that this report does not confront all the problems faced by those who are responsible for dams but whose resources are limited. Of course, the 
remedies may not be as complete as they would be with the availability of abundant funds. Some states and owners cannot afford the preventive and corrective work 
that common standards would dictate. A perfectionist might suggest that states and owners should save their money until the job can be done completely. The message 
of this report is that there are ways to remedy deficiencies progressively, attacking the most serious problems first and economizing where possible but not to the 
extent that applicable guidelines are disregarded. The experienced professional knows that through years of perseverance the reduction of risks can in many eases be 
achieved only in this way—setting sensible priorities and recognizing that some remedies may have to await later action. Those responsible for repairs sometimes 
adopt the contrary view, that the corrective effort would cost too much and must therefore be postponed indefinitely. Total elimination of risk may not be attainable 
because of financial restraints. The practical objective is to reduce risk to a more tolerable level. Even if this falls short of highest standards, it is certainly preferable to 
waiting for money that may never arrive.
Inevitably, the question arises regarding the extent of deficiency that can be allowed while necessary funding is sought. If that limit is exceeded, an alternative that could 
be weighed would be to abandon the dam. However, the hazard might not be eliminated simply by abandonment. Breaching or removal of a dam also requires 
engineering, and such work can be expensive. In some cases such actions might cost more than correcting the inadequacies. The emphasis of this report is on keeping 
a dam in service by using preventive and remedial engineering techniques, which the committee regards as the most positive approach to dam safety.
Several reasons can be cited for lack of compliance with standards. A shortage of financial resources is common. Sometimes a dam owner needs to be convinced that 
the deficiencies are intolerable. This is best accomplished by practicing engineers and state officials rather than by the courts, although the judicial process remains as a 
last recourse.
In the United States each state must ensure that its dams are inspected and that their safety is evaluated (excluding federal structures). Some states do not provide 
enough money for this. Such problems are inseparable from the technical considerations that serve the primary purpose of this report. While their solution is largely 
beyond the scope of this report, there is adequate precedent for resolving such governmental dilemmas. For example,