AbstractThe overall safety of dams depend on several stipulations. One of them is global stability of the dam, which is addressed with approaches like that in (RIDAS, 2017) (the Swedish power companies’ guidelines for dam safety). When designing a new dam, two global failure modes; sliding and overturning should be considered according to RIDAS. However, this is a simplification and other failure modes may exist, such as the combination of sliding and overturning failure. In this combined mode, the dam typically starts to overturn slightly, then as it looses its contact in the upstream area of the footprint, the dam starts to slide. This combined failure mode is yet to be fully addressed in design codes.One additional failure mode that may occur is an internal failure which is caused by material failure of the dam or where existing cracks govern the failure mode. Reinforced concrete structures are expected to crack and hence it likely that such failure mode may occur. The objective of this report is to understand the behavior of a pre-cracked buttress dam under typical loading conditions, and to analyze potential internal failure modes caused by these cracks. Moreover, the validity of using RIDAS design criteria for evaluating the safety of cracked concrete buttress dams will be examined. Finally, this report will study the influence of various possible cracks to study if these are critical and influence the overall dam safety.The stated objectives were investigated by performing analytical calculations and FE-analyses for three different geometries, where each geometry was analyzed with and without pre-existing cracks. The analytical calculations were carried out using MATLAB, to study the two global failure modes suggested by RIDAS: sliding and overturning for the selected geometries. FE-analyses were performed using BRIGADE Plus 6.2 software, where all geometries were studied for all potential global failure modes, including a combination of sliding and overturning failure modes. When comparing results of uncracked and cracked sections, whether it was obtained analytically or by FE-analyses, the influence of cracks in reducing the overall safety of the structure could be clearly highlighted. Moreover, the results comparing analytical solution using RIDAS and FE-analysis did not follow a uniform pattern, therefore, no concrete results could be concluded and further studies to develop more detailed analytical calculation methods were suggested. Finally, the cracks develop between the inspection gangway and the front-plate was proven to have larger influence on the residual mass of the dam, and thus, the overall safety of the dam.

I Sverige finns det idag ett stort antal dammar och nära hälften av Sveriges elproduktion kommer ifrån vattenkraft. Höga säkerhetskrav ställs på dammarna då konsekvenserna av ett dammbrott kan orsaka stor ekonomisk skada både i form av minskad produktion och som uppbyggnadskostnader. Dammbrott kan även utgöra risk för skador på människor och omkringliggande miljö samt byggnader. Det finns flera dimensioneringsmetoder för att uppfylla gällande säkerhetskrav på konstruktioner. De tillämpningsvägledningar som används vid stabilitetsanalys av betongdammar baseras på gamla deterministiska metoder med säkerhetsfaktorer. Det arbetas med att ta fram nya tillämpningsvägledningar baserat på sannolikhetsbaserade metoder. De sannolikhetsbaserade metoderna tar hänsyn till osäkerheterna i enskilda variabler, vilket förväntas ge effektivare konstruktioner. Stabilitetsanalys med sannolikhetsbaserade metoder i varje enskilt fall är förmodligen det bästa ur säkerhetssynpunkt, men det kan vara väldigt tidskrävande. Ett sett att underlätta stabilitetsberäkningarna, i vanligt förekommande konstruktioner, är användandet av partialkoefficienter. Partialkoefficienter är en semi-probabilistisk metod som kan kalibreras med hjälp av tillförlitlighetsanalysen och appliceras på systemets olika variabler och parametrar. På så vis beaktas osäkerheten i enskilda variabler och parametrar bättre än i deterministiska metoder med säkerhetsfaktorer. Målet med det här examensarbetet var att undersöka om stabilitetsanalys av betongdammar med partialkoefficienter kan vara ett alternativ till de metoder som redan finns. Rapporten kan delas in i tre delar. Den första delen av rapporten beskriver teorin bakom kalibrering av partialkoefficienter med hjälp av tillförlitlighetsteori, FORM. I den andra delen beskrivs metoder och tillämpningsvägledning för stabilitetsanalys av betongdammar med probabilistiska metoder. I den tredje delen används kunskaperna från de två första delarna för att beräkna tillförlitligheten på 15 utav Sveriges dammar. Beräkningarna används sedan för att kalibrera partialkoefficienter. En del kraftiga avgränsningar har gjorts i arbetet, bland annat har beräkningarna utförts för ett statiskt lastfall och bara fokuserat på stabilitetsvillkoret för glidning. Resultatet visar att det inte är rekommenderat att använda sig av partialkoefficienter vid stabilitetsanalys, åtminstone inte med den information och kunskap som idag finns tillgänglig. Osäkerheterna kring vissa modeller och variabler behöver minskas för att partialkoefficienter skall vara ett alternativ. Teorin kring partialkoefficienter kräver även en viss likhet i konstruktioner och konstruktionselement. De dammar som användes i denna studie kan ha varit för olika för att erhålla tillfredsställande resultat med avseende på likartade partialkoefficienter. / In Sweden today there are a large number of dams and nearly half of Sweden's electricity is produced from hydropower. The safety requirements on the dams are high due to the consequences that a dam failure can cause. There are several design methods to achieve the expected safety requirements. The design guidelines used in the stability analysis of concrete dams in Sweden is based on the deterministic methods with safety factors. However, a new proposition for design guidelines based on probabilistic methods is being developed. Compared to the deterministic approach the probabilistic method takes into account the uncertainties in individual variables, which are expected to provide more efficient structures. One problem with stability analysis using probabilistic methods is that it can be very time consuming. Another method which combines the simplicity of the deterministic approach with the effectiveness of the probabilistic method is the use of partial factors. The use of partial factors is a semi-probabilistic method that can be calibrated from the reliability analysis in the probabilistic method and applied to the individual variables and parameters in the system similar to the safety factor. The aim of this thesis was to investigate if stability analysis of concrete dams with partial factors can be an alternative to the methods already available. The report can be divided into three parts. The first part of the report describes the theory behind the calibration process of partial factors using the first order reliability method, FORM. The second part describes existing Swedish methods and application guidelines for stability analysis of concrete dams. The knowledge from the first two parts is then used in order to calculate the reliability of 15 of Sweden's dams. It should be observed that the work contains some limitations, for instance only the sliding stability is studied using one static load case. The results from the calculation of this load case are then used to calibrate the partial factors. The result shows that it is not recommended to use the partial factors for stability analysis of concrete dams, at least not with the information and knowledge available today in the field. The uncertainties surrounding certain models and variables need to be reduced in order for partial factors to be an option. The theory behind partial factors requires a certain degree of uniformness when it comes to the structure or elements used. The difference among the dams analyzed in this study may have impacted the results negatively.

Dams are designed and assessed based on traditional factor of safety methodology. Several drawbacks of this approach exist; for example varying failure probability for structures where the factor of safety is the same. This traditional factor of safety methodology imposes conservative assumptions in terms of both design and analysis. A probability-based analysis has been suggested to account for the omission of uncertainties and provide a less conservative analysis (Westberg & Johansson, 2014). Through the stability analyses of three existing dam structures, a minimum level of reliability or maximum failure probability may be calculated with the ultimate goal of defining a target safety index (β-target) for buttress and gravity dams. These analyses shall in turn contribute to the formulation of a probability-based guideline for the design and assessment of Swedish concrete dams. This probability-based guideline shall be known as the ‘Probabilistic Model Code for Concrete Dams.’ The calculations carried out in this study adhere to the methodologies and specifications set out in the preliminary draft of the Probabilistic Model Code for Concrete Dams. These methodologies encompass analyses within two dominating failure modes for concrete dams; sliding stability and overturning stability. Various load combinations have been modelled for each dam structure to account for the probabilistic failure of each dam under commonly occurring circumstances. A parametric study has been carried out in order to provide insight into the contribution that existing rock bolts provide to the stability of each dam. Furthermore, a study has been carried out into the existence of a persistent rock joint or failure plane in the rock foundation and the effects its presence would have on the sliding stability of a dam. Finally a discussion had been carried out in order to provide suggestions into the formulation of a target safety index through the data envisaged by our analyses for the design and assessment of Swedish concrete dams.

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 temperature 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 controlled 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. / 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 byggas 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 representerar det verkliga beteendet och göra det möjligt att förutsäga det framtida beteendet 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 tillräckligt god noggrannhet att den kan användas för prediktering av dammens beteende. Resultaten visar två brottmoder av betonglamelldammen som skiljer sig från tidigare 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 larmvärdena 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.

The purpose of this thesis is to evaluate the contribution of grouted rock bolts on the stability of concrete dams. The load capacity of the grouted rock bolts are assessed considering eventual deteriorating processes. An additional objective was to compare the resulting load capacity with the prevailing regulations in RIDAS (the power companies’ guidelines on dam safety) and possibly suggest new guideline values. The literature study consists of two parts; concrete dams and grouted rock bolts. In the first part concrete dams are discussed and especially the inherent forces and aspects when controlling their stability. The second part treats grouted rock bolts and the theoretical focus is on their function and possible failure modes as well as on the degrading processes (primarily corrosion) that are affecting the rock bolts.  Subsequently, the theory was applied on the Swedish concrete buttress dam Storfinnforsen, which is the largest concrete dam in Sweden. The dam was selected for this study mainly because its shape is archetypical for buttress dams. In addition, a digitalized model of the dam was obtainable from previous research projects.  A numerical analysis with the finite element analysis software ABAQUS was performed in order to evaluate the stability of the dam and to support the analytical analysis. The load capacity of the grouted rock bolts was analytically evaluated with consideration to eventual degradation. Assuming a corrosion rate of 60 μm/year, the grouted rock bolts in Storfinnforsen could after 100 years be trusted with a load capacity of approximately 180 MPa. That load capacity is due to shear failure, which constitutes the most plausible failure mode for rock bolts in buttress dams. The value 180 MPa is to be seen in contrast to the current limitation of 140 MPa that is defined in RIDAS (2011). The conclusion of this thesis is accordingly, that the maximum allowed load capacity that can be assigned the grouted rock bolts in the stability calculations of concrete dams can be increased from todays 140 MPa. This conclusion is substantiated by the analytical analyses with the numerical calculations as support.

No description available.

Concrete buttress dams are the most common type of concrete dams for hydropower production in Sweden. Cracks have been observed in some of the them. However, only limited research has been made concerning the influence of these cracks on the structural dam safety. In conventional analytical stability calculations, a concrete dam is assumed to be a rigid body when its safety is verified. However, when cracks have been identified in a dam structure, the stability may be influenced and hence the information of cracks may need to be included in the stability calculations. The main aim of this project is to study how existing cracks and further propagation of these cracks, influence the structural dam safety. Another important topic was to study suitable methods to analyse a concrete dam to failure. In addition, a case study is performed in order to capture the real failure mode of a concrete buttress dam. The case study that has been studied is based on a previous project presented by Malm and Ansell (2011), where existing cracks were identified in a 40m high monolith, as a result from seasonal temperature variations. Two similar models are analysed where one model is defined with an irregular rock-concrete interface, and the other with a horizontal interface. Analyses have been performed on both an uncracked concrete dam but also for the case where information regarding existing cracks, from the previous project, have been included in order to evaluate the influence of cracks on the dam safety. The finite element method has been used as the main analysis tool, through the use of the commercially available software package Abaqus. The finite element models included nonlinear material behaviour and a loading approach for successively increasing forces called overloading, when performing progressive failure analyses. The results show that existing cracks and propagation of these resulted, in this case, in an increased structural safety of the studied dam. Furthermore, an internal failure mode is captured. The irregular rock-concrete interface has a favourable effect on a sliding failure and an unfavourable effect on an overturning failure, compared to the case with the horizontal interface. Based on the results, the structural safety and the failure mode of concrete buttress dams are influenced by existing cracks. Although an increased safety is obtained in this study, the results do not necessarily apply for other monoliths of similar type. It is thus important that existing cracks are considered in stability analyses of concrete buttress dams. / Lamelldammar är den vanligaste typen av betongdammar för vattenkraft produktion i Sverige. I vissa av dessa har sprickbildning observerats. Begränsad forskning har gjorts på hur dessa sprickor påverkar dammens säkerhet. I de vedertagna analytiska stabilitetsberäkningarna antas att betongdammar agerar som en stel kropp när man verifierar dess säkerhet. Befintliga sprickor i en damm kropp kan dock påverka dess stabilitet och kan därför behöva beaktas i stabilitetsberäkningarna. Huvudsyftet med detta projekt är att studera hur befintliga sprickor och dess propageringen påverkar dammsäkerheten. Ett annat viktigt syfte är att studera lämpliga metoder för att analysera en betongdamm till brott. Dessutom, genomförs en fallstudie i syfte att analysera ett verkligt brottförlopp av en lamelldamm. Fallstudien som utförs i detta projekt, baseras på ett tidigare projekt utfört av Malm and Ansell (2011), där befintliga sprickor identifierades i en monolit på 40m som ett resultat av temperaturvariationer. Två modeller med snarlik geometri har analyserats, där den ena är definierad med en med oregelbunden kontaktyta mellan berg och betong och den andra med en horisontell kontaktyta. Analyserna har utförts på dels en osprucken damm men även där information om befintliga sprickor från det tidigare projektet beaktas, i syfte att jämföra inverkan av sprickor på dammsäkerheten. Finita element metoden har använts som verktyg vid dessa analyser, genom det kommersiellt använda programmet Abaqus. De finita element modellerna inkluderar icke-linjära material egenskaper hos betong och armering samt baseras på en metod för successiv belastning, som kallas 'overloading', vid analys av brottförloppet. Resultatet visar att befintliga sprickor och propageringen av dessa i detta fall kan leda till ökad säkerhet hos den studerade dammen jämfört mot fallet utan beaktande av sprickbildning. Utöver detta fångas även ett inre brottmod. Den oregelbundna kontaktytan mellan betongen och berget har en gynnsam effekt vid ett glidbrott men en ogynnsam inverkan vid ett stjälpningsbrott, i jämförelse med fallet med en horisontell kontaktyta. Baserat på dessa resultat så påverkas dammens säkerhet och brottetförloppet hos lamelldammen utav befintliga sprickor. Även om en ökad säkerhet fås i denna studie är det inte säkert att detta stämmer för andra monoliter av samma slag. Dock är det viktigt att hänsyn tas till befintliga sprickor i stabilitets analyser av lamelldammar.

Concrete buttress dams are relatively light structures and less demandingon foundations; because of that, they may have problems with upliftforces and horizontal joints in the area of the dam´s foundation maypresent a failure mode through sliding. The Storfinnforsen dam, thelargest concrete dam in Sweden, had its foundation studied recently andthe discovery of sub-horizontal joints in the bedrock led to the necessityof having the safety of the dam foundation to sliding assessed.The safety is dependent on the pore pressure, which can vary throughtime. The implementation of an alarm system to monitor and assess thevalues of the pore pressure is necessary to improve the dam´s operation.In this thesis, a new system on how to define alarm limits for measuredpore pressures is suggested.The proposed alarm system will monitor the pore pressure of the joint,calculate the safety factor against sliding, compare it to the alarm limits ofthe system (adopted from RIDAS) and present countermeasures to theproblem.The analysis and implementation of the alarm system on monolith 42 ofStorfinnforsen showed that it does not comply with the Swedishguidelines with respect to sliding stability, but the measured porepressures are low enough to allow the creation of an alarm system thatwill monitor the pore pressure continuously. Furthermore, thecharacteristics of the local geology exclude any quick development of porepressure allowing countermeasures to be applied.However, further research on the definition of alarm limits for this kindof problem is needed. / Lamelldammar av betong är relativt lätta konstruktioner med mindrepåkänningar på grunden jämfört med konventionellagravitationsdammar. Till följd av detta är de också känsliga för upptryck.I kombination med förekomsten av sub-horisontella sprickplan iberggrunden kan detta utgöra en risk för glidning. Vid Storfinnforsensbetongdamm, vilken är Sveriges största lamelldamm, har undersökningarav berggrunden genomförts. I samband med dessa undersökningaridentifierades sub-horisontella sprickplan i berggrunden ochmonoliternas glidstabilitet har därför analyserats med avseende påglidning. Dränage har även borrats och portrycksmätare installerats föratt övervaka portrycket i berggrunden.Portrycket, och därmed dammens säkerhet mot glidning, kan emellertidvariera över tid. Det är därför nödvändigt att utveckla och implementeraett alarmsystem för att övervaka portrycket och säkerställa dammenssäkerhet. I följande examensarbete har ett nytt system utvecklats för attdefiniera alarmgränser för uppmätta portryck. I det föreslagnaalarmsystemet övervakas portrycket över sprickplanen, säkerhetsfaktornmot glidning beräknas och jämförs mot gränser baserade på acceptablasäkerhetsfaktorer från RIDAS. Om uppmätta portryck överstigeralarmgränserna implementeras fördefinierade åtgärder.I detta arbete implementerades alarmsystemet på monolit 42 iStorfinnforsens lamelldamm. Resultaten från en inledandestabilitetsanalys visade att säkerhetsfaktorn mot glidning inte uppfyllerställda krav enligt RIDAS riktlinjer. De uppmätta portrycken äremellertid tillräckligt låga för att möjliggöra användningen av ettalarmsystem som övervakar portrycken kontinuerligt och därmedsäkerställer att säkerheten mot glidning uppfylls. Om portrycken skulleöverstigas ges förslag på möjliga åtgärder som kan genomföras för attsänka portrycken. Vidare indikerar de lokala geologiska förhållandena attVsnabba höjningar av portrycken till följd av exempelvis urspolning avfyllnadsmaterial från sprickplan är osannolika, vilket möjliggörimplementering av de fördefinierade åtgärderna om portrycket skullestiga. Vidare forskning rekommenderas emellertid på hur snabbtportrycken kan stiga till följd av olika scenarier såsom nedbrytning avinjekteringsridåer.