Hydroelectric power is a commonly used alternative source of energy in developing countries. In this regard, concrete gravity dams are the most preferred dam type especially with the developments in the engineering industry. Roller compacted concrete became more popular in dam construction due to its advantages of speed and economy. Several methods are used for the design of concrete gravity dams by analyzing the dam response under static and dynamic loads. This study provides three dimensional linear dynamic analysis of roller compacted concrete gravity dam with a complete dam-foundation-water interaction by using EACD-3D-08 program. Foundation flexibility was included with damping and mass using boundary elements. Three dimensional solid elements were used for the idealization of the dam and water with using finite element methods. Compressibility of water with reservoir absorption was studied. In the light of USACE, performance criteria of linear analyses were assessed. Parametric study was conducted to determine the most influential parameters on the dam response. The importance and necessity of three dimensional analyses were investigated by comparing with linear two dimensional analyses. Linear analyses were then compared with three dimensional nonlinear analyses. In conclusion, the realistic dam seismic response can only be obtained by using three dimensional linear analyses with full interaction of dam-foundation-water.

Estudo experimental sobre a alterabilidade de basaltos das fundações da Usina Hidrelétrica de Três Irmãos constou da execução de ensaios de alteração, por ciclos de saturação e secagem, e de abrasão \"Los Angeles\" efetuados após ensaios de alteração. O ensaio de abrasão \"Los Angeles\" foi adotado como parâmetro mecânico auxiliar na quantificação da desagregação. Análises granulométricas também foram utilizadas com o mesmo objetivo. Foram executados, ainda, ensaios físico-mecânicos e análises petrográficas para a caracterização tecnológica das amostras. A distribuição dos valores de perda de massa por alteração e por abrasão, em função do tempo (ciclos), e as distribuições granulométricas apresentadas após esses ensaios, permitiram avaliar com clareza a desagregabilidade das amostras. Aos resultados das perdas de massa por alteração e por abrasão foram aplicados critérios de cálculo sugeridos por diferentes autores, para fixar índices de alterabilidade de rochas. Os índices adotados permitiram estabelecer a seqüência de alterabilidade dos basaltos estudados. A partir dos resultados obtidos no estudo, foi possível, ainda, estabelecer uma proposta de procedimento para avaliar a alterabilidade de rochas, com contribuição para normalização de ensaios de alteração. / An experimental study on the alterability of basalts from Três Irmãos Hydroelectric Dam foundation was performed by means of alteration test, and \"Los Angeles\" abrasion tests carried out after the samples have been submitted to alteration test. L.A. test was adopted as a mechanical parameter in order to quantify the disaggregation. Grain size analyses were also used as a complementary quantification form. Additionally, some physico-mechanical standard tests and petrographical analyses were done for the technological characterization of the various samples. The distribution of values of mass loss due to alteration and abrasion, with the time (cicles), and the grain size distribution presented, after those tests, allowed the evaluation of disaggregation of the studied samples. Several criteria of calculations, as suggested by different authors, were used to define alterability indexes. The indexes adopted allowed to evaluate properly the alterability of the studied basaltic rocks. The results here obtained provided conditions to stablish a proposition of a standard procedure to evaluate rock alterability through experimental tests.

A subpressão consiste em um dos maiores problemas no que diz respeito à segurança de obras hidráulicas. A execução de vedações com cortinas de injeção de cimento, associadas à drenagem é de suma importância para coibir as ações da água percolada através de suas fundações. Torna-se, portanto, indispensável conhecer elementos para a verificação do bom funcionamento destes sistemas. Grande parte dos critérios de subpressão utilizados hoje no dimensionamento de barragens é baseada em métodos determinísticos e empíricos, com origem em experiência acumulada sob certas condições específicas. Quando tais critérios são utilizados para lugares específicos, com feições geológicas peculiares, podem não refletir os dados utilizados anteriormente. Tanto projetos sem segurança como antieconômicos podem resultar desta prática. Neste trabalho, procura-se avaliar a eficácia dos sistemas de vedação e drenagem de maneira probabilística, utilizando métodos estatísticos e dados obtidos durante a execução de obras já prontas, de modo a considerar a heterogeneidade dos maciços de fundação. A primeira parte da pesquisa consistiu, portanto, na compilação e ajuste de curvas de distribuição estatística aos valores de absorções de água e calda de cimento das barragens da Usina Hidrelétrica de Salto Caxias e da derivação do Rio Jordão. As duas localizam-se no Estado do Paraná e são de propriedade da COPEL - Companhia Paranaense de Energia. Ambas são fundadas em rochas basálticas, mas possuem diferentes características de permeabilidade. A eficácia de uma cortina de injeção pode ser dividida em duas: na dos trabalhos de injeção, com o controle dos valores de calda de cimento absorvida, e na da cortina em si, através da verificação da diminuição das subpressões e das vazões de percolação. Assim, através da análise da tendência das curvas de distribuição encontradas, foi possível comprovar o bom resultado dos trabalhos de injeção realizados nas duas obras. Na segunda parte da pesquisa, é proposta uma metodologia de análise probabilística da eficácia das cortinas de vedação e de drenagem. Esta metodologia baseia-se nos princípios do método de Monte Carlo, gerando-se cenários aleatórios de acordo com as curvas de distribuição estatísticas obtidas da primeira parte do trabalho. Através de simulações numéricas com elementos finitos, com valores de permeabilidades das fundações obedecendo àquelas distribuições estatísticas, foi possível obter uma distribuição estatística das subpressões. Com isso, pode-se proceder a análises de confiabilidade, e probabilidades de falha podem ser obtidas utilizando leituras de instrumentação ou mesmo critérios de subpressão. / One of the biggest problems for hydraulic works safety is the uplift pressure. The execution of grouting, associated with drainage, is very important to control seepage through concrete dam foundations. Therefore, appropriate means to check the efficiency of those systems are essential for dam safety evaluation. Most of the uplift pressure criteria used nowadays for dam design is based on deterministic and empirical methods, originated from accumulated experience under certain specific conditions. When such criteria are used for a specific site, peculiar geological features may not be reflected in the data basis used as previous experience. Either unsafe or uneconomic designs may result from such practice. In this work, grouting and drainage systems effectiveness are evaluated in a probabilistic way, using statistical methods and data obtained during grouting execution, which provide good assessment for foundation properties variability. The first part of the research consisted, therefore, in the compilation and statistical distribution curves adjustment of data from Salto Caxias and Jordão river Hydroelectric Power Plants water pressure tests and grouting takes. The two dams are located in the state of Paraná, Brazil, and are owned by COPEL - Companhia Paranaense de Energia. They are founded on basaltic rocks, but have different permeability characteristics. Grout curtain effectiveness can be divided in two: in the grouting operation, with the treatment of cement grout take data, and in the curtain, which is measured by uplift and seepage reductions. Thus, by analyzing statistical distribution trends, it was possible to verify treatments effectiveness in the two dams. In the second part of the research, a probabilistic analysis methodology of drainage and grouting curtains effectiveness is proposed. This methodology is based on Monte Carlo method principles, randomly generating scenarios according to statistical distributions obtained in the first part of the work. By means of numerical simulations with finite elements, using foundation permeability coefficients following those statistical distributions, it was also possible to obtain a statistical distribution of uplift forces. Reliability analyses can be performed, and failure probabilities can be obtained using instrumentation readings, or even any uplift pressure criterion.

A subpressão consiste em um dos maiores problemas no que diz respeito à segurança de obras hidráulicas. A execução de vedações com cortinas de injeção de cimento, associadas à drenagem é de suma importância para coibir as ações da água percolada através de suas fundações. Torna-se, portanto, indispensável conhecer elementos para a verificação do bom funcionamento destes sistemas. Grande parte dos critérios de subpressão utilizados hoje no dimensionamento de barragens é baseada em métodos determinísticos e empíricos, com origem em experiência acumulada sob certas condições específicas. Quando tais critérios são utilizados para lugares específicos, com feições geológicas peculiares, podem não refletir os dados utilizados anteriormente. Tanto projetos sem segurança como antieconômicos podem resultar desta prática. Neste trabalho, procura-se avaliar a eficácia dos sistemas de vedação e drenagem de maneira probabilística, utilizando métodos estatísticos e dados obtidos durante a execução de obras já prontas, de modo a considerar a heterogeneidade dos maciços de fundação. A primeira parte da pesquisa consistiu, portanto, na compilação e ajuste de curvas de distribuição estatística aos valores de absorções de água e calda de cimento das barragens da Usina Hidrelétrica de Salto Caxias e da derivação do Rio Jordão. As duas localizam-se no Estado do Paraná e são de propriedade da COPEL - Companhia Paranaense de Energia. Ambas são fundadas em rochas basálticas, mas possuem diferentes características de permeabilidade. A eficácia de uma cortina de injeção pode ser dividida em duas: na dos trabalhos de injeção, com o controle dos valores de calda de cimento absorvida, e na da cortina em si, através da verificação da diminuição das subpressões e das vazões de percolação. Assim, através da análise da tendência das curvas de distribuição encontradas, foi possível comprovar o bom resultado dos trabalhos de injeção realizados nas duas obras. Na segunda parte da pesquisa, é proposta uma metodologia de análise probabilística da eficácia das cortinas de vedação e de drenagem. Esta metodologia baseia-se nos princípios do método de Monte Carlo, gerando-se cenários aleatórios de acordo com as curvas de distribuição estatísticas obtidas da primeira parte do trabalho. Através de simulações numéricas com elementos finitos, com valores de permeabilidades das fundações obedecendo àquelas distribuições estatísticas, foi possível obter uma distribuição estatística das subpressões. Com isso, pode-se proceder a análises de confiabilidade, e probabilidades de falha podem ser obtidas utilizando leituras de instrumentação ou mesmo critérios de subpressão. / One of the biggest problems for hydraulic works safety is the uplift pressure. The execution of grouting, associated with drainage, is very important to control seepage through concrete dam foundations. Therefore, appropriate means to check the efficiency of those systems are essential for dam safety evaluation. Most of the uplift pressure criteria used nowadays for dam design is based on deterministic and empirical methods, originated from accumulated experience under certain specific conditions. When such criteria are used for a specific site, peculiar geological features may not be reflected in the data basis used as previous experience. Either unsafe or uneconomic designs may result from such practice. In this work, grouting and drainage systems effectiveness are evaluated in a probabilistic way, using statistical methods and data obtained during grouting execution, which provide good assessment for foundation properties variability. The first part of the research consisted, therefore, in the compilation and statistical distribution curves adjustment of data from Salto Caxias and Jordão river Hydroelectric Power Plants water pressure tests and grouting takes. The two dams are located in the state of Paraná, Brazil, and are owned by COPEL - Companhia Paranaense de Energia. They are founded on basaltic rocks, but have different permeability characteristics. Grout curtain effectiveness can be divided in two: in the grouting operation, with the treatment of cement grout take data, and in the curtain, which is measured by uplift and seepage reductions. Thus, by analyzing statistical distribution trends, it was possible to verify treatments effectiveness in the two dams. In the second part of the research, a probabilistic analysis methodology of drainage and grouting curtains effectiveness is proposed. This methodology is based on Monte Carlo method principles, randomly generating scenarios according to statistical distributions obtained in the first part of the work. By means of numerical simulations with finite elements, using foundation permeability coefficients following those statistical distributions, it was also possible to obtain a statistical distribution of uplift forces. Reliability analyses can be performed, and failure probabilities can be obtained using instrumentation readings, or even any uplift pressure criterion.

Estudo experimental sobre a alterabilidade de basaltos das fundações da Usina Hidrelétrica de Três Irmãos constou da execução de ensaios de alteração, por ciclos de saturação e secagem, e de abrasão \"Los Angeles\" efetuados após ensaios de alteração. O ensaio de abrasão \"Los Angeles\" foi adotado como parâmetro mecânico auxiliar na quantificação da desagregação. Análises granulométricas também foram utilizadas com o mesmo objetivo. Foram executados, ainda, ensaios físico-mecânicos e análises petrográficas para a caracterização tecnológica das amostras. A distribuição dos valores de perda de massa por alteração e por abrasão, em função do tempo (ciclos), e as distribuições granulométricas apresentadas após esses ensaios, permitiram avaliar com clareza a desagregabilidade das amostras. Aos resultados das perdas de massa por alteração e por abrasão foram aplicados critérios de cálculo sugeridos por diferentes autores, para fixar índices de alterabilidade de rochas. Os índices adotados permitiram estabelecer a seqüência de alterabilidade dos basaltos estudados. A partir dos resultados obtidos no estudo, foi possível, ainda, estabelecer uma proposta de procedimento para avaliar a alterabilidade de rochas, com contribuição para normalização de ensaios de alteração. / An experimental study on the alterability of basalts from Três Irmãos Hydroelectric Dam foundation was performed by means of alteration test, and \"Los Angeles\" abrasion tests carried out after the samples have been submitted to alteration test. L.A. test was adopted as a mechanical parameter in order to quantify the disaggregation. Grain size analyses were also used as a complementary quantification form. Additionally, some physico-mechanical standard tests and petrographical analyses were done for the technological characterization of the various samples. The distribution of values of mass loss due to alteration and abrasion, with the time (cicles), and the grain size distribution presented, after those tests, allowed the evaluation of disaggregation of the studied samples. Several criteria of calculations, as suggested by different authors, were used to define alterability indexes. The indexes adopted allowed to evaluate properly the alterability of the studied basaltic rocks. The results here obtained provided conditions to stablish a proposition of a standard procedure to evaluate rock alterability through experimental tests.

The most common failure of concrete gravity dams is sliding along the foundation surface. This thesis studies progressive failure of the Longtan dam on the upper Hongshuie river in china.Two methods are used in this thesis; the Safety Reserve Factor (SRF) method and the Overload method. The SRF-method is used as a tool to study sliding failure along the foundation weak layer of the Longtan dam. Strength reduction coefficients decrease the cohesion and friction angle values for the weak layer of the foundation. Simulations with reduced shear strength parameter values gives information about the development of the plastic zone. The ultimate bearing resistance and the failure path along the foundation are obtained. The safety reserve coefficient is established through the strength reduction coefficients, when the plastic zone of the foundation is totally coalescent. To analyse the development of the plastic zone along the dam foundation with the strength reserve method, the commercial finite element software MSC.Marc is used. The results of the Safety Reserve Factor method (SRF) show that the failure of the dam is highly related to the strength of the interface between the dam and rock foundation. The strength reserve factor is determined to 2.4. The Overload method gives a visual deformation shape of the dam structure and pressure load at the moment of failure. / Dammar har används i mer än 5000 år (Yang et al. 1999) och är fortfarande en viktig källa för energiutvinning. Det största antalet dammar finns i Kina och man tror att det finns över 80,000 dammar i landet (Shapiro 2001). En ökning av dammars kapacitet och antal sker, vilket resulterat i ett behov av bättre sätt för att utvärdera säkerhetsparametrar som betongkvalité, styvhet och homogenitet av bergmassa. Simuleringar av dammkonstruktioner kan ge värdefull information om dessa parametrar och kan därigenom bidra till att förbättra en damms stabilitet och sänka konstruktionskostnader. I det här examensarbetet utvärderas och modelleras Longtan dammen i övre Hongshui floden i Kina. Den vanligaste orsaken till haveri av betongdammar är glidning mellan betonglager och bergmassan. I den här rapporten simuleras ett svagare lager mellan betong och bergmassa och utvecklingen av kontaktbrottsvägen visualiseras och utvärderas med progressiva haveri metoden. Det svagare lagrets hållfasthetskoefficienter; friktionsvinkel och kohesion, reduceras för att analysera utbredningen av den plastiska zonen. Resultaten visar att en överskridning av draghållfastheten för betong börjar vid dammens häl och att kompressionsbristningsgränsen överskrids vid dammens tå när hållfasthetskoefficienterna reduceras. Säkerhetsreservskoefficienten för Longtan dammen erhålls då gränsytan mellan betong och berg är helt plastisk. För att analysera utbredningen av den plastiska zonen längs med dammfundamentet med progressiva haveri metoden används den kommersiella finita element mjukvaran MSC.Marc. Resultaten från säkerhetskoefficientfaktormetoden visar att ett haveri av gravitations dammar är i hög grad relaterad till hållfastheten mellan betongen och bergets gränsyta. Säkerhetskoefficientfaktorn bestäms till 2.4. För att bestämma Longtan dammens maximala vattenbelastningskapacitet används Överbelastningsmetoden. Det maximala vattentryck som Longtan dammen klarar av utan att haverera simuleras med hjälp av en vätska vars densitet ökas mellan modellkörningar. Dammens förskjutning når till sist en punkt där den ökar kraftigt och dammens mutationsdeformationstillstånd har uppnåtts. En visuell deformationsbeskrivning av dammen ges genom modellkörningar och överbelastningsfaktorn bestäms.

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.