71
XI ICOLD BENCHMARK WORKSHOP ON NUMERICAL ANALYSIS OF DAMS Valencia, October 2021, 2011 OPEN TECHNICAL SESSION SEISMIC BEHAVIOR OF CONCRETE FACE ROCKFILL DAMS Dakoulas, Panos 1 Summary The seismic behavior of concrete faced rockfill dams built in narrow canyons, subjected to upstreamdownstream and vertical excitation, is investigated. Emphasis is placed on the evaluation of the structural integrity and waterproofing performance of the upstream face concrete slab. The static analysis uses a nonlinear hyperbolic model, whereas the dynamic analysis uses a nonlinear hysteretic model which accounts for the dynamic properties of rockfill. A damage plasticity model is used for the reinforced concrete slab. The numerical study simulates the phased construction process, creep settlements, reservoir impoundment and seismic shaking. The dynamic analysis takes into account the wave energy radiated back into the canyon, the hydrodynamic pressures and the development of dynamic settlements. The compressive and tensile stresses in the concrete slab panels and the opening of the vertical joints are investigated, considering the effect of dynamic settlements. 1. Introduction Figure 1: Messochora Dam (a) Crosssection and material zones of the studied dam and (b) numerical discretization of the embankment and concrete face slab consisting of 23 panels This work is motivated by the need to explain the seismic damage of the concrete face slab of the 156mhigh Zipingpu Dam (China) during the May 12, 2008, Wenchuan earthquake (M=8). Subjected to a peak ground acceleration larger than 0.5g, Zipingpu Dam suffered compressive failure of the concrete slab panels along the vertical joints. The structural integrity and water tightness of the concrete slab is of crucial importance for the safety and good performance of the dam [3]. In the case of dams built in narrow canyons, a realistic modeling of (a) the 3D geometry of the slab panels, (b) the nonlinear material behaviour and (c) the 1 Associate Professor, University of Thessaly, Department of Civil Engineering, Volos, Greece

SEISMIC BEHAVIOR OF CONCRETE FACE ROCKFILL DAMS · XI ICOLD BENCHMARK WORKSHOP ON NUMERICAL ANALYSIS OF DAMS Valencia, October 20‐21, 2011 OPEN TECHNICAL SESSION SEISMIC BEHAVIOR

  • Upload
    others

  • View
    14

  • Download
    2

Embed Size (px)

Citation preview

  • XI ICOLD BENCHMARK WORKSHOP ON NUMERICAL ANALYSIS OF DAMS 

    Valencia, October 20‐21, 2011 

     

    OPEN TECHNICAL SESSION 

     SEISMIC BEHAVIOR OF CONCRETE FACE ROCKFILL DAMS 

    Dakoulas, Panos1 

      

    Summary  The seismic behavior of concrete faced rockfill dams built in narrow canyons, subjected to upstream‐downstream  and  vertical  excitation,  is  investigated.  Emphasis  is  placed  on  the  evaluation  of  the structural  integrity and waterproofing performance of  the upstream  face  concrete  slab. The  static analysis uses a nonlinear hyperbolic model, whereas the dynamic analysis uses a nonlinear hysteretic model which accounts  for the dynamic properties of rockfill. A damage plasticity model  is used  for the reinforced concrete slab. The numerical study simulates the phased construction process, creep settlements,  reservoir  impoundment and seismic shaking. The dynamic analysis  takes  into account the wave energy radiated back into the canyon, the hydrodynamic pressures and the development of dynamic  settlements.  The  compressive  and  tensile  stresses  in  the  concrete  slab  panels  and  the opening of the vertical joints are investigated, considering the effect of dynamic settlements.  

    1. Introduction 

     Figure 1: Messochora Dam (a) Cross‐section and material zones of the studied dam and (b) numerical 

    discretization of the embankment and concrete face slab consisting of 23 panels 

     

    This work  is motivated by the need to explain the seismic damage of the concrete face slab of the 156m‐high Zipingpu Dam (China) during the May 12, 2008, Wenchuan earthquake (M=8). Subjected to a peak ground acceleration  larger  than 0.5g, Zipingpu Dam  suffered  compressive  failure of  the concrete slab panels along the vertical joints.  

    The  structural  integrity  and water  tightness  of  the  concrete  slab  is  of  crucial  importance  for  the safety and good performance of the dam [3]. In the case of dams built in narrow canyons, a realistic modeling of (a) the 3D geometry of the slab panels, (b) the nonlinear material behaviour and (c) the 

                                                           1 Associate Professor, University of Thessaly, Department of Civil Engineering, Volos, Greece 

  • contact  conditions  at  the  concrete  base  and  the  vertical  joints  between  adjacent  slab  panels  is essential.  Ignoring the 3D nature of the problem or the presence of the vertical  joints would result into predictions  that do not capture  the  real behaviour of  slab. Also, a  realistic assessment of  the initial  static  stresses  is necessary, as evidence  shows  that  in  some CFRDs,  tensile cracking or even failure of the concrete slab occurred during impoundment.  

    The objective of this paper is to investigate the seismic behavior of a concrete face rockfill dam built in  a  narrow  canyon,  placing  special  emphasis  on  the  proper modeling  of  the  slab.  To  this  end,  a refined numerical model  is utilized, which accounts  for  the 3D geometry of  the embankment and concrete slab panels,  the phased construction process,  the  loading due  to reservoir  impoundment, the  rockfill  creep  settlement,  the  flexibility of  the  canyon  rock,  the hydrodynamic effects and  the potential dynamic settlements of the rockfill.  

    2. Constitutive models  The phased construction and reservoir impoundment is based on the Duncan and Chang constitutive model  for  the  rockfill material  [2].  The  seismic  analysis  uses  a  nonlinear  hysteretic  model  that accounts  for  the dynamic properties of  rockfill. A damage plasticity model  [5]  for both monotonic and cyclic loading is used for the reinforced concrete. 

     

     Figure 2: Dynamic properties of gravel from experiments by Rollins et al. [1] and hysteretic model predictions: (a) secant shear modulus ratio,  0/sG G  and (b) damping ratio, ξ, vs cyclic shear strain 

     

    2.1 Hyperbolic and hysteretic models for rockfill 

    The hyperbolic model by Duncan and Chang [2] accounts for the dependency of the elastic moduli on the current stress state and the  loading/unloading stress path. The main advantage of the model  is the  considerable  accumulated  experience  regarding  the  model  parameters  for  various  types  of rockfill materials for which laboratory testing is difficult.  

    For the dynamic analysis, the tangent shear modulus  tG for monotonic loading is given by 

    0 2

    exp( (log ) / )/1 exp( (log ) / ) (1 exp( (log ) / )) ln10

    et

    e e

    a c baG Gc b b c b

                 (1) 

  • where  , ,a b c =  material  constants  and  e   =  the  equivalent  shear  strain.  For  unloading  and reloading, eq. (1) is combined with the Masing criterion to form hysteresis loops. Fig. 2 presents the mean  value  and one  standard deviation of  the  shear modulus  ratio  0/sG G   and damping  ratio   versus the cyclic shear strain for gravelly soils from a comprehensive study based on results from 15 independent  experimental  investigations  [6].  The  combined  static‐plus‐dynamic model  has  been implemented into the FE code ABAQUS [1]. Fig. 3 illustrates an imposed simple shear deformation on a soil element and the simulated stress‐strain relationship derived from the hysteretic model. 

     

    Figure 3: Hysteretic model: simulation of a simple shear test (a) shear strain (b) stress‐strain relationship 

     

     Figure 4: Damage plasticity model: cyclic uniaxial loading test (a) tension and (b) compression 

    Table 1: Properties and model parameters for rockfill and gravel 

    TYPE  Zone 3B  Zone 3C   Zone 2B Density, ρ, kN/m3  2150  2150  2150 Poisson’s ratio, v   0.35   0.35   0.35 K    600    450  1200 Kur  1500  1125   3000  Kb    150    112    300 n   0.45   0.45   0.45 m       0.22   0.22   0.22 Rf   0.59   0.59   0.59 φο     51°     51°     51° Δφο       9°       9°       9° 

     

  • 2.2 Damage plasticity model for concrete 

    The damage plasticity constitutive model for cyclic  loading of concrete [5]  is used for modeling the behavior  of  the  slab.  The model  takes  into  account  the  effects  of  strain  softening,  distinguishing between the damage variables for tension and compression. Here, the concrete slab  is assumed to have  a  density  =2350,  kg/m3,  a  compressive  strength  of  25 MPa,  a  tensile  strength  of  3 MPa, Young’s modulus E = 29 GPa  and Poisson’s  ratio  = 0.2.  Figure 4 plots  simulations of  the  stress‐strain behavior of a concrete cubic specimen in uniaxial loading using the damage plasticity model.  

    3. Messochora Dam model and impoundment 

    The dam has a height of 150 m and  crest  length of 330 m  (Fig. 1a). The upstream  slope  is 1:1.4, whereas the downstream slope is 1:1.4 at the lower 110 m and 1:1.55 at the upper 40 m. Zones 3B and 3C consist of rockfill from healthy or slightly weathered limestone. The concrete slab was placed upon a 4 m thick layer of well graded gravel (zone 2B), which is quite stiffer than zone 3B. A zoned fill was  placed  upon  the  slab  up  to  a  height  of  55  m  from  the  dam  base.  Fig.  1b  illustrates  the discetization  of  the  3‐D  geometry  of  the  embankment  and  the  23  concrete  panels.  The  phased construction  process  is  simulated  with  40  height  increments.  The  complex  geometry  of  the embankment and abutment boundaries is discretized using modified quadratic tetrahedral (C3D10M) that are suitable for contact problems. The width of each panel  is 15 m, except of the first and  last ones, where it is about half of this value. The thickness of each panel is 0.30 m at crest and 0.74 m at the toe of the maximum section. The slab panels are discretized using two layers of hexahedral solid elements. Reinforcement  is placed at  the mid‐thickness of  the  slab, consisting of 25 mm diameter steel bars at 15 cm distance  in  the  two directions of the concrete panels. Each panel has  interface properties  between  its  base  and  the  underlying  gravel,  as well  as  between  the  vertical walls  of adjacent  slabs.  The  concrete‐to‐gravel  friction  coefficient  is  =0.7  and  the  concrete‐to‐concrete friction coefficient is  c =0.5. Table 1 summarizes the values of all model parameters for the rockfill and gravel materials. After placement of the concrete panels, a fill is placed on the lower part of the slab to the height of 55 m (Fig. 1a). Creep settlements are simulated approximately by increasing and decreasing to the previous value the gravity load on the dam body, yielding a net settlement that is equal to the measured creep (≈0.15m). Fig. 5a plots the distribution of settlement after creep versus depth, whereas Fig. 5b plots contours of settlements at mid‐section, reaching a maximum of 2.37 m. Finally, the reservoir water is raised to the maximum level of 148 m.   

     Figure 5: (a) Measured and computed settlements at the end of creep versus distance from the crest 

    (b) Distribution of settlements at the end of creep  

  •  Figure 6: Imperial Valley 1940 earthquake, El Centro record (a) comp.  180 (b) vertical component  

      

     Figure 7: Concrete slab: (a) Peak major principal stress and (b) Peak minor principal stress  

    (Dynamic settlement = 0 m)  

     Figure 8: Concrete slab: (a) Peak minor principal stress and (b) Displacement in the y direction 

    (Dynamic settlement = 0.5 m) 

  • 4  Dynamic analysis and results  

    Fig.  6 plots  the  excitation  imposed  in  the  form of  traction  vectors.  Energy  radiation  is  accounted through viscous dashpots placed at the dam‐canyon  interface. The canyon rock has S‐wave velocity 

    0cV =2800 m/s,  density  c =2400  kg/m3  and  Poisson’s  ratio  cv =0.2.  The  hydrodynamic  pressures 

    acting on the upstream face are approximated using the added‐mass formulation by Zangar [7].  

    The peak upstream‐downstream and vertical acceleration histories at mid‐crest are equal  to 1.37g and 0.89g, respectively. The high accelerations are caused by “wave focusing effects” associated with the narrow canyon geometry and rockfill  inhomogeneity [3]. Fig. 7a plots the minor principal stress 

    1  in the slab, showing that tension develops from the perimeter to the central upper region, as the dam moves downstream. Although tensile cracks are expected in this region during shaking, they will close again after shaking due to static compressive stresses. Fig. 7b plots the minor principal stress 

    3  when the slab moves upstream. The compressive stresses reach a maximum value of ‐17 MPa.  

    As the rockfill settles, the high friction is dragging the panels towards the central section of the dam, thereby  increasing  the compressive stresses  y , especially  in  the central region; also,  it  is pushing the upper part of the slabs towards the toe plinth, thereby increasing the compressive stresses  x .  Figs. 8a plots the distribution of  3  when the dam is experiencing a maximum upstream movement for dynamic settlement  dynS = 0.5 m. The maximum compressive stress increases to ‐19 MPa. Figs. 8b plots  the distribution of  the horizontal displacement  yU  at  the moment of maximum downstream displacement. As  the dynamic  settlement  increases,  the concrete panels  tend  to move  towards  to mid‐section  causing widening  of  the  joint  gaps  near  the  left  and  right  sides  of  the  slab.  During shaking,  the maximum  horizontal  displacement  of  the  slab  panels  is  ≈0.12 m,  but  the  joint  gap openings are ≈ 0.065 m (less than the 0.1 m waterstop limit).  

    5. Conclusions 1. During  shaking,  tensile  stresses may  reach  the  strength  of  concrete  and  cause  some  cracks 

    which, most likely, will close again when the prevailing compressive stresses return after shaking.  2. The  compressive  stresses  developing  in  the  central  part  of  the  slab,  as  the  dam  body moves 

    upstream, are significantly higher than their static values.  3. Dynamic settlements tend to increase the compressive stresses, decrease any tensile stresses in 

    the central and upper part of the concrete slab, and cause horizontal movements of the panels towards the dam middle section.  

    6. References [1] ABAQUS (2008), Users’ Manual, Simulia, Pawtucket, Rhode Island. [2] Duncan  J. M. & Chang C. Y.  (1970), Nonlinear analysis of  stress and  strain  in  soils,  J. of  Soil 

    Mech. and Found. Engineering, ASCE, 96(5): 1629‐1653. [3] Gazetas, G., & Dakoulas, P.  (1992), Seismic Analysis and Design of Rockfill Dams: State of the 

    Art, J. of Soil Dynamics and Earthquake Engineering; 11(1): 27‐61. [4] Guan, Z.  (2009),  Investigation of  the 5.12 Wenchuan Earthquake damages  to Zipingpu Water 

    Control Project and an assessment of its safety state, Sc. in China, E, Tech. Sc.; 52(4):820‐834.  [5] Lee  J., &  Fenves,  G.L  (1998),  “A  plastic‐damage  concrete model  for  earthquake  analysis  of 

    dams”, Journal of Earthq. Eng. & Struct. Dynamics; 27: 937‐596. [6] Rollins, K., Evans, M., Diehl, N.B., & Daily, W.D. (1998), Shear modulus and damping relations 

    for gravel, J. Geotechn. and Geoenvironm. Engineering, ASCE, 124(5): 396‐405 [7] USBR,  State‐of‐Practice  for  the  nonlinear  analysis  of  concrete  dams  at  the  Bureau  of 

    Reclamation, US Department of Interior, Bureau of Reclamation, January, 2006. 

  • XI ICOLD BENCHMARK WORKSHOP ON NUMERICAL ANALYSIS OF DAMS 

    Valencia, October 20‐21, 2011 

     

    OPEN TECHNICAL SESSION 

     EFFECT OF LONGITUDINAL VIBRATIONS ON THE BEHAVIOR                              OF CONCRETE FACED ROCKFILL DAMS 

    Dakoulas, Panos1 

      

    Summary  The effect of longitudinal seismic excitation on the behavior of concrete face rockfill dams (CFRDs) in narrow canyons  is  investigated. Emphasis  is placed on the evaluation of the structural  integrity and waterproofing performance of the upstream  face concrete slab. The numerical study simulates the phased  construction process,  creep  settlements,  reservoir  impoundment and  seismic  shaking. The dynamic  analysis  takes  into  account  the  wave  energy  radiated  back  into  the  canyon  and  the development of dynamic settlements. The study uses an existing 150 m–high CFRD built in a narrow canyon,  to  investigate  some  key  issues on  the  seismic behavior of  such dams  to excitation  in  the longitudinal direction. Emphasis  is placed on the evaluation of compressive stresses along the slab‐to‐slab vertical  interfaces and  the opening of  the vertical  joints. Moreover,  the effect of potential dynamic settlements on both the slab stresses and joint openings is investigated.  

    1. Introduction Longitudinal vibrations of concrete  faced  rockfill dams may  increase  the  compressive  stresses and cause concrete failure  in the vertical  joints of the slab and opening of the  joints, resulting to water flow  through  the  rockfill.  If  significant  leakage  occurs  through  the  dam  rockfill,  it  may  cause additional settlement and therefore further damage of the concrete slab.  

     Figure 1.  Zipingpu Dam damage by the May 12, 2008, earthquake: (a) compressive concrete failure 

    along the vertical joints of the slab [10] and (b) settlement along the crest [6] 

                                                           1 Associate Professor, University of Thessaly, Department of Civil Engineering, Volos, Greece 

  • A recent example of a concrete face damage has been observed in Zipingpu Dam (China) during the May 12, 2008, Wenchuan earthquake (M=8). The dam has a height of 156 m and crest length of 635 m.  Located  at  17.17  km  from  the  earthquake  epicentre,  it  was  subjected  to  a  peak  ground acceleration  larger  than 0.5g, as reported by Guan  [6]. Designed  for a peak ground acceleration of only 0.26g, Zipingpu Dam suffered compressive failure of the concrete slab panels along the vertical joint, as shown in Fig. 1a. It is noted that the direction of wave propagation forms a small angle with the direction of  the  longitudinal  axis of  the dam. Crest  accelerations  recorded by  seismigraphs  at Zipingpu dam have shown very high values  ( 2g). Figure 1b plots  the observed settlement due  to seismic shaking along the crest of the dam, having a maximum value of 0.76 m [6]. 

    The objective of this paper is to investigate the seismic behavior of a concrete face rockfill dam in a narrow canyon subjected to longitudinal and vertical excitation. Emphasis is placed on the evaluation of  the  structural  integrity  and waterproofing  performance  of  the  upstream  face  concrete  slab. A refined  numerical  model  of  Messochora  Dam  (Greece)  is  utilized,  which  accounts  for  the  3D geometry  of  the  embankment  and  concrete  slab  panels,  the  phased  construction  process,  the reservoir impoundment, the rockfill creep settlement, the flexibility of the canyon rock and potential dynamic settlements. Fig. 2 shows Messochora Dam during construction of the slab. Fig. 3a shows a cross‐section of the dam, which has a height of 150 m and crest length of 330 m. The upstream slope is 1:1.4, whereas the downstream slope  is 1:1.4 at the  lower 110 m and 1:1.55 at the upper 40 m. Zones 3B and 3C  consist of  limestone  rockfill. The  slab was placed upon a 4 m  thick  layer of well graded gravel (zone 2B). A zoned fill was placed upon the slab up to a height of 55 m from the dam base.  Fig. 3b illustrates the numerical discretization of the embankment and the 23 concrete panels.  

     

     Figure 2: Messochora Dam (Greece) during concrete slab construction 

     Figure 3: (a) Cross‐section and material zones and (b) numerical discretization of the embankment 

    and the concrete face slab consisting of 23 panels 

  • 2. Constitutive models for rockfill and concrete  For the static analysis, the hyperbolic model by Duncan & Chang [3] accounts for the dependency of the  elastic moduli  on  the  current  stress  state  and  the  loading/unloading  stress  path.  The main advantage of the model is the considerable accumulated experience regarding the model parameters for various types of rockfill materials for which laboratory testing is difficult.  

    For the dynamic analysis, the tangent shear modulus  tG for monotonic loading is given by 

    0 2

    exp( (log ) / )/1 exp( (log ) / ) (1 exp( (log ) / )) ln10

    et

    e e

    a c baG Gc b b c b

                 (1) 

    where  e  = the equivalent shear strain and  , ,a b c = material constants derived from experimental data  [9].  For  unloading  and  reloading,  eq.  (1)  is  combined  with  the  Masing  criterion  to  form hysteresis loops.  

    The damage plasticity constitutive model for cyclic  loading of concrete [7]  is used for modeling the behavior  of  the  slab.  The model  takes  into  account  the  effects  of  strain  softening,  distinguishing between the damage variables for tension and compression. Here, the concrete slab  is assumed to have  a  density  =2350,  kg/m3,  a  compressive  strength  of  25 MPa,  a  tensile  strength  of  3 MPa, Young’s modulus  E = 29 GPa and Poisson’s ratio  = 0.2. More  information about  the constitutive models for rockfill and concrete, as well as values for all model parameters, are given in a companion paper on  the  seismic behavior of concrete  faced  rockfill dams  subjected  to upstream‐downstream vibrations [2].  

    3. Phased construction and impoundment 

    The phased construction is simulated with 40 height increments. The geometry of the embankment is discretized using modified quadratic tetrahedral elements that are suitable for contact problems,  whereas the slab panels are discretized with brick elements. The width of each panel is 15 m, except of the first and last ones, where it is ≈7.5m. Reinforcement is placed at the mid‐thickness of the slab, consisting of 25 mm diameter  steel bars at 15 cm distance  in  the  two directions of  the  slab. Each panel has  interface properties between  its base and  the underlying gravel, as well as between  the vertical walls of adjacent slabs. The concrete‐to‐gravel friction coefficient is  =0.7 and the concrete‐to‐concrete friction coefficient is  c =0.5. A fill is placed on the lower part of the slab to the height of 55 m  (Fig. 1a). Creep settlements are simulated approximately by  increasing and decreasing to the previous value the gravity load on the dam body, yielding a net settlement is equal to the measured creep (≈0.15m). Finally, the reservoir water is raised to the maximum level of 148 m.   

    4  Dynamic analysis and results  

    Fig.  4  plots  the  excitation  imposed  in  the  longitudinal  and  vertical  direction,  consisting  of  the  El Centro  record No. 9  (Imperial Valley 1940 earthquake). The  longitudinal acceleration  is scaled  to a peak value of 0.35g, whereas  the vertical acceleration  to 0.175g. The excitation  is  imposed  in  the form of  traction vectors. Energy  radiation  is accounted  for  through viscous dashpots placed at  the dam‐canyon  interface. The canyon rock has S‐wave velocity  0cV =2800 m/s, density  c =2400 kg/m

    3 and Poisson’s ratio  cv =0.2.  

    The computed peak longitudinal acceleration at mid‐crest is equal to ≈1.5g. Additional analyses using different earthquake excitations have shown a range of mid‐crest longitudinal acceleration response from  1g  to  1.5g.  Similarly  high mid‐crest  accelerations  have  been  also  predicted  for  the  case  of upstream‐downstream  excitation  of  the  dam  [2].  Such  high  accelerations  are  caused  by  “wave 

  • focusing  effects”  associated  with  the  narrow  canyon  geometry  and  rockfill  inhomogeneity  with depth,  in  agreement  with  previous  analytical  studies  and  field  observations  [4,5,6,8].  The  peak relative mid‐crest displacement in the longitudinal direction for the El Centro record is 0.08 m.  

    Due to the high friction developing between concrete and gravel, sliding of the slab during shaking occurs only  in  the upper part of  the  slab  (approximately  along  the  top 20% of  the panel  length). Consequently,  large  inertial  forces  of  the  embankment  exerted  in  the  longitudinal  direction  are transferred through friction to the concrete slab, which is acting as a diaphragm wall. These inertial forces  are  causing  an  increase  in  compressive  stresses  in  the  slab  panels.  For  the  case  of  zero dynamic  settlement  ( dynS =0 m),  Fig. 5a plots  the minor principal  stress  3   in  the  slab  showing a maximum compressive stresses of  ‐17 MPa.  It  is noted that the compressive stresses  in the central region of the dam are smaller during  longitudinal vibration, compared to those experienced during upstream‐downstream vibration, shown in the companion paper [2].  

    Fig.  5b  plots  the  horizontal  displacement  yU   in  the  longitudinal  direction  at  the  moment  of maximum movement.  

     

     Figure 4: Imperial Valley 1940 earthquake, El Centro record No. 9 (a) comp.  180 (b) vertical comp.   

      

      

    Figure 5: Concrete slab: (a) Peak minor principal stress and (b) Peak relative horizontal movement 

    yU  in the longitudinal direction  (Dynamic settlement = 0 m)  

  •  Figure 6: Concrete slab: (a) Peak major principal stress and (b) Peak minor principal stress  

    (Dynamic settlement = 0.5 m)  

     Figure 7: Concrete slab: (a) Peak minor principal stress and (b) Displacement in the y direction 

    (Dynamic settlement = 0.5 m) 

    For the case of dynamic settlement having a maximum value at mid‐crest equal to  dynS = 0.5 m, Fig. 6a shows a significant increase of the compressive stresses in the slab. As the rockfill settles, the high friction  is  dragging  the  panels  towards  the  central  section  of  the  dam,  thereby  increasing  the compressive  stresses  y , especially  in  the central  region; also,  it  is pushing  the upper part of  the slabs  towards  the  toe  plinth,  thereby  increasing  the  compressive  stresses  x . Depending  on  the particular moment during shaking, the maximum compressive stress may appear in the central part of the slab or near the side of the slab, where there is an abrupt change of the plinth inclination, as shown in Fig. 6a. Here the maximum compressive stress is ‐19 MPa.  Fig. 6b shows that the horizontal relative movement of  the panels also  increases  from 0.1 m  to 0.16 m, as  the dynamic  settlement increases from 0 m to 0.5 m.  

    Figs. 5 and 6 correspond to vibrations only in the longitudinal and vertical direction. If simultaneous vibrations in the upstream‐downstream direction are also considered and the magnitude of dynamic settlement  increases  further  to  1  m,  then  for  the  excitation  record  considered  the  maximum compressive  stress  reaches  a  value of  ‐22 MPa.  To  control  the  development of high  compressive stresses  and  increase  safety  against  local  concrete  failure  along  the  vertical  joints,  one  possible solution  is to allow some  limited movement of the panels. This can be achieved by  introducing a 5‐

  • cm wide gap between slab panels in selected vertical joints. In this case such cuts are considered for joints J6, J12, J13 and J19.  In practice, these cuts should be filled with a compressible material and their watertightness should be secured.  

    For dynamic  settlement  dynS = 0.5 m, Figs. 7a plots  the distribution of  3   showing a  reduction of maximum compressive stress from  ‐19 MPa to  ‐16 MPa, due to the presence of the four slab cuts. Fig.  7b  plots  the  distribution  of  the  horizontal  displacement  yU   at  the  moment  of  maximum downstream displacement, having a peak value of about 0.16 m.  It  is noted  that despite  the  large movement of the panels near the crest due to their rotation and bending, the joint gap openings in Figs. 6b and 7b are less than the 0.1 m waterstop limit.  

    5. Conclusions The  effect  of  longitudinal  seismic  excitation  on  the  behavior  of  CFRDs  in  narrow  canyons  was investigated  numerically.  Emphasis  was  placed  on  the  evaluation  of  the  structural  integrity  and waterproofing performance of the upstream face concrete slab. The main conclusions of this study are the following: 

    1. Longitudinal vibrations of concrete  faced  rockfill dams, combined with dynamic settlements of rockfill, may cause significant compressive stresses in the concrete panels, and therefore should be taken into account. 

    2. Horizontal movements of the slab panels  in the  longitudinal direction may  increase significantly with dynamic settlement. 

    3. A reduction of compressive stresses may be achieved by  introducing 5‐cm wide cuts along few selected vertical joints of the concrete slab.   

    6. References [1] ABAQUS (2008), Users’ Manual, Simulia, Pawtucket, Rhode Island. [2] Dakoulas, P. (2011), Seismic behavior of concrete faced rockfill dams, Proceedings of the 11th 

    ICOLD Benchmark Workshop on Numerical Analysis of Dams, 20‐21 October 2011, Valencia, Spain.  

    [3] Duncan  J. M. & Chang C. Y.  (1970), Nonlinear analysis of  stress and  strain  in  soils,  J. of  Soil Mech. and Found. Engineering, ASCE, 96(5): 1629‐1653. 

    [4] Elgamal, A.W.M. & Gunturi  (1993), R. Dynamic behavior and seismic response of El  Infernillo dam, J. of Earthquake Engineering and Structural Dynamics; 22(8):665‐684. 

    [5] Gazetas, G., & Dakoulas, P.  (1992), Seismic Analysis and Design of Rockfill Dams: State of the Art, J. of Soil Dynamics and Earthquake Engineering; 11(1): 27‐61. 

    [6] Guan, Z.  (2009),  Investigation of  the 5.12 Wenchuan Earthquake damages  to Zipingpu Water Control  Project  and  an  assessment  of  its  safety  state,  Science  in  China,  Series  E,  Tech.  Sc.; 52(4):820‐834.  

    [7] Lee  J., &  Fenves,  G.L  (1998),  “A  plastic‐damage  concrete model  for  earthquake  analysis  of dams”, Journal of Earthq. Eng. & Struct. Dynamics; 27: 937‐596. 

    [8] Mejia, L.H., & Seed, H.B. (1983), Comparison of 2D and 3D analyses of earth dams, Journal of Geotechnical Engineering, ASCE 1983; 109(11):1383‐1398. 

    [9] Rollins, K., Evans, M., Diehl, N.B., & Daily, W.D. (1998), Shear modulus and damping relations for gravel, J. Geotechn. and Geoenvironm. Engineering, ASCE, 124(5): 396‐405 

    [10] Wieland, M.  (2009),  “Concrete  face  rockfill dams  in highly  seismic  regions”, 1st  International Symposium on Rockfill Dams, 18‐21 October, Chengdu, China. 

  • XI ICOLD BENCHMARK WORKSHOP ON NUMERICAL ANALYSIS OF DAMS 

    Valencia, October 20‐21, 2011 

     

    OPEN TECHNICAL SESSION 

      

    NON‐ELASTIC MOVEMENTS ANALYSIS IN ORDER TO EVALUATE ARCH DAM SAFETY 

    Sánchez Caro, Francisco Javier1  

    CONTACT Francisco Javier Sánchez Caro GEOTECNIA DE PROYECTOS Y OBRAS (GEOprob) Ctra. Carabanchel a Aravaca, 9     28024 MADRID Phone: (+34) 91 5120437      e‐mail: [email protected] 

     Summary  This  paper  examines  the  process  of  analysis  and  monitoring  of  arch  dam  deformations, establishing procedures, criteria and/or limitations, in order to detect and prevent problematic behavior, basically  in  the operating phase. From  this point of  view,  this paper assigns great importance  to  the  analysis  of  the  evolution  of  non‐elastic  deformations,  as  a  key  tool  for evaluating  dam  safety.  This  analysis  procedure  has  the  advantage  of  fully  objectivity (detachment) because, in fact, it is to see the movements’ data in another way. 

    The aim of this paper  is to reach practical conclusions based exclusively on research  into real events (El Atazar dam). Nowadays, its application allows to “Canal de Isabel II” (Water Supply Authority of Madrid City and its Province) not only the daily control of the behavior of the dam movements but also the retrospective analysis of the behavior evaluating past evolution. 

    1. Preliminary aspects. Creep deformations 

    All materials modify  their  properties  with  time.  These modifications  are  noticeable  in  the effects that  loads have on them. Of the former  is the well known creep or slow strain under the influence of constant stress. The stages of creep are: 

    • Primary  or  initial  creep,  where  the  strain  rate  is  relatively  high,  but  slows  with increasing strain. 

    • Secondary or steady‐state creep, where the strain rate eventually reaches a minimum and becomes near constant. 

    • Tertiary creep, where  the  strain  rate exponentially  increases with  stress  till eventual failure. This  stage does not always happen and, depending on  the material  and  the stress level, can never be reached (hence never reach failure). 

                                                           1 Ph. D. Civil and Geotechnical Engineering. GEOprob 

  • ⎟⎟⎠

    ⎞⎜⎜⎝

    ⎛∂∂

    =∂∂

    cCCe

    tet α

    σσ

    ⎟⎟⎠

    ⎞⎜⎜⎝

    ⎛∂∂

    =∂∂

    cCC

    tt α

    σεσε

      

     

     

     

     

    Figure 1. Strain phases in the creep process. 

    According to the edometric model (for normal consolidated clay), where Cc and Cα values are the compression index and the secondary compression index (respectively) in the formulae:   

    The rate Cα/Cc  is very similar  in many materials  (Mesri y Castro, 1987; Soriano, 1992) and  it can be assumed that it is a constant value and non dependent on the material. The following expression can be then assumed: 

     

    It  can  be  concluded  that movements  induced  by  constant  loads  in  a  period  of  time  are proportional to the instant movements when a certain load is applied. In fact, this simplified model has been used  for  the numerical analysis of  long  term movements  in embankments, earth dams, etc. (this type of model has been also developed in other engineering fields, such as  Branson  in  1971  for  the  estimation  of  long  term  deflection  in  reinforced  concrete structures). Let’s keep in mind this simple idea, for now. 

    2. El Atazar dam 

    2.1. General features 

    El Atazar dam  (Lozoya river, Spain)  is an arch dam  (double curvature) 134 m high  (maximum over foundation), and it is the most important dam of the water supply system of Madrid. The design engineer was Dr. Laguinha Serafim and  it was built between 1966 and 1972. The dam foundation  consists  of metamorphic  rock  from  the  Paleozoic  era  (Silurian  slate  and  schist), affected by  several  families of discontinuities and  faults. At  that  time,  the dam project was quite controversial, since, on  the opinion of various  technicians,  the conditions of  the valley were not suitable for the construction of a arch dam of this type; the geometry of the valley was a  little  too wide and  the  foundation was  found also  to be  too deformable  (deformation module  thought  to  be  were  around  100.000‐175.000  kp/cm2).  The  foundation  excavation triggered  stability  problems  in  the  upstream  side  of  the  left  abutment,  which  was  solved building  a  reticular  structure  (conformed  by  large  reinforced  concrete  beams,  strongly anchored to the rock by 150 t anchors). 

  • Although  during  the  construction  almost  all  the  stability  problems  happened  at  the  left abutment,  the  geotechnical  parameters  of  the  foundation  at  the  right  abutment  were considered  somehow worse, which  leaded  to  the  construction  of  a  large  foundation  plinth (beam anchored) in most of the right side (downstream). 

     

     

     

     

     

     

     

    Figure 2. El Atazar dam (Plan view) 

    2.2. Beginning of the dam operation. Incident of February 1978. 

    El Atazar  dam  started  to  be  filled  in  1971  (after  the  partial  injection  of  its  joints), without apparent  incidents  (the  dam was  quite well monitored),  until  the  incident  of  18th  February 1978, which had not been previously detected. In the first days of 1978 the water level at the dam was about 5 m below  the  spill  level and  the  filtrated water  flow  through  the dam was about 30 l/s (four times higher than the filtrated flows registered in 1975, when the water level was similar). At the beginning of February that year the water level went rapidly high and new drains started draining.  In the evening of 18th February 1978 there was a sudden  increase of the  filtrated  flow  (a  crack  in  one  of  the  galleries was  detected)  that  suddenly  flooded  the galleries. The reservoir was at its historical maximum (elevation 868.72 m), only 1,28 m below the spill  level at  the  top of  the dam. The  infiltrated  flow at  that moment was  inferred  to be more than 130 l/s.  

    By opening the dam  low outlets, the water  level was  lowered and the filtrated flows reduced some days after. The following investigations discovered a fracture at elevation 770 m, 160 m long and a significantly wide (estimated between 1/3 and 3/4 of the dam total width), reaching one of the galleries. The two main conclusions of the report of D. Nicolas Navalón were:  

    1. The main  origin  of  the  fracture  had  a  thermal  nature,  due  to  the micro‐breaching developed  in the concrete by the strong thermal gradients existing  in the  inter‐phase cooled concrete – non‐cooled concrete.  

    2. The progress of the main fracture was eased by the continuous presence of water in it. The reasons for that situation are difficult to explain. 

    The fracture was sealed and properly drained, getting to the conclusion that the operation of the dam could continue with no further precautions. 

  • 2.3. Dam operation after February 1978. “Initial Model” and “Model 1990” 

    After the former measures were taken (mainly sealing the fracture and the installation of new instrumentation),  the  dam  entered  a new period of  regular operation.  The  behavior of  the dam seems acceptable until  the summer of 1985  (Madrid suffered a severe draught  in 1983 and 1984).  It was not until  the  summer of 1985  that El Atazar  reservoir  reached again high water  levels,  close  to  its historical maximum  (on  the 24th  July 1985  the water  level  reached elevation 868,79 m). Although the filtrated flows measured in the drains kept small, the truth is that it was registered a slight flow increase, which evidenced the re‐activation of the crack.  At  that  moment  different  prediction  /  evolution  models  of  the  different  dam  sensors (pendulums, extensometers, concrete thermometers, etc) were under construction. 

    Anyhow,  the operation of  the dam  continued until, after a  relative draught period,  the  first spill operation, on  the  spillway at elevation 870 m,  took place on 25th  July 1988. This event evidenced  clearly  the  re‐activation of  the  fracture  (crack),  in  terms of measured  infiltration, with appreciable  increasing  flows. Besides,  it was  acknowledged  that  the prediction models then elaborated  (especially the prediction of the radial movements of the pendulum system, which we will call “Initial Model”) were found not suitable to control the behavior of the dam. 

    From  that moment, an  important effort aiming  to guarantee  the dam  safety  started. These consisted, among others, on developing new prediction models to control the dam behavior, mainly  radial  movements  on  pendulum  system,  to  compare  real  movements  with  those expected. That was how the “Radial Movement Prediction Model” (“1990 Model” from now) was developed, which was operational  till 2006 and  that has been  found  to be probably  the most  useful  tool  to  track  the  behavior  of  the  dam  (being  the  author  of  this  article  the developer of that model, together with A. Soriano) 

    After the filling of 1988  it was recommended not to surpass the maximum radial movements that  the  dam  had  previously  experienced, which  practically meant  not  to  exceed  in winter (January  to mid March, where  the dam has  its maximum movements  towards downstream due to thermal reasons) the water elevation 860 m. This restriction still applies today. 

    As  the  events  in  1988  re‐activated  the  fracture,  it was  considered  convenient  to  carry  out some  additional  sealing  work  by  the  end  of  1990  and  the  beginning  of  1991.  In  these conditions a  second spill  took place on May  the 17th 1991. The Radial Movement Prediction Model for the pendulum system (“1990 Model”, that then was already completed and under trials) behaved satisfactory, so soon later was definitively implemented. 

    The water  level  in  the  following  years  varied  largely,  from  strong draughts  to  close  to  spill situations,  but  always  respecting  the  restriction  of  not  filling  the  reservoir  totally  in  the winters.  During  the  last  20  years  and  every  time  an  increase  in  the  infiltrated  flows  was observed,  improvements  in  the  sealing of  the  fracture were carried out using more modern and  flexible epoxy bi‐component  resins  than  those used after  the event of 1978. Of course, every time the fracture was treated, the drainage system was restored. 

    3. Need of a new forecasting model (“2005 Model") 

    In  2005,  the  possibility  of  improving  the  Radial Movement  Prediction Model  (the  so‐called "2005 Model", also developed by  the undersigned) was brought up. This “2005 Model” was 

  • designed to replace the previous model, "1990 Model",  in service since November 1990. The performance of  the  "1990 Model"  in  those  fifteen  years of operation must be  classified  as "good enough", because it had complied with the goal of monitoring the dam in high pool level scenarios. Its accuracy was also reasonable, since maximum errors of a few millimeters (within a  range  of  nearly  6  cm  in  the  radial movements)  are  to  be  considered  excellent  for  this complex structure, which has the following singularities: 

    • A pretty high  ratio of  the width of  the  valley  at  the  level of  the dam’s  crest  to  the height of the dam (“span/height” ratio)

    • A hyperannual reservoir • Large variation in daily radial deformations • Existing cracks in the vault – double curvature ‐ arch dam  (with periodic treatments)  • The obvious existence of permanent displacements, of plastic character • Other (solar radiation, high temperatures  in summer with a strong effect of reservoir 

    temperature on the upstream face, etc.)

    The need  to  improve  the Radial Displacement Prediction Model  arose  as  a  consequence of wanting  more  control  over  a  future  filling  of  the  reservoir  in  winter  (in  different  stages, designed  to  assess  the  suitability  of  the  existing  "pool  level  restriction"). Thus,  the  "2005 Model" could be approached from two different viewpoints:

    • Performing  "ex novo" a different prediction model, using,  for example,  the  inherent potential found in fuzzy logic formulations, genetic algorithms, ...

    • Upgrading  the previous model, by  improving  its  formulation  (considering  the  "1990 Model" had been very reliable and had a longer data set).

    Obviously, the work presented here is in line with the second approach. 

    4. Differences between the 1990 and 2005 models 

    The so‐called "Initial Model" was purely statistical  (and, despite  it was correctly drawn up,  it did  not  work  properly).  There’s  no  intention  to  go  into  detail  about  the  mathematical formulation of the "1990 Model", but it’s important to note that it was a non‐statistical model. The  reason  for not making  a purely  statistical model was  the  failure of  the  "Initial Model". Therefore,  in the "1990 Model" all parameters were "manually set" considering their  isolated evolution  against  reservoir  level,  temperature,  etc. In  return,  it was possible  for  the model parameters to have a fairly clear physical meaning.

    The new prediction model  ("2005 Model")  is  constructed upon  the previous model, but has some differences. It  is now a pure statistical model  (when developing the model, the author was convinced it would work properly), which makes an automatic adjustment of parameters (minimum root‐mean‐square error and null mean error). The selected adjustment period runs from January 1st, 1991 to December 31st, 2005.

    In  addition,  both  1990  and  2005  models  share  an  elastic  formulation  to  predict  radial movements,  that  is,  there  are  no  permanent  displacements  considered.  Soon,  the  first impressions about  the "2005 Model" performance were obtained. The accuracy achieved by 

  • this model seemed better than the previous one. For example, the standard deviation of the "2005 Model" made up a third of that corresponding to the "1990 Model". 

    5. Error analysis in the 1990 and 2005 models 

    Regardless of the overall precision or goodness of a model, it is interesting to carryout an error analysis.  The  evolution  over  time  of  this  error may  indicate  the  existence  of  a  permanent displacement or plastic deformation in the dam (these models lack this analysis, because they have  an  "elastic"  formulation). This  has  been  carried  out  on  both  1990  and  2005 models, delivering several graphics for the 46 pendulum bases (coordinometers), that is, points where the coordinates of the steel wires that make up the plumb‐lines are determined:

    • Evolution over time of real and modeled radial displacements • Evolution over time of the deviation (difference between real and modeled movements) • Evolution  of  this  deviation  against  reservoir  level,  setting  apart  five  different  periods 

    (1991‐93, 1994‐96, 1997‐99, 2000‐02, 2003‐05) • Evolution of this deviation against temperature T30 (temperature moving average of the 

    last 30 days), setting apart the same five periods • Evolution of  this deviation  against  seasons of  the  year  (according  to  a  standard  year), 

    distinguishing also those five periods

    All these 460 graphics are quite clear and suggest the existence of an evolution over time  in the model error. 

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    Figure 3. Several graphics for Error analysis, applied to radial movements.               Real (observed) minus Modeled. Pendulum 3 Base 2. 

  • 6. Permanent displacements and rate of error evolution over time 

    For each of the 46 measuring points (pendulum bases), a graphical summary of evolution over time for the annual mean error and the annual mean squared error was developed (this error is the difference between measured and modeled deformations), as well as an adjustment of the linear regression calculations associated to both the "1990 Model" and the "2005 Model".

    Obviously, the evolution over time of the annual mean error may be an indication of temporal drift  (creep),  that  is,  the dam and  its  foundation develop permanent deformations. In short, the  slope  of  the  linear  regression  line  could  note  the  existence  of  certain  unelastic displacement  pattern  in  the  vault  and/or  its  foundation. If  these  charts  are  analyzed,  the following conclusions can be drawn:

    • For  both  models  ("1990"  and  "2005")  and  all  46  reading  points,  a  fairly  good correlation is achieved

    • For both models and all reading points, the regression line shows a positive slope

    Do not think this  is a coincidence. It  is quite evident that the dam  is undergoing, even today, plastic  deformations which,  according  to  this  approach,  can  be measured  quite  accurately. Obviously,  once  the  regression  line  is  estimated,  it’s  straightforward  to  find  the  estimated permanent displacement rate. It is also another way to look at the data, which is unbiased (not open to question), and reproducible by any engineer. To sum up, the non‐elastic/permanent radial displacement rate of a given point in the dam is a piece of information provided by the monitoring system, by means of the plumb lines (pendulums). The fact that these rates were the data seen otherwise, and not a conclusion of the dam behavior, led the author to further explore the issue. 

     

     

     

    Figure 4. Non‐elastic radial movement rate (i.e. Pendulum 2 and 4). Note that the rate of movement is identical in both models. They are data seen in another way 

    7. Fatigue and creep structural deformations  

    Fatigue deformations are due  to  constant amplitude  cyclic/alternating actions  (loads and/or temperature). It is known that these "fatigue" deformations can be likened to a certain "creep" deformations for an equivalent effective loading. 

  • Assumed that "equivalence or assimilation" between these processes of "creep and fatigue" in a more general one could be called "global creep", we can conclude (see Section 1) that radial creep movements  in  a  period  of  time  Δt  (inelastic)  are  proportional  to  the  instantaneous movement produced by applying a given load (a certain situation of reservoir level). 

    But there's more. Assuming this fact, being Δt any value (1 day, 1 month, 1 year, 1 century, ...) must also be satisfied that the creep movement rates in a certain period of time Δt (inelastic) are proportional to the instantaneous movements produced by applying a given load (a certain situation of reservoir level). 

    The  next  step  is  to  assume  that  these movement  rates  are  comparable  global  creep  strain rates.  If  this  is accepted,  the conclusion  is clear: how  to distribute  the  strain  rate  should be deferred  similar  (proportional)  to  the  deformed  shape  (elastic  curve)  produced  by  the application of a given load (a certain situation of reservoir level). 

    It  is necessary  to make an  important clarification  to  the above statement: how  to distribute the global creep strain rate will be similar (proportional) to the deformed shape (elastic curve), provided that the failure condition is not reached at some point of the structure. 

    With these  ideas  it  is possible, from a qualitative point of view, analyzing the behavior of the dam  of  El  Atazar,  assigning  the  "existence  of  any  cracks"  in  the  areas  of  highest  inelastic deformation rate gradient. The result of this analysis must be described as very consistent. 

     

     

     

     

     

     

    Figure 5. Qualitative analysis of the non‐elastic radial movement rate  

    8. Historical evolution of global creep deformations 

    A general law for the evolution of the creep strain rates could be like: 

     

     

    For most of Civil Engineering processes, it holds that m = 1. The simplest formulation would be like: 

     

     

    ),( TFtt

    ttK ε

    m

    R

    Rm

    σ⎟⎟⎠

    ⎞⎜⎜⎝

    ⎛−

    =&),( teett

    ttA RT

    QD

    m

    R

    Rm

    σε α Ψ⎟⎟⎠

    ⎞⎜⎜⎝

    ⎛−

    =⎟⎠⎞

    ⎜⎝⎛−

    &

    ⎟⎟⎠

    ⎞⎜⎜⎝

    ⎛−

    =tt

    ttk ε

    R

    R&

  • This  is  not  to  detail  here  the  aspects  of  formulating  this  law.  This  is  just  to  comment  that clearly stable creep processes  (i.e., those  in the time  it reaches the  failure are  long enough), are often expressions where the product of the strain rate with time is approximately constant (at  least  for materials  containing  free hydrogen, which  is  a process of  embrittlement).  This results  in the typical approximate  logarithmic expressions for the evolution of these  inelastic creep deformations. 

    9. Conclusions 

    From  the  analysis  so  far,  seemed  to  imply  that  the  recent  creep movements may  point  to  pronounced plastic deformations in the area of the foundation of the left bank. Is this a recent process? Does this process have something to do with the incident of 1978? 

    Logically,  if  we  try  to  apply  "retroactively"  Model‐2005  at  the  whole  history  of  radial movements  of  the  dam,  we  can  try  to  analyze  the  significance  of  unadjusted  differences (deviations, in short). This exercise was also carried out (graphics of temporal evolution of the average annual deviation and  logarithmic fitting  in the period 1971‐2005) and the analysis of this information resulted in two obvious consequences: 

    • The crack appears and develops greatly during the  first filling, prior to 1973 (another thing is that the incident will not occur until 1978, which were found the intersection thereof with the gallery). The typical division to analyze the different behavior of the dam  before  and  after  1978  has,  therefore,  no  rationale,  from  a  structural  point  of view. 

    • The fit degree of the logarithmic law (for temporal evolution of creep movements) can be described as excellent. Thus, the creep process is unique and is fully active since the reservoir  filling  began,  being  the  root  cause  of  cracking  observed.  The  process continues today its natural course (creep law). 

      

     

     

     

     

     

     

     

    Figure 6. Application of “2005 Model” (logarithmic fit) to the entire history of the dam (Example: Pendulum 2 Base 3) 

  • In short,  the  rates of creep movements  that  took place at  the end of 1973  (much higher, of course,  than  those  which  occurred  in  the  period  1991‐2005),  had  already  identified  the essential features of the process (sliding of the dam foundation in the area of the left bank). 

    The described procedure  is basically another way of viewing the data, which  is fully objective (little debatable) and reproducible by any technician. 

    “Canal de Isabel II” not only has a new model for predicting radial movements ("Model 2005"), but  also  a  safety  simple  criterion:  the  dam will  be  safe  enough while  the  rate  of  inelastic movements remains downward. 

     

     

     

     

     

       

    Figure 7. Non‐elastic radial movement rates in El Atazar dam.                                           Initial (1973) and current (1991‐2005) rates. 

     

    References 

    Bonaldi, P.; Di Monaco, A.; Fanelli, M.; Giuseppetti, G.; Riccioni, R.  (1982): “Concrete Dam  Problems:  An  Outline  of  the  Role,  Potential  and  Limitations  of  Numerical Analysis”. Numerical Analysis of Dams. Ed. Naylor, Stagg, Zienkiewicz. pp 28‐81. 

    Lombardi, G. (1998): “Informe final sobre la seguridad de la obra y de su cimentación”. Report Nº 718.5‐R‐8.  

    Mesri,  G.  and  Castro,  A.  (1987):  “Cα/Cc  Concept  and  Ko  during  Secondary Compression”. Joumal of Geotechnical Engineering, ASCE, Vol. 113, (3): 230‐247. 

    Sánchez  Caro,  F.J.  (2007):  “Seguridad  de  presas:  Aportación  al  análisis  y  control  de deformaciones  como elemento   de prevención de patologías de origen geotécnico“. Tesis Doctoral. July 2007. U.P. Madrid.                                                               

    Soriano Peña, A., Sánchez Caro, F. J. and Arcones Torrejón, A. (1992): “Back analysis of arch dam movements”.  International Conference: Geotechnics and Computers. París. September 1992. 

     

  • XI ICOLD BENCHMARK WORKSHOP ON NUMERICAL ANALYSIS OF DAMS 

    Valencia, October 20‐21, 2011 

     

    PROBABILISTIC ANALYSES OF THERMAL INDUCED CRACKING IN A CONCRETE BUTTRESS DAM  

     

    Malm, Richard1 

    Eriksson, Daniel2 

    Gasch, Tobias 3 

    Hassanzadeh, Manouchehr4 

     CONTACT Richard Malm,  Vattenfall  Research  and  Development  AB,  BU  Engineering,  Asset  Development,  Jämtlands‐gatan 99, SE‐ 162 16 Stockholm, Sweden, Phone +46 8 739 57 21, [email protected] 

     

    Summary  Recent assessments and investigations of buttress dams in northern Sweden reveal several types of cracks. The theoretical analysis and field measurements have showed that the most of the cracks are either developed or propagated as a result of the seasonal temperature variations. Cracks influence the  behaviour  of  the  dams  in  different  ways,  such  as  reducing  the  tightness  of  the  dam  and increasing  the hydraulic pressure within  the material/structure.  Furthermore,  cracks may have  an impact  on  the  stiffness  and  stability  of  the  dam.  The  ordinary  sliding  and  overturning  stability analyses are not sufficient when  the supporting structure  is cracked. The cracks may comprise  the integrity  and  the  homogeneity  of  the  structure.  A  cracked,  and  for  that  matter  even  repaired structure,  can’t  be  regarded  as  a  homogenous  structure  and  should  be  treated  accordingly. Consequently, other types of models instead of the conventional design models should be utilized for the stability analyses of the cracked and repaired dams. 

    The mode of the failure is one of the decisive elements considering determination of the probability of the failure. The conditions for crack initiation and the trajectory of the crack propagation are the decisive  factors which govern  the  failure mode. Ordinary design methods and advanced numerical models which  are  based  on  the  elastic  behaviour  of  the  structure  can’t  be  utilized,  since  these models  are not  able  to describe  the non‐linear behaviour  and  to predict  the  failure mode of  the structure. 

    A  finite‐element model  based  on  non‐linear  fracture mechanics  is  being  utilized  to  study  crack development  in a buttress dam. The aim of the study was to reveal crack trajectories and different probable  failure modes,  and moreover  to  determine  the  influences  of  the  cracks  on  the  overall behaviour  of  the  structure.  In  a  real  structure  the  loading  (mechanical  and  environmental)  and boundary  conditions  are  decisive  factors  regarding  initiation,  propagation  and  trajectory  of  the 

                                                           1 Vattenfall Research and Development AB, Engineering, Stockholm, Sweden /KTH Royal Institute of Technology  2 Vattenfall Research and Development AB, Engineering, Stockholm, Sweden 3 Vattenfall Research and Development AB, Engineering, Stockholm, Sweden  4 Vattenfall Research and Development AB, Engineering, Stockholm, Sweden /Lund University 

  • cracks.  Furthermore,  the  material  properties  and  their  statistical  distribution may  influence  the formation of cracks and the mode of failure.  

     

    1. Introduction In  this paper,  a  large  reinforced  concrete buttress dam  in northern  Sweden,  called  Storfinnforsen hydropower dam, has been studied. The dam consists of 100 concrete monoliths, each with a front‐plate facing the water and supported by a buttress, as illustrated in Figure 1. The total length of the dam is about 1200 m, where 800 m consists of concrete monoliths. The tallest monolith is about 40 m high, has an 8 m wide front‐plate; which is about 2.5 m thick at the base and 1.0−1.5 m thick at the dam crest. Each buttress  is 2 m  thick and  the  largest monoliths are about 30‐35 m wide near  the bedrock. There is an inspection gangway going through each buttress and besides this there are also vertical insulating walls, which together with the front‐plate form spaces where the temperature and humidity can be controlled. 

    The  Storfinnforsen  hydropower  plant  was  completed  in  1954  and  is  one  of  the major  Swedish buttress dams. Almost  immediately after completion, horizontal cracks were detected  in  the  lower part of the front‐plates, causing  leakage of water from the reservoir, [1].  In addition,  ice formation was found on the upstream side of the front‐plate. To reduce the risk of ice formation on the front‐plate and to reduce the thermal gradient through the front‐plate, an insulating wall was installed in the early 1990’s. This was built of polystyrene‐insulated steel sheets and the area between the front‐plate and  the wall was now heated with a controlled warm air  flow  from  the underground power station, [1]. In the inspection performed prior to the installation of the insulating wall, in addition to the horizontal cracks  in the front‐plate,  inclined cracks between the front‐plate and the foundation was also observed. These cracks are defined as  type 1 and 2  respectively  in Figure 1. A  few years after the  installment of the  insulation wall, new cracks were found on some of the monoliths. One type of  crack  that had  appeared was  an  inclined  crack  from  the  inspection  gangway  towards  the front‐plate, called  type 3  in Figure 1. Also, vertical cracks  from  the  foundation on  the downstream side of the inspection gangway, called type 4 in Figure 1, was found  

    Insulating wall

    Water level

    Buttress wall

    Inspection gangway

    Upstream side

    Downstream side

    Front-plate

    Figure 1: Illustration of three monoliths of the studied buttress dam and the observed cracks. 

     

    2. Non‐linear finite element model Finite  element  simulations  have  previously  been  performed  on  Storfinnforsen,  [2].    Non‐linear material  properties  was  considered  where  the  monolith  was  subjected  to  cyclic  variation  in temperature distribution for summer and winter conditions respectively; the first years were cycled without the insulating wall and the following cycles included the insulating wall, [3]. All cracks shown in Figure 1 were obtained in the FE analysis, where the horizontal cracks on the upstream side of the front‐plate,  i.e. type 1, occurred during the summer. The horizontal cracks on the downstream side and the inclined cracks, i.e. type 2, all occurred during the following winter. The inclined crack from 

  • the  inspection gangway,  i.e.  type 3, was  first obtained  in  the analyses during a  summer  load case after the instalment of the insulating wall.  

    In this project the influence of crack propagation due to a variation in material properties are studied for the inclined crack, type 3 in Figure 1, propagating from the inspection gangway of Storfinnforsen dam. A  3D  FE model with  shell  elements  have  been  developed  in Abaqus  version  6.10, where  a continuum  plasticity  damage  based model  called  concrete  damaged  plasticity  has  been  used  to simulate the nonlinear effects of concrete. 

    2.1. Stochastic material properties 

    To  study  the  effects  of  cracking  of  concrete  due  to  stochastically  assigned material  properties,  a Monte Carlo Simulation has been performed on Storfinnforsen.  

    In the previous analyses, homogenous material properties were assumed for the whole monolith. In this paper, material properties with a stochastic distribution will be assumed for the monolith. The material properties used  in the previous simulations are considered as mean values.  In the present analyses, material  properties  for  tensile  strength,  elastic modulus  and  fracture  energy  have  been generated.  All  have  been  assumed  to  have  a  log‐normal  distribution with mean  and  covariance presented  in  Table  1.  The  distribution  and  covariance  have  been  selected  according  to  the Probabilistic Model Code, [4]. 

    Table 1: Concrete material properties 

      Mean  Covariance  Tensile strength  2.5 MPa  COV = 0.30 Elastic modulus  25 GPa  COV = 0.15 Fracture energy  120 Nm/m2  COV = 0.30 

    Based  on  the mean material  properties  given  in  Table  1,  a  characteristic  length  of  the  fracture process  is equal  to 0.48 m calculated according  to Equation 1. The size of  the characteristic  length determines the brittleness of the material, where a higher characteristic length gives a more ductile material. With the randomly generated log‐normal distributed material properties the characteristic length varies between 0.25 m and 0.78 m. 

     2

    t

    fch f

    EGl    (1) 

    The compressive strength has not been studied in the analyses, since previous analyses showed that the compressive stresses are below 10 MPa, hence, the non‐linear effects of the compressive curve are not affecting  the results.  In  the  figures below,  the randomly generated material properties are shown  in  histograms  together with  the  sample  size  (N),  calculated mean  (µ),  calculated  standard deviation (σ) and covariance (COV). 

    0 1 2 3 4 5 6 70

    0.05

    0.10

    0.15

    0.20

    0.25

    Tensile strength (MPa)50 100 150 200 250 300

    0

    0.02

    0.04

    0.06

    0.08

    0.10

    0.12

    0.14

    0.16

    0.18

    0.20

    Fracture energy (Nm/m )210 15 20 25 30 35 40 45

    Elastic modulus (GPa)

    Pro

    babi

    lity

    N = 1000 = 2.53 MPa = 0.78 MPaCOV = 0.31

    Statistics of randomgenerated properties

    Statistics of randomgenerated properties

    2

    Statistics of randomgenerated properties

    N = 1000 = 120.9 Nm/m = 35.8 Nm/mCOV = 0.30

    N = 1000 = 25.2 GPa = 3.8 GPaCOV = 0.15

    2

    Pro

    babi

    lity

    Pro

    babi

    lity

    0

    0.02

    0.04

    0.06

    0.08

    0.10

    0.12

    0.14

    0.16

    0.18

    0.20

     Figure 2: Log‐normal distribution of the tensile strength, fracture energy and elastic modulus. 

  • The material properties have been generated  independently, meaning that the  initial correlation  is almost zero. However, the concrete material properties are dependent on each other; for instance, a high  tensile strength most  likely result  in both high  fracture energy and elastic modulus. Normally, equations to calculate the different material properties from another property are derived, usually, based on  the compressive strength other material properties can be calculated. This means  that a correlation  equal  to  one  is  usually  assumed.  In  reality,  there  is  a  variation  between  the material properties, where  for  instance  two  specimens with  the  same  tensile  strength  can  have  different fracture energy or elastic modulus. 

    In  order  to  represent  the  correlation  between  the material  properties,  all  vectors with  randomly generated material properties have been sorted. This resulted in the mean correlation between the material  data  shown  in  Table  2. With  this  approach  the  lowest  correlation  between  the material properties are obtained for the samples with the smallest and highest values respectively, which  is what could be expected in reality.  

    Table 2: Correlation between material properties 

      Tensile strength 

    Elastic modulus 

    Fracture energy 

    Tensile strength  1  0.988  0.996 Elastic modulus  0.988  1  0.996 Fracture energy  0.996  0.996  1 

     2.2. FE sub‐model 

    As a  first  step of  the analyses, a partially cracked monolith was  considered, as  shown  in Figure 3. Previous  analyses  showed  that  the  inclined  crack  propagated  towards  the  front‐plate.  The  pre‐cracked global model was  therefore used  to  simulate  further crack propagation and  to make  sure that  the  same  crack  propagation  was  obtained  as  in  the  previous  analyses.  The  obtained displacements from the pre‐cracked global model were after this transferred as boundary conditions to a sub‐model that had a refined mesh. The sub‐model with a high mesh density made it possible to, in a more detailed manner, describe the crack pattern. The size of the sub‐model has been chosen to be larger than the expected area that may be subjected to cracking. Based on the initial analyses, it was shown that a region of about 2.5 m around the crack tip had tensile stresses that were at least 0.5 MPa. In addition, the initial analyses showed that the crack had a higher likelihood to propagate upwards. Therefore, a  larger area above the pre‐defined crack was selected. The  length of the sub‐model perpendicular to the crack was chosen as 6 m and the length parallel to the crack was defined equal to 9 m.  

    Sub-model

     Figure 3: Illustration of the pre‐cracked global model and the area that constitute the sub‐model.  

    In  the  first step of  the sub‐model, each element was  randomly given one of  the sets of stochastic material  properties,  i.e.  tensile  strength,  elastic  modulus  and  fracture  energy.  The  material 

  • properties thereby vary over the whole sub‐model and are randomly defined at each element. Due to  the  random  definition,  the  mean  values  for  the  whole  sub‐model  was  always  close  to  the previously defined mean values  for  tensile strength,  fracture energy and elastic modulus. The sub‐model  is defined with  4‐noded  elements  S4R with  hourglass  control  and  a  characteristic  element length  equal  to  0.12 m,  corresponding  to  a  total  of  approximately  4000  elements.  The  element length of the sub‐model is defined to be less than half the characteristic length for the case with the lowest material properties generated. 

    In Figure 4, an example of  the material distribution used  in  the  simulations with  the  sub‐model  is shown. The left figure in Figure 4 shows the distribution of tensile strength assigned to the elements in  the sub‐model  for one analysis; below  the  left  figure  the average  tensile strength  for  the whole region  is presented. The  figure  to  the  right  in Figure 4 shows  the distribution of  the elements  that have  a  tensile  strength  higher  and  lower  than  the  expected  mean  value.  Similar  figures  were obtained  for  the elastic modulus and  fracture energy and every  simulation was performed with a different geometrical distribution in the assigned material properties.  

    The  aim  of  the  study was  to  reveal  the  affect  on  crack  trajectories  that  a  varying  distribution  in material  properties  may  have.  With  a  Monte  Carlo  Simulation,  where  a  sufficient  amount  of simulations are performed, it will be possible to determine the area that is likely to be subjected to cracking and also to determine the crack trajectory that is most likely to occur. 

     

    Figure 4: Distribution of tensile strength for the elements in the sub‐model.   

     

    3. Results The calculated crack patterns obtained  from 500  simulations are presented  in Figure 5.  In  the  left figure of Figure 5, every element that fully cracked,  i.e. has obtained a macro‐crack, is illustrated as black, while the result from the original analysis with mean values assigned to all elements is shown as magenta. This figure thereby shows the area that  is  likely to be subjected to cracking. However, this doesn’t illustrate the likelihood of cracking to occur within this region. Therefore, one additional figure  is  presented, where  the  number  of  times  each  element was  completely  cracked  in  all  the simulations has been calculated. Based on this, the probability of cracking occurring in each element is calculated based on the total number of simulations performed. The results are presented in form of contour plots of the probability of each element being cracked based on 500 simulations, where the elements that have a probability higher than 20% of cracking are shown in black. It can be seen that the crack trajectory obtained from the original simulation with mean values over the whole sub‐model does not exactly correspond to the area with the highest probability of cracking. Based on the 

  • contour plots,  the  crack pattern with highest probability has a higher  inclination  than  the original model. 

     Figure 5: Calculated extent of cracking and calculated probability of cracking.  

    4. Conclusions The simulations presented in this paper shows that the crack propagation and crack trajectories are influenced  by  a  variation  in  the  material  properties.  One  conclusion  that  is  drawn  from  these simulations  is that the crack trajectory obtained with the original simulation with mean values over the whole  region  differs  from  the  crack  trajectories with  the  highest  probability  from  the Monte Carlo  simulation. The  crack  trajectory  from  the Monte Carlo  simulation  is  steeper and  in addition propagates further than the reference model.  

    One possible overturning failure mode that could occur  is caused by widening of the  inclined crack between the front‐plate and the inspection gangway, thereby splitting the monolith in two halves. If this crack has a steeper inclination, a smaller mass will oppose the overturning of the upper part of the  cracked monolith.  In  addition,  the  steeper  crack  inclination  obtained  from  the Monte  Carlo simulation  results  in  that  the  crack  takes  a  shorter  distance  between  the  front‐plate  and  the inspection gangway. Hence, the total frictional force transmitted through the crack plane decreases, thereby reducing the resistance of an overturning failure further. The results presented in this paper only constitute a first step in using probabilistic analyses to determine possible failure modes and in future research will continue to further develop the methodology. 

     

    Acknowledgements The presented work was financially supported by the ELFORSK AB, Swedish Power Companies R&D association. The authors wish to thank Maziar Partovi and Giovanna Lilliu from TNO DIANA. 

     

    References [1] Eriksson, H., Investigation and Rehabilitation of the Storfinnforsen Dam, ICOLD 18th 

    International Congress on Large Dams, V. 1, Q68, R19, 1994, pp. 247‐259. [2] Björnström J., Ekström T., Hassanzadeh M. Cracked concrete dams – overview and calculation 

    methods, Report 06:29, Elforsk AB, Stockholm. 2006 (in Swedish). [3] Malm, R. and Ansell A. 2011. Cracking of a Concrete Buttress Dam Due to Seasonal Temperature 

    Variation. ACI Structural Journal 108 (1), pp 13‐22.  [4] JCSS, Probabilistic Model Code. 12th draft. 2001.  

  • XI  ICOLD  BENCHMARK  WORKSHOP  ON  NUMERICAL  ANALYSIS  OF  DAMS  

    Valencia,  October  20-‐21,  2011  

    OPEN  TECHNICAL  SESSION  

    NUMERICAL  ANALYSIS  AND  SAFETY  EVALUATION  OF  A  LARGE  ARCH  DAM  FOUNDED  ON  FRACTURED  ROCK,  USING  ZERO-‐THICKNESS  INTERFACE  ELEMENTS  AND  A  C-‐Φ  REDUCTION  

    METHOD  

    Aliguer,  I.1    Carol,  I.1  Alonso,  E.E.1  

    Río,  F.  2  Griñó,  R.  2    

    CONTACT  Geotechnical  Engineering  and  Geo-‐Sciences  Department  (DETCG)  

    ETSECCPB  (School  of  Civil  Engineering)  UPC    (UniversitatPolitècnica  de  Catalunya),  08034  Barcelona                                                                                                                                                                phone:    0034  934011695email:  [email protected],  [email protected],  [email protected]  

     Summary    A   140m  high   arch   dam   in   the   Pyrenees,   built   in   the   50’s,   is   founded   on   fractured   limestone   rock.  Since   the  beginning  of   the  design  process   two  main   families  of  discontinuities  were   identified.  The  dam  was  built  very  close  to  the  end  of  the  narrow  part  of  the  valley,  which  raised  stability  concerns  early  on.   In  the   late  80’s  –  early  90’s,  a  numerical  study  of   the  dam  was  developed  at   the  Dept.  of  Geotechnical  Engineering  and  Geo-‐Sciences    (School  of  Civil  Engineering)  UPC,  using  a  progressively  more  realistic  series  of  models  and  approaches,  culminating  with  a  3D  discretization  of  the  dam  plus  rock   mass,   in   which   discontinuities   were   explicitly   represented   using   zero-‐thickness   interface  elements  with  frictional  constitutive  laws  in  terms  of  stress  tractions  and  the  corresponding  normal  and  shear  relative  displacements.  In  the  present  study,  that  dam  and  its  foundation  are  revisited  and  reanalyzed  with   current,  more   advanced   numerical   tools   and   including   also   a   third   family   of   rock  joints   which   has   been   identified   more   recently.   The   same   mesh   is   used   as   a   departure   point,  although   a   much  more   detailed   description   is   now   possible.   The   analysis   is   also   approached   in   a  different   way,   now   using   the   traditional   c-‐φ reduction   method   developed   and   implemented  specifically  for  non-‐linear  zero-‐thickness  interfaces.  

    1.  Introduction  Canelles   dam   is   a   151m-‐high   arch   dam   located   in   the   Pyrenees   (Catalunya,   Spain),   which   was  completed   in   April   1958.   Since   this   date,   different   kinds   of   analyses   have   been   carried   out.  Monitoring   systems,   reduced-‐scale   model   tests   and   numerical   analyses   have   been   combined   to  provide  engineering  evaluations  of  the  dam  safety  [3].  One  of  the  main  numerical  studies,  concerning  the  stability  of  the  dam  and  both  abutments,  was  performed  during  the  90’s.  The  analysis  procedures  and  main  conclusions  are  reported  in  several  references  [1,2].  That  first  study  led  to  the  conclusion  that  the  dam  was  basically  safe  and  the  worst  scenario  corresponded  to  a  safety  coefficient  between  2  and  3.  

                                                                                                                   1GeotechnicalEngineering  and  Geo-‐SciencesDepartment  (DETCG)  UPC,  Barcelona,  Spain  2ENDESA,  Madrid,  Spain  

  • The  dam  is  founded  on  cretaceous  massive  limestone  that  is  fractured  by  two  sets  of  discontinuities  (Fig.1).  A  main  set  of  vertical  joints  is  oriented  parallel  to  the  valley.  The  other  family  is  a  set  of  N-‐S  planes  which   dip   an   average   of   55°towards   the   valley   (nearly   downstream).   A   Laser-‐Scanner   field  campaign   in   2009   led   to   the   identification   of   that   later   set   of   discontinuities.   In   addition,   bedding  planes  dip  45°upstream.  

     Figure  1:  General  view  of  the  left  abutment  and  anchorage  tunnels  

     

    Due   to   the   spatial   arrangement   of   the   three   rock   discontinuity   families,   several   rock   blocks   have  fallen  down   to   the  canyon,  which  kee