Change search
ReferencesLink to record
Permanent link

Direct link
Rock mass behavior under hydropower embankment dams with focus on fracture erosion and rock mass stability
Luleå University of Technology, Department of Civil, Environmental and Natural Resources Engineering, Mining and Geotechnical Engineering.
2012 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

In Sweden there are about 190 large hydropower dams of varying age. According to the definition by the International Commission of Large Dams (ICOLD), if the height of the dam exceeds 15 m it is referred as large. Majority of these dams are of embankment type. The peak of the dam construction in Sweden was between 1950 and 1980, hence, the major part of the dams are between 30 and 60 years old. It is well known that the strength of dam body and foundation rock deteriorates with time. For this reason there are ongoing concerns for the hydropower industry regarding the production and safety of the dams. Currently, the majority of research efforts are concentrated on degradation of hydropower dams whereas less attention is paid to the bedrock under the dam, which is a critical factor for construction integrity and functionality.This work is focused on:1. Better understanding of the rock mass response to the loads caused by construction and exploitation of a hydropower dam, i.e. the loads from the weight of the dam and the water in the reservoir;2. Validation of the developed conceptual model on the case study; 3. Investigation of how static and cyclic loads of the hydropower dam effect the fracture erosion and rock mass stability and grout curtain based on case study (in long-term perspective). An extensive literature review of this field is performed. Based on it a series of factors are selected which are important in terms of opening and shearing along geological structures under dams and reservoirs. Developed conceptual model together with numerical code UDEC (2D) helped to identify the most significant (stress conditions, structural geology and properties of discontinuities) conditions of the rock. The construction of a dam on rock foundation (with its water reservoir) causes redistribution of the stress field, and affects the state of mechanical and hydro-geological properties of the rock mass beneath the dam. The combination of sub-horizontal discontinuities (bankning discontinuities) with sub-vertical discontinuities, which are perpendicular to the river valley, give rise to a water leakage under the dam. This behavior depends on the direction of the dip angle of the sub-horizontal discontinuities, either downstream or upstream. The adverse effect is caused by downstream direction. Magnitude and direction of the in-situ stress field, density of discontinuities, and friction angle of joints are also major factors which affect the behavior of the rock mass considerably. All these findings are in good agreement with the results of other authors. As the developed numerical model showed good agreement with previous research it was adopted for a case study. Håckren dam (Sweden) had been selected for this purpose. A series of field (mapping, RMR, Q, GSI) and laboratory tests (Bulk density, Porosity, Water content, Point Load Strength index) were applied. Results of numerical models showed a good agreement with monitored leakage into the inspection gallery. The deformations within the foundation rock mass has not been monitored therefore numerical results has been evaluated based on the literature review. Results from the numerical models in terms of shear and normal deformations (openings) in the bedrock did not show significant deformations (around 1 mm for shear deformation and less than 0.1 mm in case of opening). Cyclic loading of the water in the reservoir results in accumulation of the deformations within the rock mass. Such processes may create favorable conditions for development of erosion within the bedrock. Numerical results showed an increase of accumulated shear deformations within the rock mass within the first years but then it stabilized. These deformations are occurring along subhorizontal discontinuities in downstream side of the dam and along intermediate joints on the upstream side. The magnitude of opening of the discontinuities is staying low, less than 0.3mm. The inflow into the inspection tunnel increased only during the first years, and then stabilized. However the flow velocity around the inspection tunnel showed a small increase along several simulated years. Numerical simulations showed the stability of the foundation rock of the Håckren dam after construction and within 10 idealized years of the exploitation of the dam. The used approached showed its validity and applicability for preliminary evaluation of the foundation rock of the embankment dams, based on the Håckren dam case.

Abstract [sv]

Det finns över 190 kraftverks- och regleringsdammar i Sverige. De flesta dammarna färdigställdes från år 1950 – 1980 och de har nu varit i drift mellan 30 och 60 år. Tid har en dokumenterat negativ effekt på en damms prestanda. Varierande belastningar från vattenreservoaren under drift kan orsaka små förskjutningar av berggrundens sprickzoner. Dessa rörelser bidrar till nedbrytning av dammen och dess reservoar. Ett ökat vattenläckage och en förändrad portrycksfördelning kan leda till initiering av sprickerosion i berggrunden.Det är viktigt att öka förståelsen om berggrundens stabilitet, dess hydrogeologiska egenskaper och respons på belastningar från dammen ur olika tidsperspektiv. Ett angeläget arbete för svensk vattenkraftindustri är att säkerställa de åldrande dammarnas funktion och säkerhet. För att uppdatera och säkerställa det stora antalet dammar enligt nya beräknings- och bedömningsmodeller samt ändrade förutsättningar kommer många dammar att behöva uppdateras, och åtgärdas för att öka dess säkerhet, varför kraftindustrin framöver kommer att göra mycket stora investeringar.Syftet med denna doktorsavhandling är att studera vilka konsekvenser varierande belastningar från damm och reservoar har på berggrundens stabilitet och dess sprickerosion. Jag använder den kopplade hydromekaniska distinkt-element metoden UDEC [Itasca, 2005]. Små förskjutningar längs berggrundens sprickor har studerats över lång tid tillsammans med portrycksfördelning, vattenläckage och vattenflödeshastighet. De numeriska modellerna har en verklig damm som förebild med platsspecifika indata, nämligen Håckren fyllningsdamm i centrala Sverige.Två vinkelräta konceptuella modeller i 2D har utvecklats [Bondarchuk, 2008]. Berggrundens normal- och skjuvförskjutningar analyserades. Resultaten visar att sub-horisontella och subvertikala strukturer kan samverka och ge upphov till vattenläckage under dammen. Beteendet beror på bankningsplanens stupningsriktning. Sprickfrekvensen och de primära spänningarnas storlek och riktning är andra viktiga faktorer för berggrundens beteende.De två konceptuella modellerna har anpassats till en verklig dam genom att använda så mycket platsspecifik data som möjligt. Ny data samlades in med hjälp av vanlig förekommande ingenjörsgeologiska metoder. En god överensstämmelse mellan modellresultat och övervakningsdata indikerar att angreppsättet är robust och kostnadseffektivt även om vissa förbättringar kan genomföras inom givna budgetramar. Små förskjutningar längs berggrundens sprickor har studerats över en period som motsvarar 10 driftår tillsammans med portrycksfördelning, vattenläckage och vattenflödeshastighet. Resultaten visar att berggrunden till största delen är stabil men att små förskjutningar sker och att dessa påverkar distributionen av öppna porer som i sin tur leder till mycket oregelbundna flödesmönster som kan orsaka sprickerosion längs sprickytor och sprickfyllnadsmaterial. I förlängningen kan detta påverka injekteringsskärmens beständighet och därmed berggrundens täthet under dammen.

Place, publisher, year, edition, pages
Luleå: Luleå tekniska universitet, 2012.
Series
Doctoral thesis / Luleå University of Technology 1 jan 1997 → …, ISSN 1402-1544
Research subject
Mining and Rock Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:ltu:diva-17782Local ID: 52a57d1b-41bd-4abc-bbda-fdc12f927a52ISBN: 978-91-7439-409-2OAI: oai:DiVA.org:ltu-17782DiVA: diva2:990788
Note
Godkänd; 2012; 20120224 (alebon); DISPUTATION Ämnesområde: Berganläggningsteknik/Rock Mechanics and Rock Engineering Opponent: Professor Ignacio Escuder-Bueno, University of Valencia, Spain Ordförande: Docent Maria Ask, Institutionen för samhällsbyggnad och naturresurser, Luleå tekniska universitet Tid: Onsdag den 21 mars 2012, kl 10.00 Plats: D770, Luleå tekniska universitetAvailable from: 2016-09-29 Created: 2016-09-29Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(5488 kB)4 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 5488 kBChecksum SHA-512
168092722853fdfe5c59971204afedc53b6a216756c3f51d5187fa8b466964328ea9d1818256458a93d6c367a0a7eec5d6da367bc2da96590ff08e8c72c9b2fc
Type fulltextMimetype application/pdf

Search in DiVA

By author/editor
Bondarchuk, Alexander
By organisation
Mining and Geotechnical Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 4 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

Total: 12 hits
ReferencesLink to record
Permanent link

Direct link