Utvikling av verktøy for optimal plastring av fyllingsdammer

In Norway, over 95 % of the electricity is produced by renewable hydropower. Water is stored in reservoirs to ensure power supply during the whole year. The water is stored with the aid of different types of dams. The research prosject PlaF focused on the stability of the protection on the downstream slopes of rockfilldams and is a contribution to dams safety. Acutally, there should not be any water on the downstream slopes of rockfill dams, i. e. on the air-side. In accidental circumstances however, water might either overtop the dam or flow through it. Under such conditions, the protection on the downstream slope made of stone will prevent the dam from erosion. The stability and construction of such erosion protection ble investigated in the research project. The erosion protection consists of stones which are either placed one by one in an interlocking pattern as placed riprap, or the stones are randomly distributed without any specific orientation as dumped riprap. Failure mechanisms, riprap parameters and existing studies about riprap stability ble analysed and summarised. Most of the studies in literature were carried out with dumped riprap on gentle slopes. There are few data available for placed riprap on steep slopes of 1:1.5 (vertical: horizontal), as steep as common slopes for rockfill dams in Norway. Therefore, physical tests were carried out in model with a scale of 1:10 and in the field with large-scale riprap stones in a scale of 1:2 compared to reality. The project contributed in addition to the development of the Smartstone measuring equipment to monitor the movement of stones. Placed riprap on 33 rockfill dams in Norway were investigated to get an overview about how placed riprap is constructed on site. The survey showed that the recommendations in the guidelines for embankment dams are difficult to meet because they are usint the minimum and maximum stein diameters instead of precentiles. The results of the model tests with overtopping were analysed and displacements were identified as relevant failure mechanism for placed riprap on steep slopes. The critical stone-related Froude number was used as indication of the stability of the erosion protection. In combination with the results of the field tests, placed riprap was on average seven times more stable than dumped riprap. Dumped riprap withstood however the discharges which are recommended in for design in the guidelines for embankment dams. The results of dumped riprap agreed well between the model and field tests. For placed riprap the agreement was good for the visual observed flow pattern and the rise in water level upstream of the test dams. However, the packing density was higher in the model tests and gives a possible explanation for the higher stone-related Froude numbers in the model. The tests with through-flow showed, that water pressure upstream of the riprap protection caused failure. A geotechnical analysis is necessary to investigate if such a water pressure can develop behind the riprap in reality. In the model tests only the two outermost layers of the dam, the riprap and the subjacent filter, were modeled. The current guidelines and recommendations can be revised as consequence of the results of this study. The recommendations should balance the stone sizes and prescription about placed riprap with the necessary stability based on relevant load scenarios and the desired level of safety.

I prosjektet skal vi utvikle et verktøy i form av en metode for produksjon og utførelse av plastring på nedstrøms side av fyllingsdammer. Plastringen skal gi et tilfredsstillende høyt sikkerhetsnivå mot erosjon ved gjennomstrømning eller overtopping. Eks isterende plastringsmetoder er basert på en nedarvet praksis for plastring av vannsiden, og liknende forsøk er ikke funnet rapportert eller gjennomført. Forskningen vil derfor fremskaffe helt ny kunnskap og legge grunnlag for et verktøy som til nå ikke ek sisterer. Det vil føre til en bedre forståelse av virkemåten av plastring og dermed være et viktig bidrag til økt damsikkerhet. Prosjektet vil kvantifisere den ekstra sikkerheten som ligger i plastring av fyllingsdammer. FoU-arbeidet gjennomføres av NTNU i hovedsak gjennom en Ph.D - stipendiat som engasjeres. NTNU leverer også forskerkompetanse og et antall masterstudenter som med sine prosjekt- og masteroppgaver vil være sentrale for selve utførelsen av FoU-arbeidet. Det er valgt modellforsøk som hoved metode på grunn av den komplekse interaksjonen mellom plastring og vannstrømning som per dagens dato ikke kan beskrives teoretisk i detalj. For å dimensjonere plastring etter gjeldende regelverk brukes empiriske formler fra tidligere modellforsøk, dog bas ert på annet grunnlag. I løpet av prosjektet vil det gjennomføres både modellforsøk i Vassdragslaboratoriet på NTNU og feltforsøk på et testområde i Sirdal. FoU-arbeidet vil publiseres fortløpende gjennom publikasjoner som skrives av stipendiaten. Verktø yet/metoden som utvikles gjennom arbeidet vil bekjentgjøres også i det norske fagmiljøet (kraftselskap, rådgivende ingeniører og myndigheter) direkte gjennom konferanser og seminarer, slik at det verktøyet kan prøves ut raskt og fortløpende.