Advanced solutions for sustainable assessment of existing gravity dams (Stable Dams)

Ifølge NVEs offisielle database er over 4002 dammer registrert i Norge i dag. Det antas at om lag 2000 små og gamle dammer ikke er registrert. Betong er det mest vanlige byggematerialet og mer enn halvparten av dammene er bygget av dette materialet. Nesten 90% av betongdammene i Norge er Små dammer. Stable Dams fokuserer derfor på denne type dammer. Byggingen av vannkraftverk i Norge fant sted i den store vannkraftsalderen som strekker seg fra 1945 til 1975, da ca 55% av betongdammene ble bygget. Det bygges imidlertid fortsatt betongdammer i dag. Over 200 betongdammer er bygget hvert tiår siden 80-tallet. Sikkerhetskravene som settes til dammer er økt med opptil 50% dersom en sammenligner kravene i byggefasen og i dag. Det betyr at et stort antall dammer må oppgraderes og forsterkes. Vedtakene om forsterkning og oppgradering er basert på en revurderingsprosess. Denne prosessen følger de samme prinsippene som designprosessen. Dette innebærer at usikkerhetene og potensielle feil før- og under byggetid, samlet innarbeides i partielle sikkerhetsfaktorer. Dette er ikke en riktig måte å behandle sikkerhet for en bygget konstruksjon, hvor dagens teknologi tilbyr at nesten alle parametere kan måles og kontrolleres. Innsatsen i StableDams fokuserer på å identifisere nye metoder, verktøy og teknologier slik at vi bedre kan forstå hva som er dammenes virkelige tilstand. Siden dette krever en tverrfaglig tilnærming, ble det foreslått et nytt rammeverk for hvordan en gjennomfører revurderinger. Det nye rammeverket introduserer flere nivåer, med økt kompleksitetsgrad, avhengig av behovene til en dam. Noen eksempler på målbare resultater fra Stabledams er: I 2018 har det blitt utført et eksperimentelt program av fire skalerte modeller av betongpilarer. Målet med testene har vært å undersøke ujevnheter , eller makroruhet, i grensesnittet mellom fjell og betong påvirker skjærestabiliteten til platedammer. Pilarene har blitt skalert i et forhold 1: 5 i henhold til spesifikke skaleringslover. Skalerte materialer er konstruert og forhåndstestet før produksjon av modellprøver. Numerisk modellering av testoppsettet er også utført før testing for å bestemme en best egnet belastningskonfigurasjon som kan representere det hydrostatiske trykket fra vannet. Foreløpige resultater fra testene viser at den topologiske profilen i stor grad vil påvirke skjærstabiliteten, og at den kan mangedoble kapasiteten. Resultatene fra testene analyseres nå, og sammen med parametriske studier utført ved numerisk modellering vil det danne grunnlag for anbefalinger for beregning av skjærstabilitet som inkorporerer topologiske profiler. I forbindelse med testene ble det også avholdt en 2-dagers workshop som samler rundt 20 deltakere fra Norge og Sverige. På workshopen ble resultater fra prosessen med planleggingen av forsøkene presentert og det ble gjennomført forsøk på en av modellene i laboratoriet. Siden september 2017 har et overvåkingssystem vært installert på en pilar på Kalhovddammen. Målet med instrumenteringen er å registrere og overvåke forskyvninger og rissåpninger innenfor en full lastsyklus, dvs typisk ett år. I tillegg til klassiske måleinstrumenter er også et nytt system basert på fotogrammetri utplassert. Målingene sendes eksternt til en server og resultatene kan følges på web i sanntid. Systemet har nå vært aktivt i et helt år, og gir unike data om pilarens oppførsel. Resultatene viser at bevegelsene i pilaren er syklisk, og det gir ingen indikasjoner som hentyder mot at propagerende. Dette er av spesiell interesse da det er demonstrert at metoden som er teste er egnet som alarmsystemer for å varsle potensielle dambrudd. Resultatene fra prosjektet har blitt formidlet via ulike kanaler, inkludert publikasjoner, workshops, møter og internettbasert formidling.Prosjektets hovedleveranser er oppsummert i 4 rapporter: 1. Litteraturstudium; som identifiserer verktøy, metoder og prosedyrer med potensiell bruk i vurderingsprosessen for små betongdammer. 2. Tilstandsvurdering og inspeksjon - beskriver utvikling og implementering av nye teknologier for å oppnå en datadrevet vurdering av eksisterende betongdammer. Den undersøker mulighetene for å bruke ikke-destruktive så vel som semidestruktive teknikker som kan anvendes for å støtte stabilitetsberegninger for eksisterende betongdammer. 3. Kapasitet og motstand - Dokumentet gir en grundig presentasjon av flere metoder innen tre hovedområder; teoretiske modeller, skalerte modeller og numeriske metoder for å undersøke motstanden og kapasiteten til små betongdammer. 4. Demonstrasjon - I dette dokumentet vises det hvordan de viktigste funnene i prosjektet kan brukes i vurderingsprosessen for en betongdam.

The main outcome of Stabledams is a set of four reports which enables dam owners to introduce a holistic strategy that enables a more accurate assessment of concrete dams safety. The impacts of the project will be visible within the coming years as results will be applied by the dam owners and their consultants. Alongside reducing, or removing, the costs and CO2 footprint directly linked to the physical interventions, the methods introduced by StableDams will greatly reduce production loss costs normally associated physical interventions. Another outcome of the project is increased research within an area that is of great importance for Norway. The project has involved an international research team, two Norwegian PhD candidates and several master students both in Norway and Sweden. Implementation of StableDams results will allow dam owners to increase their profitability ensuring better safety, increased dividend and more development of our most important renewable energy source.

The methods used today for verifying the structural safety of the dams were developed over 100 years ago and could be updated in accordance to the technologies used now. Mostly the verification consist of simple hand calculations carried out using these methods. The results of these assessments are not always accurate and many cases they yield to high costs for rehabilitation. This project aims to mitigate the impact of the increased safety requirements for existing gravity dams. The overall objective is to propose new assessment steps for calculating more accurately the structural safety of existing concrete gravity dams. The concept behind this management system is to utilize efficiently the information from an existing structure. Because of the advances in technology today it is possible to collect information that were not available, or tested, during design of the structures, hence to remove many of the uncertainties built in the safety factors. The project introduces evaluation steps based on methods such as material testing, statistical tools and numerical modelling. For demonstration purposes during this project a full scale test to failure will be conducted on a section of a concrete gravity dam. It is believed that using these methodologies and approaches answers can be found to research questions on how the stability is affected by: contribution of cohesion, elastic deformation, discontinuous nature of the potential failure plane or stress redistribution in materials and structural parts. Fundamental research will be carried out within two PhD projects guided by an international research group, where senior researchers have an active role in all activities. Master projects will be also defined for several sub-tasks of the project. Besides the scientific relevance of this work, it is sought during this project to strengthen the collaborations with dam owners, regulating bodies and consulting companies working in the hydro-power industry.