+ All Categories
Home > Documents > Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Date post: 13-Apr-2015
Category:
Upload: werewaro
View: 126 times
Download: 10 times
Share this document with a friend
Description:
overview design of embankment
83
MINE 480 Mine Waste Management MINE 590Q – Advanced Mine Waste Management Term 2 2013 Lecture 2 – Embankment Dams, Seepage, Filter Design and Cri@cal Gradient Dirk van Zyl Norman B. Keevil Ins@tute of Mining Engineering [email protected] (604) 8273462
Transcript
Page 1: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

MINE  480  -­‐  Mine  Waste  Management  MINE  590Q  –  Advanced  Mine  Waste  

Management    

Term  2  -­‐    2013  Lecture  2  –  Embankment  Dams,  Seepage,  Filter  Design  and  

Cri@cal  Gradient  

Dirk  van  Zyl  Norman  B.  Keevil  Ins@tute  of  Mining  Engineering  

[email protected]  (604)  827-­‐3462  

Page 2: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Sta@s@cs  on  Dams.  

                                 

-­‐Dams  worldwide  –  General  descripBon    A  data  base   from   ICOLD  accoun@ng  33105  dams  worldwide  has  been  compiled.  Results  from  this  informa@on  is  presented  as  follows:    

• Purpose  of  dams    

                               

Ref.-­‐Web.  (10)  ICOLD  (2011)  

Page 3: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Sta@s@cs  on  Dams.  

                                 

-­‐Dams  worldwide  –  General  descripBon    

• Single  purpose  dams.  

• Mul@-­‐purposes  dams.    

                               

Ref.-­‐Web.  (10)  ICOLD  (2011)  

Page 4: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Sta@s@cs  on  Dams.  

                                 

-­‐Dams  worldwide  –  General  descripBon    

• Dams  type.  

                                 

Ref.-­‐Web.  (10)  ICOLD  (2011)  

Page 5: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Sta@s@cs  on  Dams.  

-­‐Dams  worldwide  –  Failure  staBsBcs    

• Earth  and  rockfill  dams  o General  sta@s@c  of  failures        

                                 

ü Percentages  based  on  %  of  cases  with  known  failure  mode.  ü Percentages   do   not   sum   100%   as   dams   were   classified   as   mul@ple   modes   of  failure.  

Failure  mode   %  Total  failures    Overtopping   34.2    Spillway   12.8    Piping  through  embankment   32.5    Piping  from  embankment  to  founda@on   1.7    Piping  through  founda@on   15.4    Downstream  slide   3.4    Upstream  slide   0.9    Earthquake   1.7    Totals   102.6  

Ref.  (5)  M.  Foster,    R.  Fell  and  M.  Spannagle  (2000)  

Page 6: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Sta@s@cs  on  Dams.  

-­‐Dams  worldwide  –  Failure  staBsBcs    

• Earth  and  rockfill  dams  o Sta@s@c  of  failure  by    zoning  

                                 

Ref.  (5)  M.  Foster,    R.  Fell  and  M.  Spannagle  (2000)  

Page 7: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Sta@s@cs  on  Dams.  

                                 

-­‐Dams  on  BriBsh  Columbia  –  Failure  staBsBcs    

• There  are  approximately  1985  dams  opera@ng  in  Bri@sh  Columbia.    

• 287  dams  are  classified  as  high  hazard.  

• Purpose  of  these  dams  range  from  hydro  electric  to  domes@c  supply  .  

• Dams  range  in  size  from  small  privately-­‐owned  irriga@on  dams  to  B.C.  Hydro's  242  metre  high  Mica  Dam.  

                               

Ref.-­‐Web.  (11)  Ministry  of  Environment  of  BriBsh  Columbia  (2011)  

Page 8: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Sta@s@cs  on  Dams.  

                                 

-­‐Dams  on  BriBsh  Columbia  –  Failure  staBsBcs    

• Some   dam   failures   have   caused   serious   damage   too   the   province.   The   most  relevant  cases  are  summarized  as  follows:  

o In  1912  a  small  water   supply  dam  servicing   the  coal   shipping  port  of  Union  Bay  on  Vancouver  Island  failed  killing  one  man  and  causing  extensive  damage  to  property  and  the  coal  loading  port  facili@es.  

   o In   1941   a   10   metre   high   dam   located   above   the   town   of   Pen@cton   failed  resul@ng   in   severe   damage   to   the   downstream   area.   If   the   dam   failed   with  today's  popula@on   living  below,  economic  and  environmental  damage  would  be  extensive  and  the  probability  of  loss  of  life  would  be  high.    

o In   May   1995,   a   6   metre   high   earth-­‐filled   irriga@on   dam   failed   causing  approximately   half   a   million   dollars   damage.   The   sudden   release   of   storage  killed  48  head  of  cafle,  destroyed  1.5  km  of  a  public  road,  damaged  100  acres  of  hay  field  and  introduced  700,000  cubic  metres  of  material  into  the  Quesnel  River.  (Ministry  of  Environment  BC.,  2011).                                  

Ref.-­‐Web.  (11)  Ministry  of  Environment  of  BriBsh  Columbia  (2011)  

Page 9: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Sta@s@cs  on  Dams.  

                                 

-­‐Dams  on  BriBsh  Columbia  –  Failure  staBsBcs    

• BC  Hydro  has  developed  a  deficiency  priori@za@on  system  to  evaluate  the  level  of  performance  of  dams  within  the  province.  The  actual  and  poten@al  deficiencies  are  presented  in  the  next  matrix.  

Ref.  (11)  from:  BC  Hydro,  2003.  Ref.-­‐Web.  (11)  Ministry  of  Environment  of  BriBsh  Columbia  (2011)  

Page 10: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Sta@s@cs  on  Dams.  

                                 

-­‐Dams  on  United  States  –  Failure  staBsBcs    

• Some  of  the  most  relevant  dam  failures  in  US  history  have  been  summarized  by  the  Flood  Hydrology  and  Meteorology,  Technical  Service  Center,  Bureau  of  Reclama@on,  Denver  Federal  Center.  Results  from  this  inves@ga@on  are  presented  as  follows:    

Ref.  (6)  W.  Graham  (2009)  Ref.-­‐Web.  (12)  AssociaBon  of  Dam  Safety  Officials  (2011)    

Page 11: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Types  of  Embankment  Dams.  

Embankments  dams  may  be  classified  into  different  categories  depending  their  purpose.  Based   on   the   United   Sate   Department   of   the   Interior   -­‐   Bureau   of   Reclama@on   (1977),  three  broad  classifica@on  may  be  considered.        Use:  

 -­‐Storage  dams    -­‐Diversion  dams    -­‐Deten@on  dams  

 Hydraulic  design:  

 -­‐Overflow  dams    -­‐Non-­‐overflow  dams  

 Materials:  

 -­‐Concrete  gravity  dams    -­‐Concrete  arch  dams    -­‐Concrete  bufress        -­‐Earthfill  dams      -­‐Earth  and  rockfill  dams  

 

Ref.  (1)  United  States  Department  of  the  Interior,  Bureau  of  ReclamaBon  (1977)    

 

Page 12: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Types  of  Embankment  Dams.  

-­‐Storage  dams    

•    Constructed   to   store   water   in   periods   of   surplus   supply   for   use   in   periods   of  deficient  supply.    • Periods  may  be  seasonal,  annual  or  longer.  

• Water  is  mostly  storage  on  winter  and  spring  season  for  use  on  summer  periods.  

• Based   on   the   purpose   of   the  water   storage   (i.e.   hydroelectric   power,   recrea@on,  irriga@on)  these  dams  may  be  sub-­‐classified  in  different  groups.                  • Construc@on  design  is  most  of  the  @me  influenced  by  the  purpose  of  the  dam.  

     

 

Ref.  (1)  United  States  Department  of  the  Interior,  Bureau  of  ReclamaBon  (1977)    

 

Page 13: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Types  of  Embankment  Dams.  

-­‐Diversion  dams    

•   These  dams  do  not  generally  impound  water  in  a  reservoir.  Instead  water  is  carried  into  ditches,  canals  and  other  conveyance  systems.  

• Diversion  dam  are  generally  used  for:        

§ Irriga@on  § Return  to  the  river  aker  passing  for  hydroelectric  generators  § Diversion  from  a  live  stream  to  an  off-­‐channel-­‐loca@on  storage  reservoir  § Municipal  uses  § Industrial  uses  

       

     

Ref.  (1)  United  States  Department  of  the  Interior,  Bureau  of  ReclamaBon  (1977)    

 

Page 14: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Types  of  Embankment  Dams.  

-­‐DetenBon  dams    

• Constructed  to  retard  flood  runoff  and  minimize  effects  of  sudden  floods.    • There  are  three  main  types  of  deten@on  dams  based  on  their  use:  

§   Type  1:  Water  is  temporarily  stored  and  released  through  an  outlet  structure  without  exceeding  the  capacity  of  the  channel  downstream.    § Type  2:  This  type  of  dam  is  usually  called  water-­‐spreading  dam  or  dike,  having  its  main  used  recharging  underground  water  supply.        § Type  3:  Oken  called  debris  dams,  these  are  constructed  to  trap  sediments.  

     

Ref.  (1)  United  States  Department  of  the  Interior,  Bureau  of  ReclamaBon  (1977)    

 

Page 15: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Types  of  Embankment  Dams.  

-­‐Overflow  dams    

• Constructed  to  carry  discharge  over  their  crest.    • As  discharge  will  tend  to  erode  the  design  condi@on  over  the  crest,  no  erodible  materials  must  be  used  for  construc@on.    • Most  common  construc@on  material  include  concrete,  masonry,  steel  and  wood.    

 -­‐Non-­‐overflow  dams    

• Constructed  not  to  be  overtopped.  

• No  erodible  materials  as  well  as  earthfill  and  rockfill  are  commonly  used  for  their  construc@on.    

 

Ref.  (1)  United  States  Department  of  the  Interior,  Bureau  of  ReclamaBon  (1977)  

 

Page 16: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Types  of  Embankment  Dams.  

-­‐Concrete  gravity  dams    

• Concrete  gravity  dams  are  most  frequently  constructed  on  sites  with  a  reasonable  firm  and  stable  rock  founda@on.        • If  adequate  cutoff  is  provided,  concrete  gravity  walls  may  be  constructed  on  alluvial  founda@ons.    • May   be   adapted   to   be   use   as   an   overflow   spillway   crest   for   earthfill   and   rockfill  dams.    • Design   of   concrete   gravity   dams   may   be   either   curved   or   straight.   Type   of  founda@on,   use,   safety   and   cost   are   some   of   the   characteris@cs   influencing   the  design  to  be  used.    

     

   

Ref.  (1)  United  States  Department  of  the  Interior,  Bureau  of  ReclamaBon  (1977)  

 

Page 17: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Types  of  Embankment  Dams.  

-­‐Concrete  arch  dams    

• Adaptable   to   sites   where   founda@on   at   the   abutments   is   solid   rock   capable   of  resis@ng  arch  thrust.      • It   is   most   commonly   designed   where   the   ra@o   of   width   between   abutment   and  height   is   not   appropriated,   usually   suitable   for   narrow   canyons   and   gorges   with  steep  walls.    •    Required   less   material   than   most   of   the   dams,   making   them   economical   and  prac@cal.    • Require  high  level  of  stress  and  force  analysis.    

Ref.  (1)  United  States  Department  of  the  Interior,  Bureau  of  ReclamaBon  (1977)    

 

Page 18: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Types  of  Embankment  Dams.  

-­‐Concrete  arch  dams    

• Basic  design  are  defined  by  the  curvature  radius   in  two  main  categories,  constant  and  variable  radius.    • For   concrete   arch   dams   with   variable   radius,   upstream   and   downstream   curves  decrease  in  radius  below  the  crest.      

   

Ref.  (1)  United  States  Department  of  the  Interior,  Bureau  of  ReclamaBon  (1977)    

 

Page 19: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Types  of  Embankment  Dams.  

-­‐Concrete  bu_ress  dams    

• Comprise  flat  deck  and  mul@ple  arch  structures.    • The   solid   water-­‐@ght   upstream   site   is   supported   at   intervals   in   the   downstream  site.    • Require  about  60%  less  of  concrete  that  solid  gravity  walls.  

• Expensive  due  to  formwork  and  reinforcement  steel  required  for  their  construc@on.          

Ref.  (1)  United  States  Department  of  the  Interior,  Bureau  of  ReclamaBon  (1977)  

 

Page 20: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Types  of  Embankment  Dams.  

-­‐Earthfill  dams              -­‐Homogeneous  earthfill            -­‐Earthfill  with  toe  drain            -­‐Zoned  earthfill            -­‐Earthfill  with  horizontal  drain            -­‐Earthfill  with  ver@cal  and  horizontal  drain  

     

Ref.  (2)  R.  Fell,  D.  Stapleton,  P.  MacGregor  and  G.  Bell  (2005)  

Page 21: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Types  of  Embankment  Dams.  

-­‐Earthfill  dams            -­‐Homogeneous  earthfill  

-­‐General  layout                        

                     -­‐Control  for  internal  erosion  and  piping      

• Seepage  is  likely  to  be  evidenced  on  the  downstream  face  through  cracks  and  earthfill.          

                   -­‐Control  for  pore  pressure  • Pore  pressure  is  not  predictable.      

Ref.  (2)  R.  Fell,  D.  Stapleton,  P.  MacGregor  and  G.  Bell  (2005)  

Ref.  (2)  Fell  et  al.,  2005  

Page 22: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Types  of  Embankment  Dams.  

-­‐Earthfill  dams              -­‐Earthfill  with  toe  drain                      -­‐General  layout                                          -­‐Control  for  internal  erosion  and  piping  

• Seepage  is  likely  to  be  evidenced  on  the  downstream  face  through  cracks  and  earthfill.    • Deficient  control  into  rockfill  if  no  filters  provided.  

                     -­‐Control  for  pore  pressure  

• Pore  pressure  is  not  predictable.        Ref.  (2)  R.  Fell,  D.  Stapleton,  P.  MacGregor  and  G.  Bell  (2005)  

Ref.  (2)  Fell  et  al.,  2005  

Page 23: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Types  of  Embankment  Dams.  

-­‐Earthfill  dams            -­‐Zoned  earthfill                      -­‐General  layout                                            -­‐Control  for  internal  erosion  and  piping  

• Seepage  will  be  intercepted  by  the  earth  and  rockfill.  • May  act  as  a  filter  for  the  earthfill  zone  depending  of  grain  size  distribu@on.          

                   -­‐Control  for  pore  pressure  • Good   control   of   pore   pressure   as   earth   and   rockfill   present   higher  permeability  than  earthfill  zone.      

Ref.  (2)  R.  Fell,  D.  Stapleton,  P.  MacGregor  and  G.  Bell  (2005)  

Ref.  (2)  Fell  et  al.,  2005  

Page 24: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Types  of  Embankment  Dams.  

-­‐Earthfill  dams            -­‐Earthfill  with  horizontal  drain                      -­‐General  layout                                              -­‐Control  for  internal  erosion  and  piping  

•   Seepage  is  likely  to  be  evidenced  on  the  downstream  face  through  cracks  and  earthfill.          

                   -­‐Control  for  pore  pressure  • Pore  pressure  is  not  predictable.      

Ref.  (2)  R.  Fell,  D.  Stapleton,  P.  MacGregor  and  G.  Bell  (2005)  

Ref.  (2)  Fell  et  al.,  2005  

Page 25: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Types  of  Embankment  Dams.  

-­‐Earthfill  dams            -­‐Earthfill  with  verBcal  and  horizontal  drain                      -­‐General  layout                                            -­‐Control  for  internal  erosion  and  piping    

• Seepage  in  earthfill  and  cracks  is  intercepted  by  ver@cal  drain.  • Drains  have  to  be  designed  as  filters  with  enough  discharge  capacity.    

                   -­‐Control  for  pore  pressure  • Good   pore   pressure   control   with   filter   drains   controlling   seepage   through  founda@on  and  dam.        

Ref.  (2)  R.  Fell,  D.  Stapleton,  P.  MacGregor  and  G.  Bell  (2005)  

Ref.  (2)  Fell  et  al.,  2005  

Page 26: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Types  of  Embankment  Dams.  

-­‐Earthfill  dams  q   Zone  func@on  

 • Earthfill:    

§ Controls  seepage  through  the  dam.    

• Filter  under  rip  rap:    § Control  erosion  of  earthfill  through  rip  rap.    

• Rip  rap:    § Upstream  erosion  control  against  wave  ac@on.  § Downstream  erosion  control  from  backwater  flows  from  spillways.    

• Fine  filter:    § Control  erosion  of  earthfill  by  seepage  water.  § Dam  founda@on  erosion  control  (as  horizontal  drain).  § Buildup  of  pore  pressure  (as  ver@cal  drain).  

Ref.  (2)  R.  Fell,  D.  Stapleton,  P.  MacGregor  and  G.  Bell  (2005)  

Page 27: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Types  of  Embankment  Dams.  

-­‐Earthfill  dams  q   Zone  func@on  

 • Coarse  filter:    

§ Erosion  control  of  fine  filter  into  rockfill.  § Seepage  water  collected  discharge.    

• Earth  rockfill:  § Provides  stability  § Provides  erosion  control  

Ref.  (2)  R.  Fell,  D.  Stapleton,  P.  MacGregor  and  G.  Bell  (2005)  

Page 28: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Types  of  Embankment  Dams.  

-­‐Earthfill  dams  q   Construc@on  material  for  zone  type  

 • Earthfill    

§ Clay,  sandy  clay,  clayey  sand,  silty  sand  possibly  with  gravel.  § Greater  than  15%  passing  0.075mm.  § Siltstones,  shale  and  sandstones  may  give  fine  material  if  needed.    

• Filter  under  rip  rap  § Sand  gravel,  gravelly  sand.  § Well  graded  with  no  more  than  8%  passing  0.075mm.  § Usually   obtained   from   gravel   pit   run   or   crusher   run   with   minimum  washing  and  screening.    

           

           

Ref.  (2)  R.  Fell,  D.  Stapleton,  P.  MacGregor  and  G.  Bell  (2005)  

Page 29: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Types  of  Embankment  Dams.  

-­‐Earthfill  dams  q   Construc@on  material  for  zone  type  

 • Rip  rap    

§ Selected  dense  rockfill  size.  § Prevent  erosion  by  wave  ac@on.  § In  earth  and  rockfill  dams,  oken  constructed  by  sor@ng  large  rocks  from  rockfill  and  coarse  fill  zones.    

• Fine  filter  § Sand  or  gravely  sand.  § Less  than  5%  fines  passing  0.075mm  § Non  plas@c  fines  § Obtained  from  sand-­‐gravel  deposits  by  crushing,  washing  and  screening.  

           

           

Ref.  (2)  R.  Fell,  D.  Stapleton,  P.  MacGregor  and  G.  Bell  (2005)  

Page 30: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Types  of  Embankment  Dams.  

-­‐Earthfill  dams  q   Construc@on  material  for  zone  type  

 • Coarse  filter  

§ Gravely  sand  or  sandy  gravel.  § Obtained  from  sand-­‐gravel  deposits  by  crushing,  washing  and  screening.  § Design  to  strict  par@cle  size  grading  limits  to  act  as  filters.  § Required  to  be  dense  with  hard  aggregates.      

           

           

Ref.  (2)  R.  Fell,  D.  Stapleton,  P.  MacGregor  and  G.  Bell  (2005)  

Page 31: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Types  of  Embankment  Dams.  

-­‐Earth  and  rockfill  dams              -­‐Earth  and  rockfill  central  core            -­‐Earth  and  rockfill  sloping  upstream  core            -­‐Concrete  face  rockfill            -­‐Puddle  core  earthfill            -­‐Earthfill  with  concrete  core  wall            -­‐Hydraulic  fill  

     

Ref.  (2)  R.  Fell,  D.  Stapleton,  P.  MacGregor  and  G.  Bell  (2005)  

Page 32: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Types  of  Embankment  Dams.  

-­‐Earth  and  rockfill  dams            -­‐Earth  and  rockfill  central  core                      -­‐General  layout                                                -­‐Control  for  internal  erosion  and  piping  

• Seepage  in  earthfill  is  discharge  in  the  rockfill  aker  being  intercept  by  filters.  

                   -­‐Control  for  pore  pressure  • Excellent  control  of  pore  pressure  as  rockfill  provides  free  drainage.      

Ref.  (2)  R.  Fell,  D.  Stapleton,  P.  MacGregor  and  G.  Bell  (2005)  

Ref.  (2)  Fell  et  al.,  2005  

Page 33: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Types  of  Embankment  Dams.  

-­‐Earth  and  rockfill  dams            -­‐Earth  and  rockfill  sloping  upstream  core                      -­‐General  layout                                                -­‐Control  for  internal  erosion  and  piping  

• Seepage  in  earthfill  is  discharge  in  the  rockfill  aker  being  intercept  by  filters.  

                   -­‐Control  for  pore  pressure  • Excellent  control  of  pore  pressure  as  rockfill  provides  free  drainage.      

Ref.  (2)  R.  Fell,  D.  Stapleton,  P.  MacGregor  and  G.  Bell  (2005)  

Ref.  (2)  Fell  et  al.,  2005  

Page 34: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Types  of  Embankment  Dams.  

-­‐Earth  and  rockfill  dams            -­‐Concrete  face  rockfill                      -­‐General  layout                                              -­‐Control  for  internal  erosion  and  piping    

• Excellent  for  internal  erosion  as  fine  and  coarse  cushion  layers  act  as  filters.                        -­‐Control  for  pore  pressure  

• Excellent  pore  pressure  control  as  rockfill  provides  free  drainage  and  fine  and  coarse  cushion  are  effec@ve.                        

Ref.  (2)  R.  Fell,  D.  Stapleton,  P.  MacGregor  and  G.  Bell  (2005)  

Ref.  (2)  Fell  et  al.,  2005  

Page 35: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Types  of  Embankment  Dams.  

-­‐Earth  and  rockfill  dams            -­‐Puddle  core  earthfill                                                                                                                                  -­‐Hydraulic  fill                                            -­‐General  layout                                            -­‐Earthfill  with  concrete  core  wall                            

     

Ref.  (2)  R.  Fell,  D.  Stapleton,  P.  MacGregor  and  G.  Bell  (2005)  

Ref.  (2)  Fell  et  al.,  2005   Ref.  (2)  Fell  et  al.,  2005  

Ref.  (2)  Fell  et  al.,  2005  

Page 36: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Types  of  Embankment  Dams.  

-­‐Earth  and  rockfill  dams    q   Zone  func@on  

 • Rockfill:  

§ Erosion  protec@on  of  coarse  filter  into  coarse  rockfill.  § Provides  stability  § Allow  seepage  discharge  through  the  dam  providing  free  draining.      

§ Coarse  rockfill:  § Provides  stability  § Allow  seepage  discharge  through  the  dam  providing  free  draining.    

• Coarse  cushion  layer:  § Provides  concrete  face  layer  support.  § Erosion  protec@on  for  fine  cushion  layer  into  rockfill.    

• Fine  cushion  layer:  § Provides  concrete  face  layer  support.  § Prevent  leakage  for  cracking  or  joints  openings.    

     

Ref.  (2)  R.  Fell,  D.  Stapleton,  P.  MacGregor  and  G.  Bell  (2005)  

Page 37: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Types  of  Embankment  Dams.  

-­‐Earth  and  rockfill  dams  q   Zone  func@on  

 • Earthfill    • Filter  under  rip  rap      • Rip  rap      • Fine  filter    • Coarse  filter  

       

Same  func@on  as  earthfill  dams    

Ref.  (2)  R.  Fell,  D.  Stapleton,  P.  MacGregor  and  G.  Bell  (2005)  

Page 38: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Types  of  Embankment  Dams.  

-­‐Earth  and  rockfill  dams    q   Construc@on  material  for  zone  type  

 • Coarse  rockfill  

§ Quarry  run  rockfill.  § Dense,  strong  and  providing  free  drainage  aker  compac@on.  § Compacted  in  1.5  –  2.0m  layers.  § Maximum  par@cle  size  equal  to  compacter  layer  thickness.    

• Fine  cushion  layer:  § Silty  sandy  gravel  well  graded.  § From  2  to  12%  passing  0.075mm.  § Obtained  from  rock  or  gravel  by  crushing  and  screening.  § Par@cles  up  to  200mm  are  allowed  but  internal  instability  may  occur.  

• Coarse  cushion  layer:  § Well  graded  sand-­‐gravel-­‐cobbles  mix.  § Placed  in  500mm  layers.  § Sa@sfy  filter  grading  requirements.  

       

Ref.  (2)  R.  Fell,  D.  Stapleton,  P.  MacGregor  and  G.  Bell  (2005)  

Page 39: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Types  of  Embankment  Dams.  

-­‐Earth  and  rockfill  dams    q   Construc@on  material  for  zone  type  

 • Rockfill  

§ Quarry  run  rockfill.  § Dense,  strong  and  providing  free  drainage  aker  compac@on.  § Compacted  in  0.5  –  1.0m  layers.  § Maximum  par@cle  size  equal  to  compacter  layer  thickness.    

• Upstream  filter  § Sand  gravel,  gravelly  sand.  § Well  graded  with  no  more  than  8%  passing  0.075mm.  § Usually   obtained   from   gravel   pit   run   or   crusher   run   with   minimum  washing  and  screening.    

       

Ref.  (2)  R.  Fell,  D.  Stapleton,  P.  MacGregor  and  G.  Bell  (2005)  

Page 40: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Types  of  Embankment  Dams.  

-­‐Earth  and  rockfill  dams    q   Construc@on  material  for  zone  type    

 • Earthfill      • Rip  rap  

• Fine  filter  

• Coarse  filter  

       

Same  func@on  as  earthfill  dams    

Ref.  (2)  R.  Fell,  D.  Stapleton,  P.  MacGregor  and  G.  Bell  (2005)  

Page 41: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

SelecBon  of  Embankment  Dams  

Page 42: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Selec@on  of  Embankment  Dams.  

     -­‐Availability  of  construc@on  materials  -­‐Founda@on  condi@ons  -­‐Climate  -­‐Topography    -­‐Saddle  dam  -­‐Staged  construc@on  -­‐Time  for  construc@on  

                               

Ref.  (2)  R.  Fell,  D.  Stapleton,  P.  MacGregor  and  G.  Bell  (2005)  

Page 43: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Selec@on  of  Embankment  Dams.  

-­‐Availability  of  construcBon  materials            -­‐Earthfill    

• Availability   and   uniformity   of   earthfill   will   influence   design   and   construc@on  method.    

v Example  1:    Site  condi@ons  :  Area  underlain  by  sandstone  which  weather  to  produce  a  thinner  sandy  soil  cover.    Alterna@ve:   Rockfill   dam   with   concrete   membrane   or   concrete   gravity  dam.  

v Example  2:  Site  condi@ons:  Two  borrow  areas  with  finer  and  coarser  earthfill.    Alterna@ve:  Zoned  dam  (with  ver@cal  and  horizontal  drain)  with  coarser  earthfill  placed  downstream  of  drain  zones.  

 • In  the  presence  of  alluvial  clayey  soils,  addi@onal  zoning  may  be  appropriate.  

         

Ref.  (2)  R.  Fell,  D.  Stapleton,  P.  MacGregor  and  G.  Bell  (2005)  

Page 44: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Selec@on  of  Embankment  Dams.  

-­‐Availability  of  construcBon  materials            -­‐Earthfill    

• When   cobbles   and  boulders   are  present   in   clayey   soil   deposits,   these  have   to  be  removed  to  prevent  compac@on  problems.    • Rela@ve  permeable  soils  can  be  used  as  earthfill  with  permeability  not  higher  than  the  founda@on  permeability.  

• Blending   of   soils   has   to   be   avoided   as   it   leads   to   increased   cost   and   difficulty   in  quality  control.      

     

Ref.  (2)  R.  Fell,  D.  Stapleton,  P.  MacGregor  and  G.  Bell  (2005)  

Page 45: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Selec@on  of  Embankment  Dams.  

-­‐Availability  of  construcBon  materials            -­‐Rockfill      

• Rock  which  can  be  quarried  to  yield  free  draining  rockfill  may  leads  to  save  in  costs.  

•   Igneous  and  low  grade  metamorphic  rocks  yield  free  draining  rockfill.  These  rocks  include  granodorite,  diorite,  basalt,  rhyolite,  andersite,  marble,  greywacke  quartzite,  indurated  siltstones  and  sandstones.  

• Some  metamorphic   rocks,   even   though   it  may   be   dense  with   high  modulus  may  break  down  due  to  compac@on  to  yield  a  poorly  draining  rockfill.  

• Highly   weathered   igneous   and   metamorphic   rocks   will   not   yield   free   draining  rockfill.    

• Blas@ng  may  be  use  to  get  the  required  size  of  rockfill.  

• On  thick  beds  of  sandstones  and  siltstones,  oversize  rockfill  have  to  be  break  down  and  sor@ng  when  disposal.        

     

Ref.  (2)  R.  Fell,  D.  Stapleton,  P.  MacGregor  and  G.  Bell  (2005)  

Page 46: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Selec@on  of  Embankment  Dams.  

-­‐Availability  of  construcBon  materials            -­‐Rockfill      

• Rockfill   may   come   from   excava@ons   of   spillways,   dam   founda@on,   inlet   works,  including  others.  These  materials  may  not  have  the  ideal  proper@es,  including  shape  and  size,  and  changes  in  the  embankment  zoning  may  be  required.  

• Some   sedimentary   rocks   tend   to   break   down   under   compac@on.   Under   these  circumstances,   incorpora@on   of   free   drainage   rockfill   zones   may   be   required   to  warranty  the  embankment  is  capable  of  remaining  free  draining  .    

Ref.  (2)  R.  Fell,  D.  Stapleton,  P.  MacGregor  and  G.  Bell  (2005)  

Page 47: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Selec@on  of  Embankment  Dams.  

-­‐Availability  of  construcBon  materials            -­‐Filter  and  drains  

   • Filter  aggregates  may  be  obtained  from  alluvial  sand  ,  gravel  deposits  and  quarries.  

• Most  aggregates  comes  from  igneous  rocks  but  may  be  found  in  metamorphic  rocks.  

• Not  many  filters  use  sedimentary  rocks  as  these  rocks  present  poor  condi@ons  considering  durability  and  shape.  

• It  is  common  to  locate  screening  and  crushing  plants  to  produce  high  quality  aggregates  for    filters  and  drains.  

     

Ref.  (2)  R.  Fell,  D.  Stapleton,  P.  MacGregor  and  G.  Bell  (2005)  

Page 48: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Selec@on  of  Embankment  Dams.  

-­‐FoundaBon  condiBons    

Strength,  compressibility  and  permeability  on  dam  founda@ons  will  define  the  type    of  embankment  design  to  be  used.    

 • Soil   founda@ons  with   low  strength  may  require  rela@vely  flat  embankment  slopes  to  keep  embankment  stability.  

• Permeable  soil  founda@on  may  lead  to  leakage  and  erosion,  requiring    some  type  of  drain  filters  and  cutoff  protec@on.  

• Low  permeability  rock  founda@on   is  suitable  for  all   types  of  dams,  par@cularly   for  concrete  gravity  and  concrete  arch  dams.  

• In   zones   suscep@ble   to   ground  mo@ons,   removal   or   densifica@on   of   sandy   soils,  specially   for   loose   to   medium   dense   sandy   soils,   will   be   necessary     to   avoid  liquefac@on  effects.  

                                 

Ref.  (2)  R.  Fell,  D.  Stapleton,  P.  MacGregor  and  G.  Bell  (2005)  

Page 49: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Selec@on  of  Embankment  Dams.  

-­‐FoundaBon  condiBons    

• Grou@ng  or   special  work  may  be   required   for  dams  on   limestone   founda@on.  For  this   case   earth   and   rockfill   dams   and   concrete   face   rocks   may   give   the   best  performance  among  all  others.  

•    For   some   sedimentary   rocks   subject   to   folding   and   faul@ng,   including   weak  claystone   and  mudstone   and   strong   sandstone,   low  effec@ve   fric@on   angles   result  for  bedding  plane  shear  condi@ons.  Under  this  case,  flat  slopes  may  be  required  on  design  and  earthfill  dams  with  horizontal  and  ver@cal  drain  may  propor@on  one  of  the  best  op@ons.  

• In  most  of  the  tropical  areas,  weathering  of  rock  may  lead  to  high  permeability  soil  strength  founda@on.  Embankments  with  flafer  slopes  are  generally  adopted  under  this  case.  

• Embankments  may  present  large  amount  of  seflement  when  constructed  on  deep  soils   founda@ons.   To   prevent   cracking   induced   by   differen@al   movement,  construc@on  of  filters  is  required.                          

     

Ref.  (2)  R.  Fell,  D.  Stapleton,  P.  MacGregor  and  G.  Bell  (2005)  

Page 50: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Selec@on  of  Embankment  Dams.  

-­‐Climate    

• Construc@on  of  earthfill  embankments  turns  difficult  when  wet  weather  or  freezing    temperatures   are   presented,   especially   when   rain   is   con@nuous   with   low  evapora@on  levels.  

• In   some   cases,   concrete   face   rockfill   or   sloping   upstream   core   construc@on  may  present  advantage  as  the  rockfill  can  be  placed  even  in  wet  condi@ons.  

• For   very   arid   areas,   concrete   face   rockfill  may   be   preferable   rather   than   earthfill  due  to  the  amount  of  water  required.  

• On  tropical  condi@ons,  weathering  products  of   igneous  rocks  (Saprolites)  exists  as  residuals   soils.   This   type   of   soils   may   induce   high   pore   water   pressure   on  embankments   causing   big   displacements.   Precau@on   is   always   recommended   if  saprolites  are  used  as  embankment  material.          

   

Ref.  (2)  R.  Fell,  D.  Stapleton,  P.  MacGregor  and  G.  Bell  (2005)  

Page 51: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Selec@on  of  Embankment  Dams.  

-­‐Climate    

• Punchina  cofferdam  is  a  clear  example  of  problems  due  to  saprolite  materials.  The  45m   high   dam   was   constructed   on   sandy   silt   belonging   to   the   soil   group   of  saprolites.   Construc@on   progress   had   to   be   adjusted   based   on   the   precipita@on  season  leaving  a  short  2  months  period  for  placing  this  material.  

High  pore  water  pressure   leads  to  displacements  up  to  1.5m  horizontal  and  0.45m  ver@cal  ,  at  pore  pressure  in  the  centre  por@on  of  60  and  70%  of  the  dead  weight.  

   

                                   Ref.  (2)  from:  ChrisBan  Kutzner,  1997.  Ref.  (2)  R.  Fell,  D.  Stapleton,  P.  MacGregor  and  G.  Bell  (2005)  

Page 52: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Selec@on  of  Embankment  Dams.  

-­‐Topography      

Construc@on   of   embankments  may   have   significant   effects   depending   the   type   of  topography   presented   in   the   area.   Choosing   op@mum   embankment   loca@on   (not  always  possible)  may  lead  to  economic  safes  and  more  efficient  structures.  A  couple  of  examples  explaining  this  situa@on  are  given  below.  

 • Changes  in  valley  cross  sec@on  and  curve  of  the  river  in  plan,  may  favour  upstream  sloping  core  rather  than  central  core  to  reduce  amount  of  earthfill  required  for  the  design.  

• Changes   in   slope   of   abutment   may     cause   cracking   on   the   embankment.  Construc@on   of   face   rockfill   with   extensive   filter   drains   may   lead   to   befer  performance  under  this  type  of  topography.  

• Narrow  steel  sided  valleys  my  cause  problems  for  haul  road  construc@ons.  Simple  zone  embankments    such  as  concrete  face  rock  may  favouring  this  condi@on.  

                                 

Ref.  (2)  R.  Fell,  D.  Stapleton,  P.  MacGregor  and  G.  Bell  (2005)  

Page 53: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Selec@on  of  Embankment  Dams.  

-­‐Saddle  dam    

• Saddle  dams  are  auxiliary  dams  confining    the  reservoir  created  by  a  primary  dam  in  order  to  permit    storage  or  to  limit  the  extent  of  a  reservoir  for  increasing  efficiency.    • Saddle  dams  have  to  be  treated  in  the  same  way  as  main  dams  even  if  its  loss  might  seen  minor  in  rela@on  to  downstream  consequences  or  loss  in  storage.  Founda@on  problems   including   erosion   may   arise   jeopardizing   the   condi@on   of   the   whole  system.    •    Issues  may   arise   dealing   with   dam’s   founda@on.   Ridges  may   present     different  geological  condi@ons  than  valleys  so  enough  inves@ga@on  has  to  be  directed  from  a  geologist  perspec@ve  for  each  par@cular  dam  site.    

                               

Ref.  (2)  R.  Fell,  D.  Stapleton,  P.  MacGregor  and  G.  Bell  (2005)  

Page 54: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Selec@on  of  Embankment  Dams.  

-­‐Staged  construcBon    

• Economic   safes   is   oken   influenced   when   construc@on   of   a   dam   takes   place   in  different  stages.  

•   For  irriga@on,  hydropower  and  water  supply  projects,  lower  dams  and  storage  may  comply  with  the  demands  in  the  early  years.  

• For  tailings  dams,  storage  may  increase  progressively  as  tailings  are  deposit   in  the  dam.  

• Concrete  face  rockfill,  earth  and  rockfill  with  sloping  upstream  core  or  earthfill  with  ver@cal  and  horizontal  drain  are  good  op@ons  when  staging  is  carefully                          

     

Ref.  (2)  R.  Fell,  D.  Stapleton,  P.  MacGregor  and  G.  Bell  (2005)  

Page 55: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Selec@on  of  Embankment  Dams.  

-­‐Staged  construcBon    

v Boondoma  Dam.          Loca@on   Boyne  River  in  the  South  Burnef  region  of  Queensland,  Australia  

View  

Ref.-­‐Web.  (13)  Sun  Water  Dam  Porfolio  (2011)  

Page 56: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Selec@on  of  Embankment  Dams.  

-­‐Staged  construcBon    

v Boondoma  Dam.          Use   Supply  water  to  the  Tarong  Power  Sta@on  

Water  volume   204,200  ML  of  water    

Surface  Area   18.15  km²  

Construc@on   Stage  one:  -­‐Final  surface  eleva@on:  295.55m    -­‐Concrete   face   dam   with   filter   material   enclosing   rockfill   up                                            to  600mm  DIA.  at  the  upstream  face.  -­‐Rockfill  up  to  900mm  DIA  at  the  downstream  face.  -­‐Rockfill  with  no  more  than  5%  passing  through  a  100mm  aperture  at  the  toe  of  the  dam.      Stage  two:      -­‐Final  surface  eleva@on:  303.50m    -­‐Rockfill  up  to  900mm  DIA.    

Ref.-­‐Web.  (13)  Sun  Water  Dam  Porfolio  (2011)  

Page 57: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Embankment  Dams  Details.  

   Design  considera@ons      -­‐Freeboard  -­‐Slope  protec@on  -­‐Overtopping  during  construc@on    Detail  considera@ons          -­‐Embankment  crest    -­‐Embankment  dimensioning  -­‐Interface  between  concrete  structures  and  earthfill        

Ref.  (2)  R.  Fell,  D.  Stapleton,  P.  MacGregor  and  G.  Bell  (2005)  

Page 58: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Embankment  Dams  Details.  

-­‐Freeboard            -­‐DefiniBon    

• Difference  in  eleva@on  between  the  maximum  water  surface  level  in  the  reservoir  and  the  dam  crest.  

• Normal   freeboard:  distance   in  eleva@on  between   the  normal   reservoir   full   supply  level  and  the  crest  of  the  dam  without  considering  camber  effects.  

• Minimum  freeboard:  distance   in  eleva@on  between  the  maximum  reservoir  water  level  and  the  crest  of  the  dam  without  considering  camber  effects.  

• Camber   is   assumed  as   the  extra  height   added   to   the   crest   to   ensure  detrimental  condi@ons  such  as  seflements  and  embankment  consolida@on.  

 

Ref.  (2)  R.  Fell,  D.  Stapleton,  P.  MacGregor  and  G.  Bell  (2005)  

Page 59: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Embankment  Dams  Details.  

-­‐Freeboard            -­‐DefiniBon    

• Freeboard  provides  protec@on  against  overtopping  resul@ng  from:  o Wind  effects  o Wave  effects  o Seismic  effects  o Seflement  o Malfunc@on  of  structures  o Uncertain@es  in  design  

• Freeboard  may  be  influenced  by  certain  factors  including:  o Poten@al  changes  in  design  flood    es@mates  o Reliability  of  design  flood  es@mates  o Assump@ons  in  flood  rou@ng  o Type  of  dam  o Erosion  suscep@bility    

Ref.  (2)  R.  Fell,  D.  Stapleton,  P.  MacGregor  and  G.  Bell  (2005)  

Page 60: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Embankment  Dams  Details.  

-­‐Freeboard            -­‐DefiniBon    

• Some   recommenda@ons   have   been   addressed   by   USBR   (1992)   when   considering  freeboard    condi@ons.  

o Freeboard  at  maximum  reservoir    water  surface  level  § Minimum  freeboard  greater  than    

   a)  0.9m      b)  Sum  between  wind  set  up  and  wave  runup      (During  large  flood  condi@ons)  

 o Normal  water  surface  level  

§ Should  be  the  wind  set  up  and  wave  runup  for  the  highest  wind  velocity  that  could  occur.  

 o Intermediate  water  surface  freeboard  

§ Freeboard  designed  so  that  it  has  a  remote  probability  of  exceedance  by  any   combina@on   of   wind   set   up,   reservoir   levels   and   wind   generated  waves.  

 Ref.  (2)  R.  Fell,  D.  Stapleton,  P.  MacGregor  and  G.  Bell  (2005)  

Page 61: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Embankment  Dams  Details.  

-­‐Freeboard            -­‐Wave  and  wind  runup  (preliminary  design)    

• USBR  (1977)  may  be  adopted  based  on:  o Wind  velocity  =160km/hr  (normal  freeboard)  o Wind  velocity  =80km/hr  (minimum  freeboard)  

   For  rip  rap  slopes,  freeboard  requirements  may  be  adopted  as  follows  

           

Fetch   Normal  freeboard   Minimum  freeboard  

>1.6km   1.2  m   0.9  m  

1.6   1.5  m   1.2  m  

4   1.8  m   1.5  m  

8   2.4  m   1.8  m  

16   3.0  m   2.1  m  

Ref.(2)  from:  Foster  et  al.,  1998  

 

Ref.  (2)  R.  Fell,  D.  Stapleton,  P.  MacGregor  and  G.  Bell  (2005)  

Page 62: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Embankment  Dams  Details.  

-­‐Slope  protecBon            -­‐Upstream  slope  protecBon                      -­‐Requirements    

• Currently,  most  of  earth  and  rockfill  dams  are  protected  from  erosion  by  dumping  rockfill    (rip  rap).  

• Characteris@c  of  rip  rap  may  include:  o Large  to  dissipate  energy  of  wave  effects.  o Strong  to  avoid  break  down  to  small  par@cles.  o Durable  to  withstand  long  term  effects.  

• For  earthfill  dams,  rip  rap  should  be  constructed  under  a  filter  layer  to  prevent  erosion  of  earthfill  material.  

 

Ref.  (2)  R.  Fell,  D.  Stapleton,  P.  MacGregor  and  G.  Bell  (2005)  Ref.  (2)  from:    Fell  et  al.,  2005  

Page 63: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Embankment  Dams  Details.  

-­‐Slope  protecBon            -­‐Upstream  slope  protecBon                      -­‐Requirements    

• For  earth  and  rockfill  dams,  rip  rap  is  obtained  by  pushing  large  rocks  from  the  coarse  rockfill  to  the  edge.  

• For   reservoirs  maintaining   a   high  water   level,   it  may  be  possible   to   provide  less  or  no   rip   rap  protec@on  on   the   lower  part  of   the  embankment.    Rip   rap  should  be  placed  up  to  MOL  less  2  @mes  the  wave  height.                  

   

Ref.  (2)  R.  Fell,  D.  Stapleton,  P.  MacGregor  and  G.  Bell  (2005)  

Ref.  (2)  from:    Fell  et  al.,  2005  

Ref.  (2)  from:  Fell  et  al.,  2005  

Page 64: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Embankment  Dams  Details.  

-­‐Embankment  crest                -­‐Crest  width    

• The  crest  width  has  small  influence  in  the  overall  stability  of  a  dam  and  it  is  mainly  determined  by  the  minimum  width  required  for  construc@on  (i.e.  roadway).  

• For  larger  dams,  a  6  to  8  meters  crest  width  is  typically  adopted.  

• For  small  dams,  4  meter  crest  width  is  usually  enough.  

• Crest  dimensioning  is  determined  by    arrangement  of  zoning  under  three  principles.  

1.  Filters  have  to  be  taken  as  close  to  the  crest  as  possible  to  prevent  internal  erosion  and  piping  control.  

2.  Filter  width  can  be  narrowed  at  the  crest  under  certain  design  condi@ons.  3.  Rockfill  on   the  downstream   face  of   the  dam   (if  used)  has   to  be   taken  as  

close  to  the  crest  as  possible  to  protect  filter  drains.              

Ref.  (2)  R.  Fell,  D.  Stapleton,  P.  MacGregor  and  G.  Bell  (2005)  

Page 65: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Embankment  Dams  Details.  

-­‐Embankment  crest                -­‐Crest  width    

• Arrangement  of   a   road  pavement  on   the   crest   for  an  earth  and   rockfill  dam  may  give  a  befer  perspec@ve  about  narrowing  of  filter  zones.  

• Crest  is  generally  sloped  towards  the  reservoir  and  cover  with  pavement  to  prevent  erosion  caused  by  traffic.  

• Pavement   reduce  desicca@on  cracking  of   the  core  when  non  plas@c  materials  are  used    

 

Ref.  (2)  R.  Fell,  D.  Stapleton,  P.  MacGregor  and  G.  Bell  (2005)  

Ref.  (2)  Fell  et  al.,  2005  

Page 66: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Founda@ons  on  Embankment  Dams.  

     -­‐Requirements  -­‐Founda@on  prepara@on  -­‐Cut  off  founda@on  -­‐Slope  modifica@on    -­‐Assessment          

Ref.  (2)  R.  Fell,  D.  Stapleton,  P.  MacGregor  and  G.  Bell  (2005)  

Page 67: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Founda@ons  on  Embankment  Dams.  

-­‐Requirements    

• Founda@on  prepara@on  for  embankment  dams  depends  mostly  on:  o Type  of  dam  o Height  of  dam  o Topography  o Climate  o Groundwater  o Soil  and  rock  proper@es  

• For  general  founda@ons:  o   low  strength  and  compressive  materials  are  removed.    o Permeability  is  not  a  cri@cal  factor.  o Liquefiable  materials  have  to  be  treated  and/or  removed.    

• For  cut  off  founda@ons:  o   Highly  permeable  and  erodible  materials  are  removed.    o Drains   have   to   be   consistent   to   create   a   non   erodible   low   permeability  condi@on.  

   

Ref.  (2)  R.  Fell,  D.  Stapleton,  P.  MacGregor  and  G.  Bell  (2005)  

Page 68: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Founda@ons  on  Embankment  Dams.  

-­‐FoundaBon  preparaBon            

• Rock  founda@on  under  earthfill    

o Remove   topsoil  and  depending  of   the   topography,  colluvial   soil  and   rock   to  expose  in  situ  rock  founda@on.  o Where  weak  seams  in  rock  are  evident,  these  may  need  to  be  removed  and/or  iden@fied  in  the  design.  o Slope  modifica@on  may  be  modified  as  required.  

• Soil  founda@on  under  earthfill  

o Remove   topsoil   and   weak   compressible   soils.   To   locate   this   weak   soils,  surface  may  be  proof  rolled  with  a  tamping  foot  roller.  o Where  soils  are  fissured  or  landslide  ruptures  are  present,    these  may  need  to  be  removed  and/or  iden@fied  in  the  design.  o Slope  modifica@on  may  be  modified  as  required.              

Ref.  (2)  R.  Fell,  D.  Stapleton,  P.  MacGregor  and  G.  Bell  (2005)                  (3)  R.C.  Hirschfeld  and  S.J.  Poulos  (1973)  

Page 69: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Founda@ons  on  Embankment  Dams.  

-­‐FoundaBon  preparaBon    

• Founda@on  under  rockfill  

o Remove   topsoil   and   weak   compressible   soils   witch   have   a   strength   lower  than  the  rockfill.  

o Where   landslide   ruptures   are   present   in   the   rock,     these  may   need   to   be  removed  and/or  iden@fied  in  the  design.  

o To  ensure  a  op@mum  support  between  rockfill  and  rock  founda@on,  cleaning  of  loose  soil  and  rocks  may  be  necessary  with  aids  of  bulldozer  or  grader.  

o Slope  modifica@ons  seems  unlikely  for  most  condi@ons.    

                     

Ref.  (2)  R.  Fell,  D.  Stapleton,  P.  MacGregor  and  G.  Bell  (2005)                  (3)  R.C.  Hirschfeld  and  S.J.  Poulos  (1973)  

Page 70: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Founda@ons  on  Embankment  Dams.  

-­‐FoundaBon  preparaBon    

• Founda@on  under  horizontal  filter  drains  

o For  founda@ons  with  erodible  soil  and/or  rock,  horizontal  drains  are  required.  

o Remove   topsoil   and  week   compressible   soils   based  on   the   assump@ons   for  design  filter  criteria.  

o Where  landslide  ruptures  are  present  in  the  soil  and  rock,    these  may  need  to  be  removed  and/or  iden@fied  in  the  design.  

o Slope  modifica@ons   are   usually   not   required  but   only   in   especial   cases   (i.e.  earthfill  placed  on  top  of  filter  drain).  

o Surface   must   not   be   rolled   prior   to   placing   the   filter   as   it   will   reduce  permeability  due  to  soil  structure  rupture.  

o Clean  up  may  be  necessary   if  break  up  of  surface   is  evident   (par@cularly  on  low  strength  rock  and  soil).      

    Ref.  (2)  R.  Fell,  D.  Stapleton,  P.  MacGregor  and  G.  Bell  (2005)                  (3)  R.C.  Hirschfeld  and  S.J.  Poulos  (1973)  

Page 71: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Simplified  Filter  Criteria  •  Piping  criterion:  (D85B  represents  the  par@cles  size  that  must  

be  retained;  D15f  representa@ve  average  pore  size,  filter  to  trap  par@cles  larger  than  about  0.1D15f)  

 D15f  <  5  D85B    •  Permeability  criterion:  

 D15f  >  5  D15B    •  Grada@on  control:  

 D50f  <  25  D50B  

Page 72: Lecture 2 - Embankment Dams Extended
Page 73: Lecture 2 - Embankment Dams Extended
Page 74: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000

Fine

r tha

n (%

)

Grain size [mm]

PSD Tailings - Sand Interface - Rockfill Relave Muestra 1

Relave Muestra 2

Relave Muestra 3

Relave Muestra 4

Relave Muestra 5

Relave Muestra 6

Relave Muestra 7

Relave Muestra 8

Relave Muestra 9

Relave Muestra 10

SAND fine envelope

SAND coarse envelope

ROCKFILL fine envelope

ROCKFILL coarse envelope

Page 75: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Darcy’s  Equa@on  

v  =  ki    Q  =  kiA  

v  –  Darcy  velocity    k  –  saturated  hydraulic  conduc@vity    i  –  flow  gradient    i  =  h/l    

Page 76: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Analy@cal  Solu@ons  for  Two  Dimensional  Flow  With  Different  

Boundary  Condi@ons  

Page 77: Lecture 2 - Embankment Dams Extended
Page 78: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Flow  Nets  

Confined  Flow  

Unconfined  Flow  

Page 79: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

CriBcal  Exit  Gradient  

Down   Up  

γ’   ioγw      (γb  -­‐  γw)  

 

 

Consider  Stable  Condi@ons  

io    γw    ≤      γ’      

 or          io  ≈      γ’  γw    

≈  1.0  io  ≈      62.4  62.4  

• Therefore,  the  cri@cal  condi@on  exists  when  the  escape  gradient  exceeds  unity.  

• When  this  occurs,  “piping”  can  happen.  

Consider  the  forces  on  an  element  

=  (120?-­‐62.4)/62.4  

Page 80: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

References.  

                                 

   (1)   United   States   Department   of   the   Interior,   Bureau   of   Reclama@on   (1977).   Design   of  Small  Dams.  Washington  :  United  States  Government  Prin@ng  Office.        (2)   R.   Fell,   D.   Stapleton,   P.  MacGregor   and   G.   Bell   (2005).   Geotechnical   Engineering   of  Dams.  Netherlands  :  A.A.  Balkema  Publishers  Leiden.      (3)  R.C.  Hirschfeld  and  S.J.  Poulos  (1973).  Embankment  Engineeing  –  Casagrande  Volume.  New  York  :  Wiley  Interscience    

(4)   S.   D.  Wylson   and   R.   J.  Marsal   (1979).   Current   Trends   in  Design   and   Construc@on   of  Embankment  Dams.  New  York  :  American  Society  of  Civil  Engineers.        (5)  M.  Foster,    R.  Fell  and  M.  Spannagle  (2000).  The  sta@s@cs  of  embankment  dam  failures  and  accidents.  Canadian  Geotechnical  Journal  No  37.  Canada  :  NRC  Research  Press.  

   

Page 81: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

References.  

                                 

 (6)  W.  Graham  (2009).  Major  U.S.  Dam  Failures:  Their  Cause,  Resultant  Losses,  and  Impact  on   Dam   -­‐   Safety   Programs   and   Engineering   Prac@ce.   World   Environmental   and   Water  Resources  Congress  2009:  Great  Rivers  History.      (7)  H.B.  Seed  and  J.M.  Duncan  (1981).  The  Teton  Dam  Failure  –  A  Retrospec@ve  Review.  University  of  California,  Berkley,  CA.  

(8)  Wallace   Chadwick   and   Arthur   Casagrande   (1976).   Report   to   US   Department   of   the  Interior  and  State  of  Idaho  on  Failure  of  Teton  Dam.      (9)   Lessons   from   the   Failure   of   the   Teton   Dam.   Proceedings   of   the   3rd   ASCE   Forensics  Congress,  October  19  -­‐  21,  2003,  San  Diego,  California.      

     

Page 82: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

References  -­‐  Websites.  

                                 

   (10)  Interna@onal  Commission  of  Large  Dams  ICOLD.  hfp://www.icold-­‐cigb.net/GB/World_register/general_synthesis.asp      (11)  Ministry  of  Environment  of  Bri@sh  Columbia.    hfp://www.env.gov.bc.ca/wsd/public_safety/dam_safety/responsible.html#failures      (12)  Associa@on  of  Dam  Safety  Officials.  hfp://www.damsafety.org/news/?p=412f29c8-­‐3fd8-­‐4529-­‐b5c9-­‐8d47364c1f3e      (13)  Sun  Water  Dam  Por�olio.  hfp://www.sunwater.com.au/__data/assets/pdf_file/0020/2099/SunWater_Dams_2011.pdf              

     

Page 83: Lecture 2 - Embankment Dams Extended

Useful  References.  

                                 

   G.   Gedeon   (2004).   Design   and   Construc@on   of   Earth   and   Rock-­‐Fill   Dams.   New   York   :  Con@nuing  Educa@on  and  Development.      ICOLD  Bulle@n  91  (1993).  Embankment  Dams  –  Upstream  Slope  Protec@on.    

ICOLD  Bulle@n  99  (1999).  Dam  Failure  –  Sta@s@cal  analysis.        Failure  of  Teton  Dam      hfp://www.archive.org/stream/failureoketonda00teto#page/n57/mode/2up      Teton  Dam  Failure  Narra@ve.    hfp://www.geol.ucsb.edu/faculty/sylvester/Teton_Dam/[email protected]          

     


Recommended