Deformation Behaviour of a Concrete Gravity Dam Based on Monitoring Data and Numerical Simulation
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Deformation behaviour of a concrete gravity dam based on monitoring data and numerical simulation Doctoral Thesis (Dissertation) to be awarded the degree Doctor of Engineering (Dr.-Ing.) submitted by M. Sc. Yuan Li from Shanxi, China approved by the Faculty of Energy and Economic Sciences Clausthal University of Technology Date of oral Examination 10 December 2020 Dean Prof. Dr. Bernd Lehmann Chairperson of the Board of Examiners Prof. Dr. Hans-Jürgen Gursky Supervising tutor Prof. Dr.-Ing. Norbert Meyer Reviewer Prof. Dr. Roland Strauß Acknowledgements I Acknowledgements It has been a great privilege for me to spend several years working in the Institute of Geotechnical Engineering and Mine Surveying at Clausthal University of Technology. Foremost, I would like to express my sincere thanks to Univ.-Prof. Dr.-Ing. Norbert Meyer, my supervisor, for his encouragement and instructive guidance for the development of my dissertation. Especially I would like to express my profound gratitude to Dr.-Ing. Ansgar Emersleben for his support and numerous constructive advices. My further thanks go to all colleagues in Institute of Geotechnical Engineering and Mine Surveying for providing me a pleasant working environment. Especially I would like to thank Dipl.-Ing. Daniel Gröger and Dr.-Ing. Chuantao Chen for the support and lots of technical discussions. Also, I am indebted to the team of Dam management in Sachsen-Anhalt for providing the necessary monitoring data. I would like to extend my gratitude to the China Scholarship Council (CSC) and Department of Geotechnical Engineering at Clausthal University of Technology for the financial supporting for my stay in Germany. I express my deep grateful to my parents for their understanding and heartfelt support during these years. Clausthal-Zellerfeld, September 2020 Yuan Li Acknowledgements I Abstract Deformation behaviour is a key index for evaluating the health state of concrete dam structures in long-term service. Under regular loading conditions, dam’s deformation behaviour can be preliminary depicted using monitoring data. Physically well-founded numerical simulation of the dam’s deformation behaviour provides an efficient approach to comprehend the effects of different external loads. In this work, an advanced numerical model based on monitoring data and thermal-structural coupled analysis is developed for a concrete gravity dam, the Rappbode Dam, to gain insight into the current deformation behaviour of the dam under usual and unusual load conditions. Firstly, a graphical visualisation of the monitoring data, including air temperature, water temperature, water level in the reservoir, uplift water pressure at the dam base, temperature interior the dam body and horizontal displacements, is presented to illustrate ambient loading conditions and structural responses of deformation behaviour. Secondly, based on mesh accuracy analysis which considers the different element types and mesh densities, a functional finite element model of the dam-foundation system is generated with appropriate mesh, enabling the thermal analysis of time-varying temperature distributions and structural analysis of deformation behaviour. Thirdly, based on the thermal analysis, a transient heat transfer model is calibrated to describe the thermal transfer process from the ambient environment to the dam and to present the time-varying temperature distribution within the dam body. The initial condition in the transient thermal analysis is investigated to acquire a rational primary temperature distribution in the dam. The thermal properties of the dam’s concrete are back analysed based on the concrete temperature from thermometers. The time-dependent air temperature and water temperatures are considered to specify boundary conditions. Lastly, in structural analysis, by investigating the displacement response under the loads of temperature distribution within the dam body, the hydrostatic pressure, uplift pressure and self-weight, mechanical material parameters are back analysed based on the measurements. Hence, material parameters of the dam’s concrete are updated to the present operational phase, therewith an advanced numerical model of the dam is developed. In terms of recorded usual loading conditions, computed results are aligned with measured results of displacements. With the aid of the advanced numerical model of the dam, the thermal effect due to time- varying temperature distribution, structural effect due to water-level variation and simultaneous effect are investigated under usual and unusual loading conditions. The results show that thermal displacements at different points are in phase with each other despite the phase shift in temperatures from each other. Hydrostatic pressure is more significant than uplift water pressure in determining the structural displacement. The thermal effect dominates the II displacement at the dam crown, while the effect due to water level begins to dominate with the decrease of elevation. The results from an example of an unusual load case indicate enlarged ranges of displacement variations and warn of areas with possible cracks in the dam. Kurzfassung III Kurzfassung Das Verformungsverhalten ist ein Schlüsselindex bei der Bewertung des Zustands einer Staumauer im Langzeiteinsatz. Unter regelmäßigen Belastungsbedingungen kann es anhand von Überwachungsdaten dargestellt werden. Physikalisch fundierte numerische Simulationen des Verformungsverhaltens der Staumauer bieten einen effizienten Ansatz, um die Auswirkungen verschiedener externer Belastungen zu erfassen. In dieser Arbeit wird ein fortschrittliches numerisches Modell auf der Grundlage von Überwachungsdaten und thermisch-strukturell gekoppelten Analysen für eine Staumauer, die Rappbodetalsperre, entwickelt, um einen Einblick in das aktuelle Verformungsverhalten der Staumauer unter regulären und ungewöhnlichen Lasteinwirkungen zu gewinnen. Zunächst werden Überwachungsdaten wie die Lufttemperatur, die Wassertemperatur, der Wasserspiegel im Speicher, der Sohlwasserdruck, die Betontemperatur innerhalb der Staumauer und die horizontalen Verschiebungen grafisch dargestellt, um die Eigenschaften der externen Lasteinwirkungen sowie die strukturellen Reaktionen des Verformungsverhaltens zu veranschaulichen. Anschließend werden geeignete Netze für das funktionale Finite- Elemente-Modell der Rappbodetalsperre erzeugt, dessen Genauigkeit durch die Untersuchung verschiedener Elementtypen und Netzfeinheiten gewährleistet wird. Das funktionale Finite-Elemente-Modell ermöglicht eine transiente thermische und eine strukturelle Analyse. Die transiente thermische Analyse der Temperatur erlaubt es, die Randbedingungen als variierende Umgebungstemperatur mit der Zeit zu spezifizieren und die Temperaturverteilung innerhalb der Staumauer für jeden Zeitpunkt zu berechnen. Die Spezifizierung der Anfangsbedingungen in der transienten thermischen Analyse wird untersucht, um eine rationale primäre Temperaturverteilung in der Staumauer zu erhalten. Abschließend werden die Eigenschaften des Staumauerbetons anhand der Beton- Temperaturmessungen innerhalb der Staumauer und Verschiebungen analysiert, indem das Verschiebungsverhalten unter den Belastungen der Temperaturverteilung innerhalb des Staukörpers, des hydrostatischen Drucks, des Auftriebsdrucks und des Eigengewichts untersucht wird. Dementsprechend wird ein fortschrittliches numerisches Modell der Staumauer entwickelt, deren Materialparameter des Staumauerbetons auf die gegenwärtige Betriebsphase aktualisiert und angepasst sind. Im Hinblick auf die üblichen Belastungsbedingungen werden gute Übereinstimmungen zwischen den berechneten und gemessenen Ergebnissen der Verschiebungen nachgewiesen. Mittels des fortgeschrittenen numerischen Modells der Staumauer werden die thermische, die strukturelle und die gesamte Verschiebung unter gewöhnlichen und ungewöhnlichen Belastungsbedingungen untersucht. Durch die Ergebnisse wird deutlich, dass trotz der IV Kurzfassung Phasenverschiebung der Temperaturen voneinander die thermischen Verschiebungen an verschiedenen Stellen in der Staumauer in Phase zueinander liegen. Der hydrostatische Druck ist für die Bestimmung der strukturellen Verschiebung von größerer Bedeutung als der Sohlwasserdruck. Der thermische Effekt dominiert die Verschiebung an der Staumauerkrone, und mit der Abnahme der Höhe beginnt der Effekt des Wasserspiegels zu dominieren. Die Ergebnisse eines Beispiels für einen ungewöhnlichen Belastungszustand weisen auf erweiterte Verschiebungen hin und warnen vor möglichen Rissen in der Mauerköper. Contents I Contents 1. Introduction ........................................................................................................ 1 1.1 Aim of the thesis ...................................................................................................... 2 1.2 Structure of the thesis ............................................................................................. 3 2. State of the art .................................................................................................... 5 2.1 Classification of dams ............................................................................................. 5 2.2 Health monitoring of concrete dams ........................................................................ 8 2.3 Numerical modelling of dams .................................................................................10 2.3.1 Theoretical and planar modelling ....................................................................10