Empirical Methods for Assessing Internal Erosion in Norwegian Rockfill Dams

Abstract

Fyllingsdammer spiller en avgjørende rolle i å opprettholde vannkraftproduksjonen i Norge. Landet har en omfattende portefølje av flere hundre fyllingsdammer, hovedsakelig steinfyllingsdammer, hvor over 180 er klassifisert som store dammer av International Commission on Large Dams (ICOLD). Historiske datasett om damsikkerhet understreker sårbarheten til fyllinsdammer mot indre erosjon av kjernen eller tettingselementet, noe som resulterer i betydelige gjennomstrømninger som kan føre til progressiv erosjon av damstrukturen. Selv om norske steinfyllingsdammer, kjennetegnet av grovt steinfyllingsmateriale med gunstige dreneringsegenskaper, generelt anses som motstandsdyktige mot store gjennomstrømningshendelser, kan ikke de potensielle risikoene forbundet med indre erosjon av kjernen ignoreres. Denne bekymringen er spesielt relevant for eldre norske steinfyllingsdammer som kanskje ikke oppfyller moderne designspesifikasjoner for filtere, med dokumenterte tilfeller av "piping" gjennom damkjerner i nyere tid.

Evalueringen av potensialet for indre erosjon i norske steinfyllingsdammer har vist seg å være utfordrende på grunn av begrenset tilgjengelighet av egnede vurderingsmetoder. Gode resultater fra nyere forskning utført ved University of British Columbia, Canada, i samarbeid med Vattenfall, Sverige, har introdusert empiriske metoder for vurdering av intern erosjonsrisiko i svenske fyllingsdammer. Å tilpasse disse metodene for å evaluere risikoen for indre erosjon i norske steinfyllingsdammer har stor relevans for den norske vannkraftindustrien når det gjelder å forbedre damsikkerheten. Tidlig identifisering av dammer som er utsatt for indre erosjon innenfor en stor damportefølje kan fasilitere (a) vurderingen av behov for forsterket overvåking for påvisning av potensielle erosjonshendelser i tide, (b) utviklingen av beredskapsplaner for effektiv håndtering av hendelser, og (c) støtten til gjennomføring av omfattende risikovurderinger.

Denne masteroppgaven, et samarbeid mellom Statkraft og NTNU, Trondheim, fokuserer på å evaluere risikoen for indre erosjon innenfor Statkrafts omfattende steinfyllingsdam-portefølje. Som den største dameieren i Norge vil Statkraft gi nødvendige datasett angående den interne sammensetningen av steinfyllingsdammer for å fasilitere forskningen. Studien har som mål å bidra med verdifull innsikt til feltet, som hjelper med forebyggende håndtering av indre erosjonsrisikoer og til slutt forbedrer den overordnede sikkerheten og driften av norske steinfyllingsdammer.

Embankment dams play a crucial role in sustaining hydropower production in Norway. The nation boasts an extensive portfolio of several hundred embankment dams, predominantly rockfill dams, with over 180 classified as large dams by the International Commission on Large Dams (ICOLD). Historical dam safety data underscores the vulnerability of embankment dams to internal erosion of the core or sealing element, resulting in significant throughflows that may lead to progressive erosion of the dam structure. While Norwegian rockfill dams, characterized by coarse rockfill materials and favorable drainage properties, are generally considered resilient to large throughflow events, the potential risks associated with core internal erosion cannot be ignored. This concern is particularly pertinent for older Norwegian rockfill dams that may not meet modern filter design specifications, with documented instances of piping through dam cores in recent history.

The evaluation of internal erosion potential in Norwegian rockfill dams has proven challenging due to the limited availability of suitable assessment methods. Encouraging results from recent research conducted at the University of British Columbia, Canada, in collaboration with Vattenfall, Sweden, have introduced empirical methods for assessing internal erosion risks in Swedish embankment dams. Adapting these methods to evaluate the risks of internal erosion in Norwegian rockfill dams holds significant relevance for the Norwegian hydropower industry in enhancing dam safety. Early identification of dams prone to internal erosion within a large dam portfolio can facilitate (a) the assessment of reinforcing monitoring needs for timely detection of potential erosion events, (b) the development of emergency preparedness plans for effective event management, and (c) the support for conducting comprehensive risk assessments.

This master thesis, a collaborative effort between Statkraft and NTNU, Trondheim, focuses on evaluating internal erosion risks within Statkraft's extensive rockfill dam portfolio. As the largest dam owner in Norway, Statkraft will provide essential datasets regarding the internal composition of rockfill dams to facilitate the research. The study aims to contribute valuable insights to the field, aiding in the proactive management of internal erosion risks and ultimately enhancing the overall safety and operations of Norwegian rockfill dams.