Evaluating Risks of Dam-Reservoir Systems Using Efficient Importance Sampling

The occurrence frequency of failure events serve as critical indexes representing the safety status of dam-reservoir systems. Although overtopping is the most common failure mode with significant consequences, this type of event, in most cases, has a small probability. Estimation of such rare event risks for dam-reservoir systems with crude Monte Carlo (CMC) simulation techniques requires a prohibitively large number of trials, where significant computational resources are required to reach the satisfied estimation results. Otherwise, estimation of the disturbances would not be accurate enough. In order to reduce the computation expenses and improve the risk estimation efficiency, an importance sampling (IS) based simulation approach is proposed in this dissertation to address the overtopping risks of dam-reservoir systems. Deliverables of this study mainly include the following five aspects: 1) the reservoir inflow hydrograph model; 2) the dam-reservoir system operation model; 3) the CMC simulation framework; 4) the IS-based Monte Carlo (ISMC) simulation framework; and 5) the overtopping risk estimation comparison of both CMC and ISMC simulation. In a broader sense, this study meets the following three expectations: 1) to address the natural stochastic characteristics of the dam-reservoir system, such as the reservoir inflow rate; 2) to build up the fundamental CMC and ISMC simulation frameworks of the dam-reservoir system in order to estimate the overtopping risks; and 3) to compare the simulation results and the computational performance in order to demonstrate the ISMC simulation advantages. The estimation results of overtopping probability could be used to guide the future dam safety investigations and studies, and to supplement the conventional analyses in decision making on the dam-reservoir system improvements. At the same time, the proposed methodology of ISMC simulation is reasonably robust and proved to improve the overtopping risk estimation. The more accurate estimation, the smaller variance, and the reduced CPU time, expand the application of Monte Carlo (MC) technique on evaluating rare event risks for infrastructures.

Desenvolvimento de uma plataforma SIG para apoio ao controlo da segurança das grandes barragens portuguesas

Trabalho Final de Mestrado elaborado no Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC) para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil pelo Instituto Superior de Engenharia de Lisboa no âmbito do protocolo de cooperação entre o ISEL e o LNEC

Modelação e monitorização do comportamento dinâmico de barragens abóbada: identificação modal automática

Trabalho Final de Mestrado elaborado no Laboratório de Engenharia Civil (LNEC) para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil pelo Instituto Superior de Engenharia de Lisboa no âmbito do protocolo de cooperação entre o ISEL e o LNEC

Estudo do comportamento sísmico de barragens de gravidade com ancoragens passivas

Dissertação de Natureza Científica para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil na Área de Especialização de Estruturas

Análise do comportamento sísmico da barragem de Luzzone: desenvolvimento de um programa de EF3D utilizando uma formulação em deslocamentos e pressões

Trabalho Final de Mestrado elaborado no Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC) para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil pelo Instituto Superior de Engenharia de Lisboa no âmbito do protocolo entre o ISEL e o LNEC

Um estudo das condições de percolação e estabilidade em barragens de terra mediante métodos geofísicos: caso do dique de Sant Llorenç de Montgai - Espanha

The monitoring of Earth dam makes use of visual inspection and instrumentation to identify and characterize the deterioration that compromises the security of earth dams and associated structures. The visual inspection is subjective and can lead to misinterpretation or omission of important information and, some problems are detected too late. The instrumentation are efficient but certain technical or operational issues can cause restrictions. Thereby, visual inspections and instrumentation can lead to a lack of information. Geophysics offers consolidated, low-cost methods that are non-invasive, non-destructive and low cost. They have a strong potential and can be used assisting instrumentation. In the case that a visual inspection and strumentation does not provide all the necessary information, geophysical methods would provide more complete and relevant information. In order to test these theories, geophysical acquisitions were performed using Georadar (GPR), Electric resistivity, Seismic refraction, and Refraction Microtremor (ReMi) on the dike of the dam in Sant Llorenç de Montgai, located in the province of Lleida, 145 km from Barcelona, Catalonia. The results confirmed that the geophysical methods used each responded satisfactorily to the conditions of the earth dike, the anomalies present and the geological features found, such as alluvium and carbonate and evaporite rocks. It has also been confirmed that these methods, when used in an integrated manner, are able to reduce the ambiguities in individual interpretations. They facilitate improved imaging of the interior dikes and of major geological features, thus inspecting the massif and its foundation. Consequently, the results obtained in this study demonstrated that these geophysical methods are sufficiently effective for inspecting earth dams and they are an important tool in the instrumentation and visual inspection of the security of the dams

Estudo de propagação de ondas em planície de inundação para elaboração de plano de ação emergencial de barragens: UHE Três irmãos estudo de caso

Pós-graduação em Engenharia Civil - FEIS

Transformación de las políticas de gestión de riesgos en Quebec

En 1996, las lluvias excepcionalmente abundantes que cayeron en la región de Saguenay (Quebec - Canadá) provocaron la ruptura o el desbordamiento de presas, inundaciones, deslizamientos de tierra (más de 1000 en 36 horas) y numerosos cortes de electricidad. Estos eventos repentinos causaron dos muertes, forzaron la evacuación de más de 16.000 personas y generaron perdidas económicas estimadas en aproximadamente un millar de dólares canadienses. Cerca de quince años más tarde se hace un balance de algunas de las principales repercusiones que dichos eventos tuvieron en la manera como el gobierno de Quebec enfrenta estas situaciones. Dos leyes (ley sobre la seguridad de las presas (2000) y la ley sobre la seguridad publica 2001)) y una política (la política nacional del agua, 2002) se inspiraron directamente en las lecciones dejadas por el desastre de Saguenay y son brevemente presentadas en este artículo. Estas lecciones, así como aquellas obtenidas de la tormenta de hielo que vivió Quebec en 1998, abrieron la vía a un enfoque mas global y estructurado de la seguridad civil: la gestión de riesgos.

Inclusión en modelos de riesgo de presas de una metodología de estimación hidrológica basada en técnicas de Monte Carlo

En este estudio se aplica una metodología de obtención de las leyes de frecuencia derivadas (de caudales máximo vertidos y niveles máximos alcanzados) en un entorno de simulaciones de Monte Carlo, para su inclusión en un modelo de análisis de riesgo de presas. Se compara su comportamiento respecto del uso de leyes de frecuencia obtenidas con las técnicas tradicionalmente utilizadas.

Gestión óptima de embalses en avenidas incorporando al concepto de incertidumbre : aplicación a embalses con central hidroeléctrica

Esta tesis realiza una contribución metodológica al problema de la gestión óptima de embalses hidroeléctricos durante eventos de avenidas, considerando un enfoque estocástico y multiobjetivo. Para ello se propone una metodología de evaluación de estrategias de laminación en un contexto probabilístico y multiobjetivo. Además se desarrolla un entorno dinámico de laminación en tiempo real con pronósticos que combina un modelo de optimización y algoritmos de simulación. Estas herramientas asisten a los gestores de las presas en la toma de decisión respecto de cuál es la operación más adecuada del embalse. Luego de una detallada revisión de la bibliografía, se observó que los trabajos en el ámbito de la gestión óptima de embalses en avenidas utilizan, en general, un número reducido de series de caudales o hidrogramas para caracterizar los posibles escenarios. Limitando el funcionamiento satisfactorio de un modelo determinado a situaciones hidrológicas similares. Por otra parte, la mayoría de estudios disponibles en este ámbito abordan el problema de la laminación en embalses multipropósito durante la temporada de avenidas, con varios meses de duración. Estas características difieren de la realidad de la gestión de embalses en España. Con los avances computacionales en materia de gestión de información en tiempo real, se observó una tendencia a la implementación de herramientas de operación en tiempo real con pronósticos para determinar la operación a corto plazo (involucrando el control de avenidas). La metodología de evaluación de estrategias propuesta en esta tesis se basa en determinar el comportamiento de éstas frente a un espectro de avenidas características de la solicitación hidrológica. Con ese fin, se combina un sistema de evaluación mediante indicadores y un entorno de generación estocástica de avenidas, obteniéndose un sistema implícitamente estocástico. El sistema de evaluación consta de tres etapas: caracterización, síntesis y comparación, a fin de poder manejar la compleja estructura de datos resultante y realizar la evaluación. En la primera etapa se definen variables de caracterización, vinculadas a los aspectos que se quieren evaluar (seguridad de la presa, control de inundaciones, generación de energía, etc.). Estas variables caracterizan el comportamiento del modelo para un aspecto y evento determinado. En la segunda etapa, la información de estas variables se sintetiza en un conjunto de indicadores, lo más reducido posible. Finalmente, la comparación se lleva a cabo a partir de la comparación de esos indicadores, bien sea mediante la agregación de dichos objetivos en un indicador único, o bien mediante la aplicación del criterio de dominancia de Pareto obteniéndose un conjunto de soluciones aptas. Esta metodología se aplicó para calibrar los parámetros de un modelo de optimización de embalse en laminación y su comparación con otra regla de operación, mediante el enfoque por agregación. Luego se amplió la metodología para evaluar y comparar reglas de operación existentes para el control de avenidas en embalses hidroeléctricos, utilizando el criterio de dominancia. La versatilidad de la metodología permite otras aplicaciones, tales como la determinación de niveles o volúmenes de seguridad, o la selección de las dimensiones del aliviadero entre varias alternativas. Por su parte, el entorno dinámico de laminación al presentar un enfoque combinado de optimización-simulación, permite aprovechar las ventajas de ambos tipos de modelos, facilitando la interacción con los operadores de las presas. Se mejoran los resultados respecto de los obtenidos con una regla de operación reactiva, aun cuando los pronósticos se desvían considerablemente del hidrograma real. Esto contribuye a reducir la tan mencionada brecha entre el desarrollo teórico y la aplicación práctica asociada a los modelos de gestión óptima de embalses. This thesis presents a methodological contribution to address the problem about how to operate a hydropower reservoir during floods in order to achieve an optimal management considering a multiobjective and stochastic approach. A methodology is proposed to assess the flood control strategies in a multiobjective and probabilistic framework. Additionally, a dynamic flood control environ was developed for real-time operation, including forecasts. This dynamic platform combines simulation and optimization models. These tools may assist to dam managers in the decision making process, regarding the most appropriate reservoir operation to be implemented. After a detailed review of the bibliography, it was observed that most of the existing studies in the sphere of flood control reservoir operation consider a reduce number of hydrographs to characterize the reservoir inflows. Consequently, the adequate functioning of a certain strategy may be limited to similar hydrologic scenarios. In the other hand, most of the works in this context tackle the problem of multipurpose flood control operation considering the entire flood season, lasting some months. These considerations differ from the real necessity in the Spanish context. The implementation of real-time reservoir operation is gaining popularity due to computational advances and improvements in real-time data management. The methodology proposed in this thesis for assessing the strategies is based on determining their behavior for a wide range of floods, which are representative of the hydrological forcing of the dam. An evaluation algorithm is combined with a stochastic flood generation system to obtain an implicit stochastic analysis framework. The evaluation system consists in three stages: characterizing, synthesizing and comparing, in order to handle the complex structure of results and, finally, conduct the evaluation process. In the first stage some characterization variables are defined. These variables should be related to the different aspects to be evaluated (such as dam safety, flood protection, hydropower, etc.). Each of these variables characterizes the behavior of a certain operating strategy for a given aspect and event. In the second stage this information is synthesized obtaining a reduced group of indicators or objective functions. Finally, the indicators are compared by means of an aggregated approach or by a dominance criterion approach. In the first case, a single optimum solution may be achieved. However in the second case, a set of good solutions is obtained. This methodology was applied for calibrating the parameters of a flood control model and to compare it with other operating policy, using an aggregated method. After that, the methodology was extent to assess and compared some existing hydropower reservoir flood control operation, considering the Pareto approach. The versatility of the method allows many other applications, such as determining the safety levels, defining the spillways characteristics, among others. The dynamic framework for flood control combines optimization and simulation models, exploiting the advantages of both techniques. This facilitates the interaction between dam operators and the model. Improvements are obtained applying this system when compared with a reactive operating policy, even if the forecasts deviate significantly from the observed hydrograph. This approach contributes to reduce the gap between the theoretical development in the field of reservoir management and its practical applications.

Preliminary design of symmetric arch-gravity dams

In this paper, a set of design parameters, such as the slopes of upstream and downstream faces of the dam, radius of the upper arch, width of the dam at the top level and height of the vertical upper part of the dam, are given as function of the valley characteristics when the dam is situated, such as its geometry and its geotechnical properties. These tables have been obtained using a regression of the design parameters of an arch-gravity dam with a minimum concrete volume, placed in a large number of valleys with different characteristics and properties. Elasticites for these design parameters are also discussed.

Control de movimientos en presas de hormigón mediante DGPS. Comparación con otros métodos de auscultación e implicaciones para la seguridad. Estudio de caso en la presa de La Aceña (Ávila)

Las normativas que regulan la seguridad de las presas en España han recogido la necesidad de conocer los desplazamientos y deformaciones de sus estructuras y cimientos. A día de hoy, son muchas las presas en explotación que no cuentan con un sistema de auscultación adecuado para controlar este tipo de variables, ya que la instalación de métodos clásicos de precisión en las mismas podría no ser viable técnicamente y, de serlo, supondría un coste económico importante y una dudosa garantía del proceso de ejecución de la obra civil correspondiente. Con el desarrollo de las nuevas tecnologías, la informática y las telecomunicaciones, han surgido nuevos sistemas de auscultación de desplazamientos. Los sistemas GPS actuales, diseñados para el control de estructuras, guiado de maquinaria, navegación y topografía, estabilidad de taludes, subsidencias, etc. permiten alcanzar precisiones centimétricas. El sistema de control de movimientos basado en la tecnología DGPS (GPS diferencial) combinada con un filtro estadístico con el que se alcanzan sensibilidades de hasta ±1 mm en el sistema, suficientes para una auscultación normal de presas según los requerimientos de la normativa actual. Esta exactitud se adapta a los desplazamientos radiales de las presas, donde son muy comunes valores de amplitudes en coronación de hasta 15 mm en las de gravedad y de hasta 45 mm en el caso de las presas bóveda o arco. La presente investigación tiene por objetivo analizar la viabilidad del sistema DGPS en el control de movimientos de presas de hormigón comparando los diferentes sistemas de auscultación y su correlación con las variables físicas y las vinculadas al propio sistema GPS diferencial. Ante la necesidad de dar respuesta a estas preguntas y de validar e incorporar a la mencionada tecnología en la ingeniería civil en España, se ha llevado a cabo un estudio de caso en La Aceña (Ávila). Esta es una de las pocas presas españolas que se está controlando con dicha tecnología y de forma simultánea con los sistemas clásicos de auscultación y algunos otros de reciente aplicación La presente investigación se ha organizado con idea de dar respuesta a varias preguntas que el explotador de presas se plantea y que no se analizan en el estado del arte de la técnica: cómo hacer la configuración espacial del sistema y cuáles son los puntos necesarios que se deben controlar, qué sistemas de comunicaciones son los más fiables, cuáles son los costes asociados, calibración del software, vida útil y mantenimientos requeridos, así como la posibilidad de telecontrolar los datos. Entre las ventajas del sistema DGPS, podemos señalar su bajo coste de implantación y posibilidad de controlarlo de forma remota, así como la exactitud y carácter absoluto de los datos. Además, está especialmente indicado para presas aisladas o mal comunicadas y para aquellas otras en las que el explotador no tiene referencia alguna de la magnitud de los desplazamientos o deformaciones propias de la presa en toda su historia. Entre los inconvenientes de cualquier sistema apoyado en las nuevas tecnologías, destaca la importancia de las telecomunicaciones ya sea en el nivel local en la propia presao desde su ubicación hasta el centro de control de la explotación. Con la experiencia alcanzada en la gestión de la seguridad de presas y sobre la base de la reciente implantación de los nuevos métodos de auscultación descritos, se ha podido analizar cada una de sus ventajas e inconvenientes. En el capítulo 5, se presenta una tabla de decisión para el explotador que servirá como punto de partida para futuras inversiones. El impacto de esta investigación se ha visto reflejado en la publicación de varios artículos en revistas indexadas y en el debate suscitado entre gestores y profesionales del sector en los congresos nacionales e internacionales en los que se han presentado resultados preliminares. All regulations on the safety of dams in Spain have collected the need to know the displacements and deformations of the structure and its foundation. Today there are many dams holding not have an adequate system of auscultation to control variables such as the installation of classical methods of precision in the same might not be technically feasible, and if so, would cost important economic and guarantee the implementation process of the dubious civil works. With the development of new technologies, computing and telecommunications, new displacements auscultation systems have emerged. Current GPS systems designed to control structures, machine guidance, navigation and topography, slope stability, subsidence, etc, allow to reach centimeter-level accuracies. The motion control system based on DGPS technology applies a statistical filter that sensitivities are achieved in the system to ± 1 mm, sufficient for normal auscultation of dams as required by current regulations. This accuracy is adapted to the radial displacement of dams, which are common values in coronation amplitudes up to 15 mm in gravity dams and up to 45 mm in arch or arc dams. This research aims to analyze the feasibility of DGPS system in controlling movements of concrete dams, comparing the different systems auscultation and its correlation with physical variables and linked to differential GPS system itself. Given the need to answer this question and to validate and incorporate this technology to civil engineering in Spain, has conducted a case study in real time at the dam La Aceña (Ávila). This dam is one of the few Spanish companies, which are controlling with this technology and simultaneously with the classic auscultation systems and some other recent application. This research has been organized with a view to responding to questions that the dam operator arises and in the state of the art technique not discussed: how to make spatial configuration of the system and what are the necessary control points what communication systems are the most reliable, what are the associated costs, calibration software, service life and maintenance requirements, possibility of monitoring, etc. Among the advantages we can point to its low cost of implementation, the possibility of remote, high accuracy and absolute nature of the data. It could also be suitable for those isolated or poorly communicated dams and those in which the operator has no reference to the magnitude of displacements or deformations own prey in its history. The disadvantages of any system based on the new technologies we highlight the importance of telecommunications, either locally or from this dam control center of the farm. With the experience gained in the management of dam safety and based on the recent introduction of new methods of auscultation described, it has been possible to analyze each of their advantages and disadvantages. A decision table for the operator, which will serve as a starting point for future investments is presented. The impact of research, has been reflected in the publication of several articles in refereed journals and discussion among managers and professionals in national and international conferences in which they participated.

Metodología para la gestión integral de las presas de laminación de avenidas y su aplicación a la cuenca hidrográfica del Segura

En el levante español se producen periódicamente intensos aguaceros (gota fría), que generan grandes riadas, desbordándose los cauces y asolando los campos y las ciudades, ocasionando graves daños en la economía local y con frecuencia, por desgracia, víctimas personales. La Confederación Hidrográfica del Segura ha puesto en marcha un vasto sistema de protección, conocido como Plan de Defensa contra Avenidas, del que ya se encuentran en explotación un conjunto de presas cuyo objetivo prioritario es la laminación de las avenidas. Las presas de laminación ubicadas en esta área mediterránea son estructuras muy singulares, al estar ubicadas en cuencas extremadamente secas, con alta pendiente, rápida respuesta, picos altos de caudal, y gran poder erosivo del flujo. Las aguas arrastran en suspensión un alto porcentaje de aporte sólido y flotantes, que quedan retenidos en el embalse, aterrándolo e inutilizando los desagües. En esta tesis doctoral se analizan los criterios de actuación para la gestión de estas presas de laminación, con objeto de que se puedan introducir en las Normas de Explotación innovaciones destinadas a mejorar la eficiencia del conjunto, de manera que se consiga la máxima protección posible y al mismo tiempo se puedan aprovechar las aguas, sin menoscabo de su objetivo prioritario, para otros fines complementarios. Como consecuencia del trabajo realizado se indica la conveniencia de establecer un conjunto de normas de actuación comunes a todas las presas del sistema, como es la estrategia de recibir siempre a los hidrogramas de la riada con las compuertas de los desagües de fondo cerrados, o la conveniencia de que en todas las presas se dispongan compuertas en estos órganos. También se dictan recomendaciones en la gestión del vaciado, para conseguir el máximo aprovechamiento del agua, introduciendo el concepto innovador de los trasvases virtuales. Asimismo, se analiza la conveniencia de fijar normas diferenciales específicas atendiendo a las peculiaridades de cada presa, en cuanto se refiere al nivel máximo de explotación, al cumplimiento de los condicionantes ambientales, al mantenimiento de la calidad del agua, y a otros aspectos singulares que caracterizan a cada uno de estos embalses. The Spanish Mediterranean region hydrology is characterised by low rainfall, but concentrated in extreme convective events. Those heavy rains and storms lead to large, flash-floods which cause devastation of fields, villages and, unfortunately, loss of lives. Segura River Basin Authority has developed an ambitious plan for flood protection and control that is constituted by a system of flood protection dams, river channelling, river diversions diversions and levees. Flood protection dams placed on this area, are distinct structures, as they are located on extremely dry basins, with high slopes and limited vegetal covering. These facts, along with the very high rainfall intensity, are determinants of a rapid response and a very erosive flow. The flow transports a large rate of solids in suspension, and also debris, which many times block and clog the outlets intakes, disabling them. In such a case, the dam would be inoperative, in an emergency state and remedial measures should be taken. This PhD thesis analyses the flood protection dams operation criteria, for providing managers a methodology to analyse each individual case and also the flood protection system as a whole. Additionally practical rules and recommendations, to cope with the objectives of dam safety, flood protection and water resources use, are given. The rules consider the specific differences and risks that may be faced by the dams. To that end, they were grouped, depending on their characteristics: allowance for permanent water storage, environmental restrictions, water quality, geotechnical problems, type of structure, etc. As a result of this research, it is recommended to design these dams with valves for regulating the bottom outlets. The availability of valves is linked with the routing strategy of receiving flood with the outlets closed. This has been shown as the best measure to prevent clogging and opens the possibility of storing temporarily the water, making then a scheduled emptying of the reservoir, which could be computed as a virtual transfer to the regulating dams. Emptying should be done in accordance with the situation of the other dams of the system and of the rivers downstream. This detention time would make possible also the beginning of the sedimentation process which is necessary for using the water with the modern irrigation systems that are in use in this area.

Rules for construction and maintenance of dams /

Includes: Recommended guidelines for safety inspection of dams / Dept. of the Army. Office of the Chief of Engineers ER 1110-2-106.