Assessment of the internal stability of a dam core

Évaluation du risque d’instabilité interne dans un noyau de barrage en remblai

P.E., Ph.D., Dam Safety Division/Hydro Québec - 75 René-Lévesque west, Montréal, Québec, Canada H2Z1A4
email : smith.marc@hydro.qc.ca

Abstract

Internal erosion due to seepage forces represent one of the main causes of embankment dam safety incidents and failures. This phenomenon can initiate by internal instability where the finer particles in a dam core can erode through voids formed by the matrix of coarser particles. The assessment of internal stability of soils in existing dams or for future projects is of utmost importance for a dam owner. An application of three internal stability assessment methods based on the geometry of grain size distributions (construction control data) was realized for the silt-sand-gravel core of a 171 m-high rockfill dam. This led to contradictory results. The representativeness of conclusions drawn from such applications should not be judged only by considering laboratory testing conditions used in establishing the various methods. Results from field monitoring data must also be taken into account. The use of grain size distribution criteria is a first step to assess internal stability. A thorough assessment of the internal stability of an existing dam would require the analysis of the core and filter materials by considering the spatial variability of their geotechnical properties as well as the interactions of geometric, hydraulic and mechanical susceptibilities to internal instability. Specific tests may be required for new projects particularly if the grain size distribution of soils under consideration is gap-graded or has a flat tail of fines.

Résumé

L’érosion interne due aux forces d’écoulement représente une des causes principales d’incidents et de ruptures pour les barrages en remblai. Ce phénomène peut être initié par l’instabilité interne où les particules plus fines du noyau imperméable s’érodent à travers les vides formés par la matrice de particules plus grossières. L’évaluation du risque d’instabilité interne des ouvrages existants est particulièrement importante pour un propriétaire de barrages.

L’application de trois méthodes d’évaluation du risque d’instabilité interne basées sur la forme des courbes granulométriques (provenant des données de surveillance de la construction) a été réalisée pour le noyau de sable silteux graveleux d’un barrage en enrochement de 171 m de hauteur. Cet exercice donna des résultats contradictoires. La représentativité des conclusions tirées de l’application de ces méthodes ne doit pas être jugée en ne considérant que les conditions de laboratoire ayant servi à les établir. Les résultats provenant de l’auscultation du barrage doivent aussi être considérés.

L’application de méthodes géométriques, basées sur les courbes granulométriques, est une première étape pour l’évaluation du risque d’instabilité interne. Une évaluation plus exhaustive doit inclure l’analyse des matériaux composant le noyau et aussi le filtre aval. La variabilité spatiale des propriétés géotechniques de ces sols doit être prise en compte tout comme les interrelations entre les caractéristiques géométriques, hydrauliques et mécaniques reliées au risque d’instabilité interne.

Des essais spécifiques peuvent être requis pour l’analyse d’ouvrages futurs surtout si la pente de la portion fine des courbes granulométriques prévues pour ces ouvrages est faible ou si ces courbes sont discontinues.