Seismic stability of a rock wedge in the abutment of an arch dam / Felskeilstabilität im Fundament einer Bogenstaumauer bei Erdbebenbelastung
Authors: Zenz Gerald , Goldgruber Markus , Feldbacher Rupert 
Published: April 2012

It is shown by the fact of recent earthquakes that engineered dam structures are safe structures. Just minor structures and such, which have not been designed on engineering knowledge, have been damaged. To guarantee a safe dam design, it is necessary to account for the loading in an appropriate way together with the geotechnical site conditions. Based on these, the optimum layout of the structure can be found. For the dynamic loading of the dam structure intensive site specific investigations are needed. The interaction with the abutment is in most cases approximated by means of rigid body models, e.g. Londe or Goodman.

To account for the dynamic interaction a more elaborated model is investigated based on calculations and results from the ICOLD “10th Benchmark Workshop on Numerical Analysis of Dams”. For this the orographic left rock wedge in the abutment of the Luzzone Dam is discretized within a numerical arch dam model accounting for the wedge mass gravitational forces. Time histories of accelerations are applied and fluid structure interaction is accounted for with added mass approach compared with fluid elements. The investigations on the stability are carried out within the finite element model and – with the time history of the dam thrust acting onto the wedge – with the Londe method. The results of the calculations are compared with respect to different distributions of the pore water pressure in the contact between rock wedge and underlying rock.

It is to conclude that more sophisticated, realistic models show higher margins to entire system failure, which anticipates, that the existing model assumptions are conservative – as it is assumed.

Die verheerenden Erdbebenereignisse der letzten Zeit zeigen, dass große Talsperren sehr sichere Bauwerke sind. Lediglich untergeordnete Bauwerke und solche, die nicht ingenieurmäßig geplant wurden, haben Schaden genommen. Um die Sicherheit einer Struktur gewährleisten zu können, sind alle Belastung und geologischen Randbedingungen zu berücksichtigen. Darauf basierend kann ein optimaler Entwurf gefunden werden. Für die Standsicherheitsnachweise ist eine genaue Untersuchung des Untergrunds erforderlich. Dabei werden meist Starrkörpermethoden, zum Beispiel nach Londe oder Goodman angewendet.

Zur besseren Berücksichtigung der dynamischen Interaktion bei Erdbebenbelastung wird ein aufwändigeres Modell, basierend auf dem ICOLD “10th Benchmark Workshop on Numerical Analysis of Dams”, erstellt. Hierbei wird der bei der Luzzone Talsperre orographisch rechts liegende Felskeil in einem numerischen Modell der Bogenstaumauer diskretisiert, um dessen Eigengewicht direkt berücksichtigen zu können. Das Erdbeben wirkt dynamisch auf das Modell; die Fluid‐Struktur‐Interaktion wird mit addierten Massen und Acoustics Elementen simuliert. Die Untersuchung der Felskeilstabilität wird vergleichend mit der Finiten‐Elemente‐Methode und der Londe‐Methode durchgeführt. Dabei wird die auf den Keil wirkende Sperrenbeanspruchung in Rechnung gestellt. Die Ergebnisse der beiden Berechnungen werden unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Porenwasserdruckverteilung in den Trennflächen zwischen Gebirge und Felskeil miteinander verglichen.

Es kann zusammengefasst werden, dass in diesem Fall das aufwändigere und realistischere Modell höhere Sicherheiten gegen Systemversagen ergibt. Dies bedeutet, dass die vereinfachenden Modellannahmen konservative, also auf der sicheren Seite liegende Sicherheiten ergeben.