Stability Calculations and Proposal Measures Regarding Ice Load for the Skålan Dam

Hydropower is an important source of energy in Sweden and accounts for about 46 % of the total energy production. Sweden has about 1 200 hydropower plants and with the intention of raising the pressure head of the water and to store water, dams are built by the power plants. The storage reservoirs make it possible to adjust the energy production by demand and season. Dams in connection to the reservoirs are subjected to additional loading during periods of high floods or when an icecap in the winter is formed on the reservoirs. In order to maintain the dam safety, the power companies in Sweden are working with guidelines for dam safety from RIDAS. An important part of the work of dam safety is FDU that is carried out with purposes of improving the work of dam safety. A FDU made for the Skålan dam in the River of Ljungan showed that the levels of the safety factors for sliding and overturning of the dam was not fulfilled when subjected to loads from an icecap. The object of this thesis was to follow up the FDU and by carrying out extensive stability calculations on all parts of the Skålan dam, investigate what safety factors the different parts will get and also investigate some proposal measures in order to increase the dam stability. The stability calculations for the dam have been performed according to directions in RIDAS at four loading cases. Loading case I and II means a water level to the retained water level and an ice load of 200 and 100 kN/m respectively. Loading case III and IV means a situation without ice load but with a water level to the retained water level respectively a water level to a meter above the retained water level. The stability of the dam was studied with regards to sliding and overturning. The results from the stability calculations showed for both loading case I and II that the majority of the parts of the Skålan dam did not fulfill the levels of the safety factors. The calculations also showed that some parts of the dam did not fulfill the stability criteria of sliding at loading case III, which implies that these parts of the dam actually have not enough weight. The measure proposals studied were the ice preventive measures IR-elements and circulation of the deep warm water and the stability increasing measure with pre strained rock anchorages. The net present value (NVP) for the different measures were calculated with a life length of the dam estimated to 60 years. The results from the calculations of the NVP showed that the most economically feasible measure is circulation of the water but when considering the results from the stability calculations, the most suitable measure is the rock anchorages. Therefore, a combination of rock anchorages on parts which not fulfills the stability criteria in combination with circulation of the water is suggested to be the best measure.Vattenkraften är en viktig energikälla i Sverige som utgör ca 46 % av den totala energiproduktionen. I Sverige finns det ca 1 200 kraftverk och i syfte att öka fallhöjden och lagra vatten bygger man dammar i anslutning till kraftverken. Dammarna skapar stora magasin med vatten och gör det möjligt att anpassa elproduktionen efter säsong och behov. Dammar och kraftverk vid vattenmagasinen utsätts för extra belastning under perioder med höga flöden samt vid islaster och för att upprätthålla dammsäkerheten har man tagit fram RIDAS - kraftföretagens riktlinjer för dammsäkerhet. Inom ramen för dammsäkerhetsarbete utförs fördjupade dammsäkerhetsutvärderingar, FDU, för att arbeta förebyggande och hitta möjligheter till förbättring av dammsäkerhetsarbetet. I en FDU gjord för Skålandammen i Ljungan påvisades att de av RIDAS uppsatta säkerhetsfaktorerna för glidning och stjälpning inte uppfylldes vid islast. Syftet med detta arbete var att följa upp FDU:n och med utförliga stabilitetsberäkningar på Skålandammens alla delar (monoliter) undersöka hur dessa klarar säkerhetsfaktorerna vid olika lastfall, hur stort problemet med islast är samt ta fram åtgärdsförslag för att öka dammens stabilitet. Beräkningarna har utförts enligt RIDAS anvisningar för stabilitetsberäkningar vid fyra olika lastfall där de två första innebär en vattennivå till magasinets dämningsgräns samt en islast på 200 respektive 100 kN/m och de två andra behandlar en situation utan islast men med en vattennivå till dämningsgränsen respektive en vattennivå till 1 meter över dämningsgränsen. Stabiliteten kontrollerades med avseende på stjälpning och glidning. Resultatet av stabilitetsberäkningarna visade att för majoriteten av Skålandammens monoliter uppfylls inte stabilitetskraven vid en islast på vare sig 200 eller 100 kN/m. Det visades även att ett fåtal monoliter inte uppfyller säkerhetskraven för glidning vid lastfallet utan islast med en vattennivå till dämningsgränsen, vilket indikerar på att dessa monoliter är för lätta. De isfrihållande åtgärdsförslagen som jämfördes var IR-element och cirkulering av vattnet med hjälp av luftbubblor och den stabilitetshöjande åtgärden med förspända bergförankringar. Nuvärdet för dessa åtgärder beräknades sedan med antagandet att dammen har en livslängd på 60 år. Resultatet från nuvärdesberäkningen visade att det billigaste alternativet är cirkulering av vattnet men utifrån stabilitetsberäkningarna är det mest fördelaktigt att använda den stabilitetshöjande åtgärden med bergförankringar. Med anledning av detta föreslås ett alternativ med bergförankringar på de monoliter som inte uppfyllde säkerhetskraven vid lastfall utan is i kombination med cirkulering av vattnet som den mest lämpliga åtgärden