Reliability – based analysis of embankment dams

Embankment dams are widely used as water-retaining structures through the world. Two principal structural failure modes of embankment dams are internal erosion and slope instability. The objective of this thesis is to investigate the feasibility of applying probabilistic methods in embankment dam assessment. Compared to deterministic methods, probabilistic methods considers the variability in material properties and the results are more assessable. Meanwhile, the derived sensitivity factors of the variables can be used to find the most influential one.Through a literature review, it is found that the difficulties in defining a limit state function for the full process of internal erosion for embankment dams hold back the application of reliability-based methods. However, reliability-based methods have been recognized as suitable for slope stability assessment.In this thesis, both deterministic and probabilistic calculations have been performed for a homogenous embankment dam. The deterministic calculation is carried out in Slope/W to first find out the most critical slip surface. The failure probability of this slip surface is estimated by both Monte Carlo simulations in Slope/W and FORM analysis in Comrel. Then, the 34 most critical slip surfaces from Slope/W are chosen to calculate the system reliability with simple bounds and applied integration. The results from the deterministic and probabilistic calculations showed that the studied dam has a higher risk of failure than allowed. In the system reliability calculation, simple bounds gives a wide range, especially the upper bounds. It was found that classification of different slip surfaces into different groups with respect to geometry and material was useful to simplify the calculations. Not much improvement in accuracy of the system probability of failure is found when increasing the numbers (from 1 to 5) of the most critical slip surfaces from each group. Even the combination of 1 slip surface from each group only gives an error of 6.5%. Categorizing slip surfaces before performing a system reliability analysis is a good way for simplification of the calculations. Due to this, the criteria used for categorization of the slip surfaces are of interest. In this work, it was found that the slip geometry in combination with the materials included in the slip surface constitute a possible way forward to do this. Fyllningsdammar används ofta som dämmande konstruktioner runt om i världen. Två potentiella brottmoder för fyllningsdammar är inre erosion och släntinstabilitet.Syftet med detta examensarbete är att undersöka möjligheten att tillämpa probabilistiska metoder vid utvärdering av fyllningsdammars säkerhet för dessa brottmoder. Jämfört med deterministiska metoder betraktar probabilistiska metoder även variationen i materialegenskaper. Erhållna känslighetsfaktorer för ingående variabler kan även användas för att hitta de som har störst inverkan på det studerade problemet.I litteraturstudien framkom att det är svårt att definiera en gränsfunktion som beskriver inre erosion för fyllnadsdammar, vilket begränsar dess användbarhet med probabilistiska metoder. För analys av släntstabilitet är dock probabilistiska metoder användbara. Både deterministiska och probabilistiska beräkningar av släntstabiliteten för en fyllnadsdamm har genomförts inom ramen för detta arbete. De deterministiska beräkningarna har utförts med programmet Slope/W, där den mest kritiska glidytan först har analyserats. Brottsannolikheten för dammen har beräknats med både Monte Carlo-simulering i Slope/W och FORM-analys i Comrel. En begränsning med att enbart beräkna brottsannolikheten för den mest kritiska glidytan är att brottsannolikheten kan underskattas då inverkan från andra potentiella glidytor inte beaktas. De potentiella glidytorna kan betraktas som ett seriesystem, där glidytorna är delvis korrelerade med varandra. För att studera denna fråga valdes de 34 mest kritiska glidytorna från Slope/W ut för att beräkna systemets tillförlitlighet. Resultaten från de deterministiska och probabilistiska beräkningarna visade att den studerade dammen hade en oacceptabel brottsannolikhet. I beräkningarna av gränserna för systemets brottsannolikhet visade resultaten att brottsannolikheten kan variera stort beroende på korrelationen mellan glidytorna. Genom att klassificera glidytorna i olika grupper med hänsyn till geometri och ingående material kan beräkningarna för systemets brottsannolikhet förenklas. Resultaten visade att noggrannheten i beräkningarna för brottsannolikheten av systemet inte förbättrades i någon större utsträckning när antalet valda glidytor (från 1 till 5) från varje grupp av likartade glidytor inkluderades i beräkningen. Kombinationen av 1 glidyta från varje grupp gav endast ett fel på 6,5% jämfört med om alla 34 glidytorna inkluderades. Kategorisering av glidytor av samma karaktär i olika grupper rekommenderas därför att genomföras innan systemets tillförlitlighet analyseras. I detta arbete framkom att glidytan geometri i kombination med ingående material i glidytan utgör ett lämpligt kriterium för att göra denna indelning