Dams – Securing Water for Our Future 1

Safety evaluation of a slab and buttress dam

Marius Jonker1, Francisco Lopez2 and John Bosler3

1 Principal Dams Engineer, GHD Pty Ltd, Level 8, 180 Lonsdale Street, Melbourne, 3000, Vic, Australia2 Senior Dams Engineer, GHD Pty Ltd

3 Principal Dams Engineer, GHD Pty Ltd

This paper describes the safety evaluation and development of remediation options for Clover Dam, a 28 mhigh slab and buttress structure situated in the alpine region in northeast Victoria, Australia. The reviewwas particularly challenging considering the complexity, age and cracked condition of the dam structure,which required the development of an analysis method for this type of dam.Completed in 1953, Clover Dam is one of five dams in the Kiewa hydroelectric scheme. The 76 m long damcomprises  a  45.7  m  long  covered  slab  and  buttress  section,  supported  on  each  abutment  by  concretegravity sections. The review was undertaken as a result of severe cracking occurring since the early 1970sand because a detailed design review had not been undertaken since its construction.Current guidelines  for  the  safety  review of  existing dams provide  little detailed  information on slab andbuttress  dams.  Consequently,  a  methodology  was  developed  to  analyse  Clover  Dam.  This  methodologycould also be applied in the review of  this type of dam in general, and is currently being used for safetyassessments of three other slab and buttress dams.This paper  focuses  mainly  on  the  dam  structural  assessments  undertaken during  the  safety  review.  Thestructural analyses involved 3­D finite element analyses for thermal, static and earthquake loading.The outcome of the review was that both the gravity and buttress portions of the dam do not meet currentdesign standards. The development of practicable remediation options was complicated by the operationalconstraints and the restricted access to those areas within the dam where remedial works were required.

Keywords: Slab and buttress dam, 3D finite element analysis, seismic assessment.

IntroductionClover  Dam  consists  of  a  28  m  high  slab  and  buttressstructure, supported on each abutment by concrete gravitystructures of the same cross­sectional profile.

The  dam  was  completed  in  1953,  and  cracks  werereportedly  first  observed  in  the  early  1970s.  A  formalprogramme  of  routine  surveillance  of  the  dam  began  inthe  early  1990s  and  included  five­yearly  comprehensivecrack surveys of the whole structure, which indicated thatcracking was continuing to develop.

In 2002 a decision was taken that, in view of the dam’s bynow  severely  cracked  condition  and  because  no  safetyreview  had  been  undertaken  since  its  completion,  it  wastimely  to  conduct  a  comprehensive  assessment  of  itsstatus with respect to current dam safety standards and toestablish the possible causes of the cracking.A failure modes analysis and full safety review of the damwere undertaken in accordance with ANCOLD guidelines(2003).  This  paper,  however,  focuses  mainly  on  thoseaspects  of  the  safety  review  that  identified  majorstructural deficiencies in the dam.

At  the  time  of  publication  a  feasibility  study  of  upgradeoptions was being undertaken and the paper closes with adiscussion of those options currently under consideration.

Description of the dam and schemeThe Kiewa SchemeClover Dam is part of the Kiewa Hydro Electric Scheme,

which was developed between 1939 and the 1960s in thealpine  region  of  North­East  Victoria.  The  scheme  issituated on the east and west branches of the Kiewa Riverand  consists  of  a  series  of  diversion  weirs,  tunnels,penstocks, power stations and five dams. Clover Dam is avital link in the scheme, incorporating the link to transferwater  from  the East Kiewa  to  the West Kiewa  River  forthe West Kiewa Power Station

The  former  State  Electricity  Commission  of  Victoriadesigned  and  constructed Clover  Dam  during  the  period1948 to 1953. The dam is currently owned, operated andmaintained by AGL Hydro.

General layoutClover Dam comprises a slab and buttress structure withgravity  flanks,  a  bottom  outlet  pipe  for  controlledreleases, and an ogee spillway with flashboards.

The  non­overflow  crest  reaches  to  a  height  of  28.55  mabove  the  lowest  foundation  level.  The  76  m  long  damincorporates  a  central  61  m  wide  spillway.  The  buttressportion  of  the  dam  is  45.7  m  long,  with  the  remainingapproximately equal lengths on the flanks made up of theconcrete  gravity  blocks.  The  spillway  includes  the  fullbuttress  portion  of  the  dam  wall  as  well  as  part  of  thegravity blocks, as shown in Figure 1.

Access  into the slab and buttress section is via an accessshaft inside the gauge house on the left flank and a gallerythrough the left flank gravity section.

2 IPENZ Proceedings of Technical Groups 33/1 (LD)

Figure 2.  View of right bank, spillway and apron

ButtressesThe  slab  and  buttress  section  includes  five  buttressesequally spaced at 7.6 m centres, thereby creating six equalspans  covered  by  the  face  and  spillway  slabs  (seeFigure 1).  The  buttresses  are  up  to  20  m  high  and  ofconstant thickness  (0.76 m) above  the  foundation, whichis 1.22 m thick.

Each  buttress  (see  Figure 3)  incorporates  two  inclinedcontraction  joints  between  the  foundation  and  upstreamface,  effectively  forming  three  inclined  columns  withinthe buttress, to transfer the water loads to the foundation.Each buttress  face  is  lightly  reinforced (19 mm diameterbars  each  way  at  305 mm  centres).  The  bars  extendthrough  the  horizontal  construction  joints,  but  terminateon each side of the inclined contraction joints.Partial  lateral  support  of  the  buttresses  is  provided  bymid­height  horizontal  struts  spanning  between  thebuttresses, as well as between buttresses and the adjacentgravity  abutments.  These  struts also  serve  as  a  walkwaythrough  the  dam.  Access  through  the  buttresses  is  bymeans  of  openings  in  the  buttresses  at  the  level  of  thestruts.

Figure 3.  Typical slab and buttress detail

Face slabsThe  upstream  face  is  composed  of  a number  of  inclinedslabs of  varying  thickness,  stacked  on  top  of  each  otherbetween  adjacent  buttresses  (or  a  buttress  and  the  insideedge  of  a  gravity  block),  with  up  to  six  slabs  over  theheight of the dam at the highest point.

Buttress

Figure 4.  Face slab / buttress connection

Each  panel  rests  on  half  the  width  (0.38  m)  of  thesupporting buttresses. Crucially,  the slabs are not  tied  tothe buttresses or each other (refer Figure 4), and are keptin  position  by  their  own  weight  and  the  hydrostatic

45.7 m long slab and buttress section

Gravity section Gravity section

61 m wide spillwayAccess shaftand gallery

Figure 1.  Clover Dam viewed from upstream

Dams – Securing Water for Our Future 3

pressure, as well as a key along the perimeter of the panelto  provide  interlocking  with  the  adjacent  panels.  Eachpanel  is  also  keyed  into  the  upstream  face  of  thesupporting  buttresses  /  gravity  block.  The  vertical  andhorizontal expansion joints separating the slabs are sealedwith copper waterstops and bitumen.

Spillway, slabs and apronThe  61  m  wide  spillway  includes  the  six  spans  of  thebuttress section of the dam, and a gravity section at eachend  of  about  the  same  length  as  each  span  between  thebuttresses, as shown in Figure 1.

The nappe­shaped spillway crest has been provided withflashboards  (wooden  planks  kept  in  position  by  steelpipes) to allow operation of the dam above the full supplylevel while retaining the flood capacity.The  spillway  slab,  similar  to  the  face  slab,  consists  ofindividual  panels,  stacked  on  top  of  each  other  betweenadjacent buttresses (or a buttress and the inside edge of agravity block), with up to six panels over the height of thedam  at  the  highest  point.  These  panels  are  of  constantthickness and shaped to form the spillway crest.

The  vertical  and  horizontal  expansion  joints  separatingthe spillway panels are not sealed.Each panel rests on a 150 mm wide edge of the adjacentbuttresses.  The  panels  are  not  tied  to  the  buttresses  oreach other (refer Figure 5), but are kept in position by anextension  of  the  buttress  between  the  panels,incorporating  a  key  to  secure  the  panels  to  the  buttress,and  keys  in  the  upper  and  bottom  edge  of  the  panels.Unlike  the upstream face panels,  the spillway panels arenot keyed into the supporting buttresses / gravity block.

Buttress

Figure 5.  Spillway slab / buttress connection

The apron consists of a 7.5 m long slab over the full widthof  the  spillway  (see  Figure  2).  The  upstream  part  iscurved  to  tie  in with  the  spillway  slab,  with  the  sides  atthe flanks curved to tie in with the natural rock level.

Current condition of the damThe  condition  of  the  dam  is  being  assessed  throughweekly  routine  inspections  and  annual  intermediateinspections,  in  accordance  with  ANCOLD  guidelines(2003).  A  comprehensive  inspection  was  conducted  in

2002  as  a  basis  for  the  safety  review  and  the  failuremodes assessment.

The spillway slab (downstream face) presents only a fewcracks,  visible  because  of  efflorescence  on  the  concreteface,  and  minor  spalling.  Longitudinal  cracks  extendalong  the  spillway  crest,  apparently  along  constructionjoints  where  the  crest  beams  and  spillway  slabs  areconnected.  The  vertical  faces  of  the  training  walls  andnon­spillway walls at the sides of the spillway are coveredwith  severe  map­pattern  cracking,  and  the  concreteappears in poor condition.

Seepage has been noted on the right flank emanating fromthe  rock  at  the  downstream  end  of  the  apron.  Close­upinspection has revealed a cavity behind the concrete at thepoint of seepage.The downstream face of the non­spillway section presentssome  cracks,  visible  because  of  efflorescent  on  theconcrete  face, and minor spalling. Longitudinal crackinghas  occurred  along  the  downstream  face  of  the  spillwaytraining walls.

Cracks in the order of 5 mm width are present in the shaftand the gallery (see Figure 6), as well as along the verticaland horizontal construction joints on the transverse  facesof the gravity blocks on both abutments. These faces arealso  extensively  covered  with  map­pattern  cracking.Seepage  emanating  from  the  cracks  indicates  that  it  isbypassing  the  waterstops  and  that  the  cracks  areconnected  to  the  reservoir.  Minor  cracking  is  presentgenerally on all the internal faces of the face and spillwayslabs.  Cracking  has  also  been  observed  in  the  walkwaybeams between the buttresses.

Figure 6.  Cracks in gallery

Horizontal cracks in excess of 5 mm width are present inthe  buttresses  along  the  horizontal  construction  jointsintersecting  the  openings  through  the  buttresses.  Thesecracks extend right through the buttresses and along mostof  the  length.  Horizontal  differential  displacement  (theconcrete  above  the  crack  appeared  to have displacementin  the  downstream  direction  relative  to  the  base)  of  theorder  of  5  mm  is  notable  at  the  openings  through  thebuttresses, as shown in Figure 7.

4 IPENZ Proceedings of Technical Groups 33/1 (LD)

Figure 7.  Horizontal displacement at crack in buttress

Assessment of crackingMechanismsCertain  observations  were  found  common  to  similarcomponents of the dam, i.e.:The gravity blocks:• Individual,  deep  cracks  up  to  2  mm  width  on  the

construction joints, with seepage through these cracks.• Alkali  aggregate  reaction  type  surface  map­pattern

cracking on all faces.The buttresses:• Individual, horizontal  cracks  larger  than  2 mm width

(up to 5 mm in places) passing through the structure,on  the  construction  joint  in  line  with  the  top  of  theopening through the buttress, in all five buttresses.

• Alkali  aggregate  reaction  type  surface  map­patterncracking in localised areas on some of the buttress.

The face slab:• Efflorescent  deposits  at  the horizontal  joints  between

the panels, and seepage through these joints.• Parallel, individual cracks up to 2 mm width.The spillway slab:• Efflorescent  deposits  are  present  on  the  horizontal

joints between the panels, with some seepage throughthe  joints,  and  the  joints  have  opened  up  to  2  mmwidth.

• Parallel, individual cracks up to 2 mm width.

It  is  likely  that  there are  two major mechanisms causingcracking at Clover Dam, i.e., alkali aggregate reaction andtemperature  stress.  Though  they  cannot  be  separated  asbeing the only cause of cracking in certain elements of thedam, they can be identified as the predominant cause.

Investigation of significant buttress cracksIn view  of  the size and noticeable horizontal differentialdisplacement of the cracks like the one shown in Figure 4,it  was  decided  to  expose  the  reinforcing  steel  at  onelocation to assess its condition. Investigations revealed:• The  intact  concrete  around  the  crack  was  in  good

condition with no evidence of fracturing.• The reinforcing steel was  in very good condition and

installed  in  accordance  with  the  available  drawings.

Only minor rust stains were observed, despite the steelbeing exposed in the cracks for some time.

• The  referenced displacement of  the upper part of  thebuttress  at  the  horizontal  joint  was  confirmed  by  akink observed in the vertical bars (see Figure 8).

• Measured diameters at the kink part of  the bars wereslightly less than those in the straight parts, indicatingminor yielding.

Figure 8.  Kink in reinforcing steel indicating relativedisplacement between concrete above and below joint

Investigation of alkali aggregate reactionIn  view  of  the  extensive  map­pattern  cracking  typicallyassociated with alkali aggregate  reaction, as observed onall  the  exposed  faces  of  the  dam,  investigations  todetermine the presence of alkali aggregate reaction in theconcrete have been undertaken.

Alkali aggregate reaction  is a general  term including  thethree types of reactions described below.• Alkali ­ silica reaction• Alkali ­ silicate/silica reaction• Alkali ­ carbonate reaction

Factors affecting alkali aggregate reactionResearch  to  date  has  found  that  concrete  deteriorationfrom alkali aggregate reaction is due to the simultaneouseffect of several factors. The eventual manifestation of thereaction in a particular concrete, that is the rate and extentto  which  the  reaction  proceeds,  depends  on  factors  thatcan be grouped as material properties, external influences,and time.

Materials used at Clover DamAggregate used  for concrete production was obtained bycrushing  gneiss,  diorite  and  pegmatite  excavated  fromNo. 4 Head Race and Tail Race Tunnels. A laboratory testsheet  of  the  concrete  aggregate,  dated  August  1951,shows  the  aggregate  classified  as  gneiss,  comprisingmainly  quartz  (62%),  biotite  (13.25%)  and  sillimanite(11.3%),  with  other  elements  such  as  orthoclase,plagioclase, muscovite,  cordierite and chlorite  in smaller

Downstream movement

Dams – Securing Water for Our Future 5

quantities.  The  rock  was  also  classified  as  having  amedium­grained texture and faint gneissose structure.

According  to  Beavis  in  1952,  none  of  the  minerals  wasconsidered  as  potentially  reactive  with  high  alkalicements. Quartz­bearing rocks, however, have been foundto  be  alkali  ­  silicate/silica  reactive,  including  quartzite,quartz  biotite  and  gneiss,  with  the  most  commonlyimplicated  minerals  being  the  siliceous  poly­phasedminerals and crystalline minerals like quartz and feldspar.Furthermore,  gneiss  containing  strained  quartz  as  animperfection,  as  well  as  felspar  in  an  altered  chemicalstate, was found to be reactive as well.

Therefore,  based  on  current  knowledge,  the  gneiss  isconsidered as likely alkali ­ silicate/silica reactive and thenecessary  precaution  should  have  been  taken  duringconstruction to limit the alkali content of the concrete.

Alkali aggregate reaction investigationsInvestigations  were  conducted  in  1997  and  1999  onconcrete cores from Clover Dam to determine whether thecracking  in  the  concrete  was  caused  by  alkali  aggregatereaction  (Shayan 1997a, 1997b, 1999). The  investigationconfirmed  that  the  reaction  was  present  in  the  concrete,and  that  the  amount  of  soluble  alkali  available  in  theconcrete appeared adequate for the reaction to continue.External influencesThe  individual  cracking  (as  opposed  to  map­patterncracking)  is  caused  by  concrete  swelling  as  a  result  ofalkali aggregate  reaction,  and  concrete  failing  in  tensiondue  to  restraint  to  expansion.  The  moisture  availabilityand  high  summer  temperatures  are  other  externalcontributing factors.Photographs  taken  at  Chambon  Dam  in  France  (ICOLD1991), which was found to be affected by alkali aggregatereaction,  show  very  similar  deep  cracks  in  thelongitudinal direction of the gallery roof.

TimeThe  literature  indicates  that  cracks  induced  by  alkali­aggregate  reaction  may  appear  after  varying  lengths  oftime.  Concrete  swelling  may  be  gradual  or  may  occursuddenly  at  a  later  stage,  and  stop  after  some  time  orcontinue indefinitely, depending on the type of reaction.

According  to  Charlwood et  al.  (1994)  the  alkali  ­  silicareaction occurs for about 30 +/­10 years, while the alkali ­silicate/silica  reaction  is  slower  and  may  continue  forgreater than 50 years.It  is  not  known  when  the  cracking  started,  but  ahandwritten  inspection  report  dated  9  February  1979mentions  that  the  cracking  in  the  access  tunnel  wasobserved  in  1972,  some  18  years  after  completion  ofconstruction.

Cracks  movement  records  of  the  last  12  years  (it  is  notknown  when  crack  monitoring  started)  show  that  thecracks are gradually opening, indicating that the concreteis  still  expanding,  some  50  years  after  construction.  Thelate  development  of  concrete  deterioration,  andcontinuing expansion, suggest that  the type of reaction isalkali ­ silicate/silica.

Assessment of cracking at Clover DamIn  view  of  the  above  it  was  considered  that  alkali  ­silicate/silica  reaction  is  likely  the  predominant  cause  ofthe  cracking  in  the  gravity  blocks  on  both  abutments,including the spillway gravity blocks, as well as the minormap­pattern cracking observed in one of the buttresses.The  individual  horizontal  cracks  in  the  buttresses  arelikely  the cause of  thermal stresses, as explained  later inthis paper.

Structural assessment of slab andbuttress sectionA  detailed  structural  analysis  of  the  slab  and  buttresssection of Clover Dam under  flood, seismic and  thermalloading was undertaken using finite element analysis.Finite element modelsFinite  element  models  were  created  using  solid  brickelements  to  represent  the  buttresses,  plate  elements  torepresent the face and spillway slabs, translational massesto  represent  structural  masses  attached  to  the  dam,  andnon­translational  masses  to  represent  the  hydrodynamiceffects.  All  models  also  contained  massless  brickelements representing the foundation rock.Since  the  models  were  not  intended  for  non­linearanalyses,  they do not  simulate  the actual  time­dependentbehaviour  of  cracks,  column  joints  or  horizontal  joints.The  expected  behaviour  of  the  structure  was  interpretedfrom the exhibited linear response of the models.

Single buttress modelThis  model,  shown  in  Figure 9,  comprised  one  centralbuttress,  with half  thickness  buttresses  on  either  side,  tofacilitate  modelling  of  the  distribution  of  the  slab’smasses  and  their  inertial  contribution.  The  model  wasused for the normal, flood and thermal analyses.

Figure 9.  Single buttress model

Figure 10 is a more detailed view of the FE modelling inthe central buttress, with the half buttresses and the slabsnot  shown.    The  buttress  comprises,  in  effect,  threecolumns, separated by inclined contraction joints.

6 IPENZ Proceedings of Technical Groups 33/1 (LD)

Figure 10.  Single buttress model showing columnsand contraction joints

Five­buttress modelDepending  on  the  frequency  content  of  the  earthquakeand the variation in effective stiffness between buttresses,the behaviour of the dam is expected to be variable duringcross­valley  seismic  excitation,  ranging  between  thepossible limiting cases of all buttresses vibrating in phaseand all buttresses vibrating out of phase.

To  effectively  model  this  response  it  was  necessary  tocreate  a  second  finite  element  model  of  the  whole  dam,including  the  five  buttresses,  the  abutment  gravitysections and the face and spillway slabs.

Thermal analysisThe thermal analysis of the dam was undertaken using thesingle  buttress  finite  element model.  The  modelling  wasundertaken in two steps.

In step 1 the effect of the column joints was ignored, thatis, full coupling of the elements on either side of the jointswas  assumed.    This  analysis  indicated  that  the  principalstresses  along  the  column  joint  2  (refer  Figure 10)immediately beneath the face slab were tensile and wouldtend  to  open  the  joint.  Figure  11  illustrates  a  typicaloutput  plot  for  the  magnitude  and  direction  of  theprincipal  stresses  in  the  buttress  due  to  temperaturedifferential, indicating the zone of most likely opening ofthe  joint.  The  state  of  stress  shown  in  Figure 11  alsoincludes the effect of the gravity and hydrostatic load.

Figure 11.  Magnitude and direction of the principalstresses in the buttress due to temperature differential

In Step 2 the opening of column joint 2 was modelled bycreating a crack in the FE model at this location, so as toobtain  a  more  accurate  indication  of  the  magnitude  anddistribution  of  the  stresses  along  the  horizontal  joints.Figure  12  illustrates  a  typical  plot  of  the  magnitude  anddistribution of vertical tensile stresses, indicating the zoneof most likely opening of the joints.

Figure 12.  Magnitude of the vertical tensile stressesduring thermal loading

In general,  the resulting cracking pattern from the modelmatched the main cracking observed along the horizontaljoint  in all  buttresses  at  the  level  of  the  access  opening.These  cracks  extend  along  the  horizontal  joint  up  tocolumn  joint 2 and along  the latter  to  the upstream edgeof  the buttress.  It  also  reproduced  the cracking observedalong  most  other  horizontal  joints  in  the  buttresses  atlocations adjacent to the spillway slabs.

The  analysis  indicated  that  a  differential  temperature  of7.5°C between the upstream face slabs and the buttresseswould be sufficient to open a segment of the column joint,and yield the vertical skin reinforcement that runs throughthe horizontal joints of the buttresses. Based on availabletemperature records both inside the dam and outside (datalogger measurements every 30 minutes), this temperaturedifferential is often exceeded.

In  the  thermal  FE  analysis  perfect  coupling  of  the  plateelements  in  the  slabs  to  the  brick  elements  in  thebuttresses  was  assumed  to  take  account  of  the  frictionalstrength  capacity  available  on  the  contact  area  betweenthe slabs and  the buttresses, augmented by  the existenceof shear keys. The analysis indicated that the developmentof thermal loading induced cracking in Clover Dam couldhave been  prevented  or  at  least  alleviated  if  the  originaldesign had incorporated the use of a bituminous materiallayer  into  the  buttress/slab  contact,  as  recommended  inUSCOLD (1988).

Flood load analysisThe analysis of the dam for the spillway design flood casewas  undertaken  using  the  single  buttress  finite  elementmodel. The analysis indicated that no tensile stresses wereexpected along the column joints. Therefore, the completesingle buttress model was valid.

Figure 13 illustrates a typical plot showing the magnitudeof  flexural moments on both  the  face and spillway slabsof the dam during the design flood. The demand imposedon all elements of Clover Dam by the flood loading casecan  be  safely  withstood  by  the  structure,  when  analysed

Dams – Securing Water for Our Future 7

assuming  the  dam  remains  in  an  “as  new”  condition.Further  assessment  of  the  dam  in  its  current  (cracked)condition  was  held  over  pending  the  outcome  of  theearthquake analyses.

Figure 13.  Flexural moments on face and spillwayslabs for flood loading

Analysis of seismic load in an upstream­downstream directionSpectral analysis – MDE in downstream directionThe single buttress FE model was used to analyse the damfor  the  maximum  design  earthquake  where  the  seismicbase acceleration occurs in the downstream direction. Theanalysis  indicated  that  no  tensile  stresses  were  expectedalong  the  column  joints.  Therefore,  the  complete  singlebuttress model was valid.

Figure 14 illustrates a plot of the magnitude of maximumcompressive  and  tensile  stresses.  It  was  found  that  thedam could safely withstand the imposed demand.

Spectral analysis – MDE in upstream directionThe single buttress finite element model was also initiallyused  to  analyse  the  dam  for  seismic  loading  in  theupstream  direction.  A  preliminary  analysis  for  themaximum design earthquake indicated that tensile stresseswould develop along  the column  joints. Therefore, whenthe  base  of  the  structure  is  accelerated  in  the  upstreamdirection during an earthquake, the inclined column jointswould  open  and  the  buttresses  would  not  deformmonolithically.

Consequently,  three  separate  finite  element  columnmodels,  as  shown  in  Figure 15,  were  used  to  assessstructural  response  and  likely  damage.  The  complete

model, but with the finite elements nulled (deleted) in thezones where serious damage was expected, was howeverused to assess the post­earthquake static load capacity ofthe dam.

Figure 14.  Maximum principal stresses(MDE ­ upstream direction case)

Figure 15.  Separate column models

Figure  16  illustrates  a  plot  of  the  expected  maximumcompressive  stress  in  column 3  and  vertical  stresses  onthe column joint 2 (other column models not shown here).The  analyses  indicated  that  the  dam  could  withstand  themaximum  design  earthquake  in  the  upstream  directionwithout collapse. Localised damage, however, is expectedto  occur  at  the  buttress/foundation  interface  and  someminor damage could occur at the buttress supports for theface slabs spanning between the bottoms of the buttresses.

8 IPENZ Proceedings of Technical Groups 33/1 (LD)

Figure 16.  Maximum principal and vertical stresses(MDE ­ downstream direction stream case)

Analysis of seismic load in cross­valley directionA preliminary run of the five­buttress model subjected tocross­valley  seismic  loading  established  that  the  sheardemand  on  the  seating  between  the  face  slabs  and  thebuttresses  under  moderate  transverse  seismic  loadinggreatly  exceeded  the  expected  frictional  resistance  tosliding.

Employing  an  approach  commonly  adopted  in  theanalysis  of  bridge  beams  under  seismic  loading  it  wasassumed that there was no friction between the face slabsand  the  buttresses  and  that  each  buttress  was  able  todeform out of plane without any force or moment restraintacting on its upstream edge.

Under  these  assumed  boundary  conditions  the  degree  ofcoupling  between  buttresses  was  greatly  reduced  and  itwas  found  that  the  maximum  demand  on  any  buttressunder  cross­valley  loading  could  be  predicted  using  thesingle buttress FE model.

The upstream face  of  the  buttress  was assumed  free andtranslational  masses  accounting  for  the  inertialcontribution of the face slabs were added to the upstreamedge  of  the  buttress.  On  the  downstream  edge  of  thebuttress  the  spillway  slab  connection  will  provide  morerestraint to the buttresses than the connection between theface  slabs  and  the  buttresses.  The  spillway  slab  was

assumed to prevent movement of the downstream edge ofthe buttress in the cross­valley direction.

In order to calculate the maximum demand in the buttressat  any  time  during  the  earthquake,  an  envelope  ofresponses was obtained using two different single buttressmodels. The first model accounted for the demand on thebuttress  while  the  simply  supported  walkway  strut  wasstill  in  place,  creating  maximum  demand  around  thewalkway  opening  in  the  buttress.  The  second  modelaccounted  for  the  demand  on  the  buttress  once  the  struthad  fallen,  creating  maximum  demand  on  the  buttressmembrane  at  its  approximate  mid­point  between  thewalkway  opening  and  the  top  of  the  buttress,  due  to  alarger unbraced distance.

Frequency analysesThe  deformed  shapes  for  the  fundamental  modes  ofvibration,  with  and  without  the  walkway  strut,  areillustrated in Figure 17.

Figure 17.  Fundamental mode of vibration (cross­valley) with and without struts

Spectral analyses – Cross valley directionFigure 18 illustrates the expected state and magnitude ofmaximum  compressive,  vertical  and  horizontal  tensilestresses  in  the  buttress,  for  the  maximum  designearthquake once the walkway strut has fallen.

The  performance  of  the  dam  under  earthquake  in  thecross­valley  direction  was  found  to  be  unsatisfactory  forboth  the  OBE  and  the  MDE  events.  The  dam  would  beexpected  to  suffer  generalised  minor  damage  andlocalised  severe  damage  during  the  OBE.  The  demandcaused  by  the  MDE  event  cannot  be  withstood  by  thestructure  and  one  or  more  buttresses  would  be  likely  tocollapse, leading to a complete failure of the dam. Even ifcollapse did not occur, the damage in the structure for theMDE would at the least necessitate major repair works.

Dams – Securing Water for Our Future 9

Figure 18.  Maximum displacement and stresses in thebuttress for the MDE case without struts

Upgrade optionsGeneral approachThe objectives of a refurbishment program at Clover Damwill  include  addressing  existing  damage  and  ageing,solving  identified  structural  deficiencies  and  a  lack  ofcapacity  for  current  loading,  enhancing  the  capacity  forfuture loading conditions, or a combination of these. Thesuitability  of  alternatives  would  depend  not  only  on  thenature  of  the  identified deficiencies  in  the dam,  but  alsoon project constraints such as accessibility and the lengthof  time  that  the  dam  would  have  to  be  taken  out  ofoperation.

Alternatives to address stability and strength problems ofbuttress dams may include external post­tensioning of thebuttresses,  increasing  the  cross  section  of  the  buttresses,providing  lock­up of  buttress/slab connections and manymore.

Options considered for Clover DamGeneral  options  to  address  the  structural  deficienciesidentified  at  Clover  Dam,  comprised  strengthening,infilling  and  replacement.  Within  each  of  these  optionsare  a  number  of  sub­options.  The  practicability  of  theseoptions will be significantly affected by access conditions(or  rather  lack  thereof)  into  the  dam  where  the  remedialworks will be required.

StrengtheningStrengthening alternative 1, a reinforced concrete option,consists  of  constructing  a  diaphragm  wall  that  providesthe  required  additional  strength  to  resist  cross­valleyseismic loading, and a continuous corbel beam along theupstream  and  downstream  edges  of  each  buttress  toaddress  the  thermal  expansion  problem,  with  thesupplementary  benefit  of  providing  additional  seatingdistance for the slabs.

Figure 19.  Concrete strengthening

Strengthening  alternative  2,  a  carbon­fibre­reinforcedpolymer  (CFRP)  option,  consists  of  the  application  oflayers  of  carbon  fibre  strips  at  specific  locations  on  thebuttresses,  oriented  to  provide  the  required  additionalstrength for both the seismic and thermal loading cases.

Figure 20.  Carbon fibre strengthening

A  third  alternative  could  be  a  combination  of  the  abovetwo alternatives.

InfillingThis  option  comprises  converting  the  slab  and  buttresssection to a concrete gravity dam. This could be achieved

10 IPENZ Proceedings of Technical Groups 33/1 (LD)

by  infilling  the  openings  between  the  buttresses  withconventional  mass  concrete,  or  demolishing  the  entiresection  and  reconstructing  it  in  either  RCC  orconventional mass concrete.

ReplacementThis  option  entails  demolishing  the  entire  dam  andbuilding a replacement.  In  the case of Clover Dam therewere  two  alternatives,  either  a  new  dam  at  the  samelocation or at a new site  immediately downstream of  theexisting  dam.  The  latter  was  considered  the  preferableoption, in view of reducing the impact on the operation ofthe hydro scheme.

At  the  time  of  publication  an  options  study  has  beencompleted  and  strengthening  alternative  2,  the  carbon­fibre­reinforced  polymer  (CFRP)  option,  was  beingevaluated  as  the  preferred  option,  based  on  cost,  impacton  operation  and  ease  of  construction.  The  gravitysections and foundation would be stabilised by anchoringinto the foundation.

Application of developed methodologySince slab and buttress dams are no longer economicallyattractive,  recent  literature  only  touches  superficially  oncertain aspects of buttress dams, and very limited researchhas  been  directed  to  fundamental  aspects  such  as  theirearthquake response.The  structural  analyses  required  for  the  safety  review  ofClover Dam led to the development of a methodology forthe  assessment  of  slab  and  buttress  dams  (Lopez  andBosler,  2007),  which  is  currently  being  applied  in  thesafety review of Junction Dam (a 270 m long, 33 m highslab  and  buttress  dam  with  19  buttresses),  as  well  asRubicon  Falls  Dam  and  Royston  Dams  (both  6  m  highslab and buttress dams with 12 buttresses each).

ReferencesANCOLD 2003. Guidelines on Dam Safety Management.

Beavis,  F.C.  1952.  The  Geology  of  Clover  Dam.  CivilBranch Group. State Electricity Commission of Victoria.

Beavis,  F.C.  1962.  The  Geology  of  the  Kiewa  area.Proceedings of the Royal Society Victoria.

Charlwood,  R.G.;  Solymar,  Z.V.  1994.  A  Review  ofAlkali  Aggregate  Reaction  in  Dams. Dam  Engineering(5)2: 31­62.ICOLD  1991.  Alkali­Aggregate  Reaction  in  ConcreteDams. ICOLD Bulletin 79.

Lopez,  F.;  Bosler,  J.  2007.  Methodology  for  assessmentand refurbishment of slab and buttress dams. Paper to bepresented and published in proceedings of Hydro2007.

Shayan, A. 1997a. Report on the Inspection of Clover andJunction Dams. ARRB Transport Research. Melbourne.Shayan, A. 1997b.  Investigation of Concrete Cores  fromJunction and Clover Dams for the Identification of AARin the Concrete. ARRB Transport Research. Melbourne.

Shayan, A. 1999. Further Examination of Concrete Coresfrom  Junction  and  Clover  Dams  for  the  Characterisationof  AAR­Affected  Concrete.  ARRB  Transport  Research.Melbourne.

BibliographyAmerican  Concrete  Institute  (ACI) 2005.  Building  CodeRequirements  for  Structural  Concrete  (ACI  318­95)  andCommentary ACI 318R­95.ANCOLD  1998.  Guidelines  for  Design  of  Dams  forEarthquakes.

Australian  Standards  2001.  AS  3600  ­  ConcreteStructures.

Australian Standards 2001. AS 3735 ­ Concrete Structuresfor Retaining Liquids.Australian  Standards  2004.  AS  5100.2­2004:  Bridgedesign ­ Design loads.

Federal Emergency Management Agency  (FEMA) 2005.Federal Guidelines for Dam Safety ­ Earthquake Analysesand Design of Dams.

Fell, R. 2004. Design of Embankment Dams to WithstandEarthquakes  ­  Developments  since  the  ANCOLDguidelines  were  published.  Proceedings  of  ANCOLDConference Melbourne

Fenves,  G.;  Chopra,  A.K  1988.  Simplified  EarthquakeAnalysis  of  Concrete  Gravity  Dams. ASCE  Journal  ofStructural Engineering 113: 1688­1708.

ICOLD  1989.  Selecting  seismic  parameters  for  largedams. ICOLD Bulletin 72.Jansen, R.B.  (ed.) 1988. Advanced Dam Engineering  forDesign Construction and Rehabilitation.

USACE  2003.  Time­History  Dynamic  Analysis  ofConcrete  Hydraulic  Structures.  EM  1110­2­6051,  USArmy Corps of Engineers.

USCOLD 1988. Development of Dam Engineering in theUnited States. United States Committee on Large Dams.