Contribution to the criteria and methods for the embankment dams safety evaluation including the integration of monitoring data

[Љ. Д. Дивац]

IX, 197 стр.

Грађевинарство -Механика тла, фундирање и геоеколошко инжењерство / Structural engineering - Soil Mechanics, Foundation and Geoenvironmental Engineering

Овај рад настоји да пружи допринос формирању доследне методологије за процену сигурности постојећих насутих брана, која се ослања на пробабилистички концепт, узимајући при томе у обзир податке техничког осматрања. Таквим приступом систематски се обухватају бројни елементи варијабилности уткани у природу геотехничких проблема, укључујући и варијабилност самих података осматрања. Изложена је квази-бајесијанска методологија за процену сигурности постојећих насутих брана која интегрише податке осматрања, уз уважавање њиховог стохастичког карактера, у оквир пробабилистичке Монте-Карло анализе на МКЕ моделу бране, не захтевајући при томе калибрацију статистичких расподела улазних параметара модела. Оваквим приступом добијају се резултати анализе поузданости који боље одражавају стварно понашање конструкције, а истовремено омогућавају доследну процену утицаја варијабилности свих релевантних параметара на ниво сигурности. Предложена методологија омогућава јединствену синтезу примене различитих нумеричких техника из домена теорије поузданости, напредних тродимензионалних нелинеарних МКЕ анализа и сурогат моделе засноване на машинском учењу. Примена ових техника спроведена је у овом раду у циљу побољшања ефикасности и тачности резултата пробабилистичке анализе, чиме се обезбеђује свеобухватна, поуздана и рачунски ефикасна процена сигурности постојећих насутих брана у складу са савременим инжењерским тенденцијама. Основне идеје предложене методологије су најпре верификоване на једноставним примерима, након чега је методологија у целости примењена на студију случаја насуте бране Првонек, где је спроведена комплетна пробабилистичка анализа сигурности са интеграцијом расположивих података осматрања. Кључни иновативни елемент методологије је увођење тежинских коефицијената за сваку симулацију Монте Карло анализе, чиме се изражава различит ниво поверења у исходе на основу њихове сличности са стварно забележеним понашањем бране. У студији случаја на примеру бране Првонек показано је да укључивање података осматрања значајно повећава индекс поузданости у односу на анализу без интеграције података осматрања, при чему расподеле резултата много боље репродукују осмотрено понашање конструкције. Добијени резултати потврђују делотворност и применљивост предложене методологије за процену сигурности брана. На тај начин, дисертација даје допринос унапређењу теоријског оквира и инжењерске праксе у области сигурности насутих брана, пружајући поузданију основу за процену ризика и доношење одлука у погледу експлоатације и одржавања ових објеката.

This study aims to contribute to a coherent methodology for evaluating the safety of existing embankment dams by creating a probabilistic approach that explicitly incorporates monitoring data. The approach systematically captures the full spectrum of uncertainties inherent in geotechnical problems, including the variability within the monitoring records themselves. The thesis introduces a Bayesian-inspired methodology to directly integrate actual dam monitoring records, with full recognition of their stochastic character, into a Monte Carlo probabilistic safety assessment using a finite element framework, without recalibrating the original input parameters distributions. The resulting reliability estimates more faithfully reflect the actual observed behaviour of the structure while enabling a consistent appraisal of how all relevant sources of variability influence the safety. The numerical framework established in this thesis unifies advanced reliability techniques, nonlinear 3D finite-element (FE) analyses, and machine-learning-based surrogate modelling. Their combined use improves both the efficiency and accuracy of probabilistic analyses, providing a comprehensive, reliable, and computationally tractable approach that aligns well with a modern engineering practice. After verification on simple benchmark problems, the complete procedure is applied to a case study of the Prvonek embankment dam, where a full probabilistic safety analysis with monitoring data integration is performed. A key innovative element of the proposed methodology is the introduction of weighting coefficients for each Monte Carlo simulation, expressing varying degrees of confidence in individual outcomes according to their similarity to the observed dam behaviour. For the Prvonek case study, incorporating monitoring data markedly increases the reliability index relative to an analysis that ignores monitoring data, while the resulting response distributions reproduce the observed behaviour much more closely. The results demonstrate the effectiveness and practical applicability of the proposed methodology for dam safety evaluation, therefore contributing to the development of the theoretical framework and engineering practice in the field of embankment dam safety assessment. The thesis offers a more robust foundation for risk evaluation and decision-making regarding the operation and maintenance of these critical structures.

насута брана, сигурност, подаци осматрања, пробабилистичка анализа, Монте-Карло анализа, бајесијанско ажурирање, метода коначних елемената, сурогат модел

embankment dam; safety; monitoring data; probabilistic analysis; Monte Carlo analysis; Bayesian updating; finite element method (FEM); surrogate model

624.131:536.911(043.3)

Tekst