Numerical study of the hydromechanical behavior of Itaipu's left bank earth dam

Abstract

The analysis of the hydro-mechanical conditions of both saturated and unsaturated soils is essential for understanding the geotechnical behavior of earth dams. Constitutive models and numerical simulations that consider hydro-mechanical coupling provide consistent framework for understanding and predicting the behavior of these soils. This research aims to numerically analyze the geotechnical behavior of the Itaipu dam throughout its construction, reservoir filling, and years of operation, with particular emphasis on understanding the settlement case observed during operation, taking into account the saturated and unsaturated conditions of the massif. The stress–strain and flow responses of the dam were simulated using the finite element method and a coupled hydro-mechanical approach. The finite element program CODE_BRIGHT, together with the Barcelona Basic Model (BBM) as the constitutive law, was employed to reproduce the dam’s construction, reservoir filling, and operational phases. Furthermore, in order to incorporate drying-induced hardening effects in the analyses, the BBM was extended within CODE_BRIGHT by implementing the suction-increase (SI) curve. The results of the numerical simulations were compared with field instrumentation data, showing good agreement during construction and reservoir filling. However, during the operational phase, simulations using the original BBM formulation failed to reproduce the observed settlements, likely due to a series of water level drawdowns that maintained the reservoir below the full operational level. The implementation of the SI curve successfully captured the volumetric shrinkage tests under drying conditions, accounting for plastic hardening caused by suction increase. Nonetheless, even with the SI curve, the numerical analyses of the dam could not reproduce the settlements, as the reservoir drawdowns during operation were insufficient to reduce suction and activate drying-induced plasticity as defined by the SI boundary introduced in this work.

A análise das condições hidromecânicas de solos saturados e não saturados é essencial para a compreensão do comportamento geotécnico de barragens de terra. Modelos constitutivos e simulações numéricas que consideram o acoplamento hidromecânico fornecem a base necessária para interpretar e prever a resposta desses solos. A barragem de terra da margem esquerda de Itaipu dispõe de um extenso conjunto de dados de instrumentação de campo, além de relatórios bem documentados. Assim, esta pesquisa tem como objetivo analisar numericamente o comportamento geotécnico da barragem de Itaipu ao longo da sua construção, enchimento do reservatório e anos de operação, com ênfase especial na compreensão do caso de recalque observado durante a operação da barragem, considerando tanto as condições saturadas quanto não saturadas do maciço. As respostas tensão–deformação e de fluxo da barragem foram simuladas por meio do método dos elementos finitos e de uma abordagem hidromecânica acoplada. O programa de elementos finitos CODE_BRIGHT, em conjunto com o Modelo Básico de Barcelona (BBM) como lei constitutiva, foi utilizado para reproduzir as fases de construção, enchimento e operação da barragem. Além disso, com o intuito de incorporar os efeitos de plastificação por secagem nas análises, o BBM foi estendido no CODE_BRIGHT pela implementação da curva SI (conhecida como suction increase curve). Os resultados das simulações numéricas foram comparados com os dados de instrumentação de campo, apresentando boa concordância durante as etapas de construção e enchimento do reservatório. No entanto, durante a fase operacional, a simulação utilizando a formulação original do BBM não reproduziu os recalques observados, sendo estes devido a uma provável série de rebaixamentos do nível d’água que mantiveram o reservatório abaixo do nível operacional máximo. A implementação da curva SI permitiu reproduzir os ensaios laboratoriais de retração volumétrica por secagem, considerando as deformações plásticas decorrente do aumento de sucção. Ainda assim, mesmo com a consideração da curva SI, a análise numérica da barragem não foi capaz de representar os recalques, uma vez que os rebaixamentos do nível de água durante a operação não foram suficientes para reduzir a sucção e ativar a plastificação por secagem definida pela fronteira da curva SI implementada neste trabalho.