Development of thermal leak detection method and monitoring of seepage and internal erosion processes in earth dams, levees and dikes and their implementation in Poland

openaccess, Vol. 628 (12) 2024 / poniedziałek, 23 grudnia, 2024

Rozwój metody termicznej detekcji przecieków i monitoringu procesów filtracji oraz erozji w zaporach i wałach oraz wdrożenie jej w Polsce

(Open Access)

DOI: 10.15199/33.2024.12.08

citation/cytuj: Radzicki K., Stoliński M. Development of thermal leak detection method and monitoring of seepage and internal erosion processes in earth dams, levees and dikes and their implementation in Poland. Materiały Budowlane. 2024. Volume 628. Issue 12. Pages 55-77. DOI: 10.15199/33.2024.12.08

To reduce the costs of repairs and the risk of damming structures failures, methods for their investigations and monitoring are currently being intensively developed. The thermal method is globally recommended for studying intensive seepage, including the detection of leaks and internal erosion processes in earth damming structures such as earth dams, canal dikes, and levees. The article presents the key aspects of the development of this method and its implementation in Poland. It describes its principles and pilot applications on existing and newly constructed dams and levees in Poland, using thermal sensors for linear measurements, such as theMPointS multipoint sensor and fiber optic cables. The development of a thermo-hydraulic numerical modelling for the highly accurate determination of the geometry of individual zones and the hydraulic conductivity valueswithin the cross-section of an existing earth dam, including the identification of erosion process zones, is presented.

W celu ograniczenia kosztów remontów oraz ryzyka katastrof budowli piętrzących intensywnie rozwijane są obecnie metody ich badań oraz monitoringu. Metoda termiczna jest rekomendowana na świecie do badania nasilonej filtracji, w tym detekcji przecieków oraz erozji wewnętrznej w ziemnych budowlach piętrzących, takich jak zapory ziemne, wały kanałów i wały przeciwpowodziowe. W artykule przedstawiono najistotniejsze zagadnienia rozwoju tej metody i jej wdrożenia w Polsce. Opisano jej podstawy oraz aplikacje pilotażowe na istniejących i nowo budowanych zaporach i wałach w Polsce, z zastosowaniem termicznych czujników do pomiarów liniowych, jak wielopunktowy czujnik MPointS oraz kable światłowodowe. Przedstawiono także rozwinięcie metody termohydraulicznego modelowania numerycznego do bardzo dokładnego określania geometrii poszczególnych stref i wartości współczynnika filtracji w przekroju istniejącej zapory ziemnej, w tym identyfikacji stref procesu erozyjnego.
thermalmonitoringmethod, leak and erosion process detection, linear sensors, thermo-hydraulic numericalmodelling, dams.

monitoring metodą termiczną; detekcja przecieków i procesów erozyjnych; czujniki liniowe; termohydrauliczne modelowanie numeryczne; zapory.
  1. CIRIA. The International Levee Handbook. CIRIA. 2013. 1350 p. https://www. ciria. org/ciria/Resources/Free_publications/I_L_H/ILH_resources. aspx, accessed 2024-06-09.
  2.  Dmitruk Z, Sieinski M,Wiatkowski M. Zbiorniki zaporowe – aktualne zagadnienia ich funkcjonowania i oceny stanu bezpieczeństwa. Gospodarka Wodna. 2022; https://doi. org/10.15199/22.2022.10.1.
  3. Foster M, Fell R, Spannagle M. The statistics of embankment damfailures and accidents. Can. Geotech. J. 2000; https://doi.org/10.1139/cgj-37-5-1000.
  4. ICOLD. Internal Erosion Of Existing Dams, Levees and Dikes, and their Foundation. Bulletin no. 164. Paris: CRC Press. 2017. 288 p.
  5.  Kledyński Z, Lejman W, Mioduszewski W. Analiza uszkodzeń wałów przeciwpowodziowych w okresie letnich wezbrań 2010 roku. Wiadomości Melioracyjne i Łąkarskie. 2012; 2: 64-69.
  6.  Duminda P, Smakhtin V, Williams S, North T, Curry A. Ageing Water Storage Infrastructure: An Emerging Global Risk. United Nations University – Institute for Water Environment and Health. Report. 2021. 29 p. https://www.preventionweb. net/publication/ageing-water-storage-infrastructure- emerging-global-risk, accessed 2024-06-09.
  7.  ASCE. Report card for America’s infrastructure. 2021. 168 p. https://infrastructurereportcard. org/wp-content/uploads/2020/12/National_ IRC_2021-report. pdf, accessed 2024-06-09.
  8.  ASDSO. The cost of rehabilitating our nation’s dams – A methodology, Estimate & proposed funding mechanisms. 2022. 49 p. https://damsafety- prod.s3.amazonaws.com/s3fs-public/files/Cost%20of%20Rehab% 20Report-2022%20FINAL. pdf, accessed 2024-06-09.
  9.  www.capital.fr/entreprises-marches/exclusif-capital-fr-edf-la- -liste-region-par-region-des-200-barrages-a-risques-189650, accessed 2024-04-16.
  10.  Radzicki K, Sieinski M, Gołębiowski T, Zelaya-Wziątek D, Dmitruk Z, Stan budowli piętrzących w Polsce – zagadnienia problemowe i wyzwania – część I. Inżynier Budownictwa. 2024; 6: 66-72. https://e-wydanie. inzynierbudownictwa. pl/publikacja/893/e-wydanie/4184,3-czerwca- -2024/4457, czerwiec-2024/136452, stan-budowli-pietrzacych-w-polsce- -cz.-i.-zagadnienia-problemowe-i-wyzwania.html.
  11. Radzicki K, Tourment R, Zaleski J. Omówienie wybranych, nowoczesnych metod modernizacji wałów przeciwpowodziowych. Gospodarka Wodna. 2023; https://doi.org/10.15199/22.2023.9.11.
  12.  Radzicki K, Tourment R, Zaleski J. The application of certain modern methods for upgrading levees, In. Bezpieczeństwo obiektów hydrotechnicznych, Warszawa: IMGW–PIB. 2023. pp. 135 – 148; https://www. imgw. pl/badania-nauka/publikacje-ksiazkowe/bezpieczenstwo-obiektow- -hydrotechnicznych.
  13.  OFWAT. Cost Adjustment Claim: Reservoir dam maintenance. Report PR24. 2023. 83 p. https://www.ofwat.gov.uk/wp-content/uploads/ 2023/06/UUW_CAC_001-Reservoirs-Dam-Maintenance-Cost-Adjustment- Claim_Redacted. pdf, accessed 2024-06-09.
  14. USACE. Summary of Costs Associated with Levee-related Activities. 2023. 12 p. https://mmc. sec.usace.army.mil/NLSP_website/NLSP_LeveeCostBrochure_ FINAL_NOV2023.pdf.accessed 2024-06-09.
  15. Baron SA. Cost Trends and Estimates for Dam Rehabilitation in the Commonwealth of Virginia, PhD thesis, Blacksburg. Virginia. 2020. 46 p. https://vtechworks. lib. vt. edu/server/api/core/bitstreams/84f17a22-3f1f- -459a-9a9d-ddd4eb5b394b/content, accessed 2024-06-09.
  16.  Fry JJ. How to prevent embankments from internal erosion failure? In Proc.: Int. Symposium on Dams for a changing world. Kyoto: Int. Commission on Large Dams. 2012. pp. 102-108.
  17.  Radzicki K, Gołębiowski T, Ćwiklik M. Stoliński M. A new levee control system based on geotechnical and geophysical surveys including active thermal sensing: a case study from Poland. Engineering Geology. 2021; https://doi.org/10.1016/j.enggeo. 2021.106316.
  18.  Radzicki K. The concept of quasi-3d monitoring of seepage and erosion processes and deformations in dams and dikes, considering in particular linear measurement sensors. Technical Transactions. Environment Engineering. 2015; 2-Ś: 129-139.
  19.  Radzicki K, Stoliński M. Pilotażowe w Polsce zastosowanie metody termicznej analizy procesów filtracyjnych w tym monitoringu przecieków na zaporze ziemnej Kozłowa Góra. Bezpieczeństwo obiektów hydrotechnicznych, Warszawa: IMGW–PIB. 2023. pp. 121-133. https://www. imgw. pl/badania-nauka/publikacje-ksiazkowe/bezpieczenstwo-obiektow-hydrotechnicznych.
  20.  Bear J. Dynamics of fluids in porousmedia. NewYork: Elsevier. 1972.
  21.  Johansson S. Localization and quantification of water leakage in ageing embankment dams by regular temperature measurements. In Proc.: 17th Congress on Large Dams. Vienna: Int. Commission on Large Dams. 1991. pp. 999-1005.
  22.  Guidoux C. Developpementet validation d'un systeme de detection et de localisation par fibres optiques de zones de fuitedans les diguesenterre. PhD report, Joseph Fourier University. 2007. 207 p.
  23.  Radzicki Kand Bonelli S. Apossibility to identify piping erosion in earth hydraulicworks using thermalmonitoring. In Proc.: 8th European ClubDam Symposium. Insbruck: Int. Commission on Large Dams. 2006. pp. 22-25.
  24.  Radzicki K and S Bonelli Monitoring of the suffosion process development using thermal analysis performed with IRFTA model. In Proc.: 6th Int. Conference on Scour and Erosion. Paris: Société Hydrotechniques de France. 2012. pp. 593–600.
  25.  Aufleger M, Conrad M, Perzlmailer S, Porras P. Improving a FO tool for monitoring leakage. HRW.2005; 9:18-23.
  26. Fry JJ. Détection de fuite sur les digues par acquisition de profils de températureen forage ou le long d’une fibre optique. Sciences Eaux&Territoires. 2005; spetial no: 111-118. https://revue-set. fr/article/view/6130, accessed 2024-06-09.
  27.  Kappelmeyer O. The Use of Near Surface TemperatureMeasurements for DiscoveringAnomalies due to Causes at Depths. Geophysical Prospecting. 1957; https://doi.org/10.1111/j.1365-2478.1957. tb01431. x.
  28.  Dornstadter J. Detection of internal erosion in embankment dams. In Proc.: 19th Int. Committee on Large Dams Congress. Paris: Int. Commission on Large Dams. 1997. pp. 87-10.
  29.  Aufleger M, Sthrobl T, Dornstädter J. Fibre Optical Temperature Measurement in DamMonitoring – FourYears of Experience. In Proc.: 20th Int. Committee on Large Dams Congress. Paris: Int. Commission on Large Dams. 2000. pp. 4-22.
  30.  Johansson S, Farhadiroushan M, Parker T. Application of fibre-optics systems in embankment dams for temperature, strain and pressure measurements – Some comparisons and experiences. 20th Int. Committee on Large Dams Congress. Paris: Int. Commission on Large Dams. 2000. pp. 1125–1147.
  31.  Artieres O, Bonelli S, Fabre JP, Guidoux C, Radzicki K, Royet P, Vedrenne C.Active and Passive Defences against Internal Erosion in Assessment of the Risk Internal Erosion of Water Retaining Structures: Dams, Dykes and Levees. In: Intermediate Report of the European Working Group of ICOLD. Oberaudorf: Meissner Druck GmbH. 2007. pp. 235-244.
  32.  Radzicki K and Bonelli S. Physical and parametric monitoring of leakages in earth dams using analysis of fibre optic distributed temperature measurements with IRFTAmodel. In Proc.: 24th Congress on Large Dams. Kioto: Int. Commission on Large Dams. 2012. pp. 93-112.
  33.  Bersan S, Koelewijn AR, Simonini P. Application of distributed temperature sensors in piping-prone dikes. In Proc.: 9th Symposium on Field Measurements in Geomechanics. Perth: PM Dight. 2015; https://doi. org/10.36487/ACG_rep/1508_32_Bersan, accessed 2024-06-09.
  34.  BeckYL, Courivaud J-R, Fry JJ, Guidoux C, CassardA,Miceli J. Retour d'expérience de la surveillance d’ouvrageshydrauliquesenterre de long linéaire par capteur à fibre optique. In Proc.: 25th Int. Committee on Large Dams Congress. Stavanger: Int. Commission on Large Dams. 2015. pp. 161-183.
  35.  Dornstädter J and Heinemann, B. Temperature as tracer for in-situ detection of internal erosion. In Proc.: 6th Int. Conference on Scour and Erosion. Paris: Société Hydrotechniques de France. 2012. pp. 1369-1375.
  36.  Johansson S, Sjödahl P, Mondanos M, Stork A Distributed fibre optic sensing in Swedish dams and tailing storage facilities, Hydropower & Dams, 2023; 2: 45-49. https://www. hydropower-dams. com/articles/distributed- fibre-optic-sensing-in-swedish-dams-and-tailing-storage-facilities/, accessed 2024-06-09.
  37.  Schetano L. A Review of Distributed Fibre Optic Sensors for Geo-HydrologicalApplications. Appl. Sci. 2017; https://doi.org/10.3390/app7090896.
  38.  Barrias A, Casas J, Villalba S. Review of Civil Engineering Applications with Distributed Optical Fiber Sensors, In Proc.: European Workshop on Structural Health Monitoring. Bilbao, 2016.p. 10.
  39.  Radzicki K. Innowacyjne, instrumentalne systemy pomiarowe quasi 3Dmonitoringu procesów filtracyjno-erozyjnych oraz odkształceń w zaporach i wałach. Materiały ceramiczne. 2015; 1: 81-87.
  40.  Radzicki K, Siudy A, Stoliński M. An innovative 3D system for thermal monitoring of seepage and erosion processes and an example of its use for upgrading the monitoring system at the Kozłowa Góra dam in Poland, Q. 99 – R. 7, In Proc.: 25th International Congress on Large Dams. Stavanger: Int. Commission on Large Dams. 2015. pp. 85-101.
  41. Radzicki K, Stoliński M. Detekcja strefy nasilonego przepływu wody w podłożu holenderskiego wału morskiego metodą termo-aktywną. Monitoring i bezpieczeństwo budowli hydrotechnicznych. Warszawa: IMGW–PIB. 2019. pp. 205-214.
  42.  Tyler SW, Selker JS, HausnerMB, Hatch CE, Torgersen T, Thodal CE, Schladow SG. Environmental temperature sensing using Raman spectra DTS fiber-optic methods. Water Resources Research, 2009; 45. 11 pp.
  43.  Dietrich CR, Newsam GN. Sufficient conditions for identifying transmissivity in a confined aquifer. Inverse Probl.1990; 6:21–28.
  44.  Jing H, Duan SC,Yang SQ. 2007.Application of seepage back analysis to engineering design. Chin. J. Rock Mech. Eng. 26, pp. 4503–4509.
  45.  Zhou CB, LiuW, Feng ChenY, Hu R,Wei K, Inversemodeling of leakage through a rockfill dam foundation during its construction stage using transient flow model. Eng. Geol. 2015; https://doi.org/10.1016/j.enggeo. 2015.01.008.
  46.  Johansson S. Upgrading seepage monitoring using temperature – experience from Seitevare dam. Q. 95 – R. 18. In Proc.: 24th Large Dams Congress, Kyoto: Int. Commission on Large Dams. 2012. pp.261-280.
  47.  Konrad JM, Alicescu V, Shen M. Thermal analysis of an earth dam co1nsidering seepage related heat transport, In Proc. 53rd Canadian Geotechnical Conference. Montréal. 2000. 7 p.
MEng PhD Krzysztof Radzicki, Politechnika Krakowska, Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki
ORCID: 0000-0002-1302-9799
MEng Marek Stoliński, Neostrain Sp. z o.o.
ORCID: 0000-0001-9753-6909

MEng PhD Krzysztof Radzicki, Politechnika Krakowska, Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki ORCID: 0000-0002-1302-9799

Correspondence address: krzysiek.radzicki@gmail.com

Full paper:

DOI: 10.15199/33.2024.12.08

Article in PDF file

Received: 26.06.2024 / Artykuł wpłynął do redakcji: 26.06.2024 r.
Revised: 22.11.2024 / Otrzymano poprawiony po recenzjach: 22.11.2024 r.
Published: 20.12.2024 / Opublikowano: 20.12.2024 r.