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This paper aims at compiling the most relevant information concerning the use of cement-based mortars and concretes in the rehabilitation, retrofitting, and strengthening of hydraulic structures, namely concrete dams. The most important properties of cementbased mortars and concretes as repair materials are addressed, with a special focus on its compatibility with the concrete substrate. After a brief allusion to generic preparatory works, some of the most common practices are described. The main topics are mortar and concrete toppings, i.e., patches and overlays and thickening of the dam section. Among overlays, shotcrete and underwater works are addressed in detail. Littlerock, Oberems, and Storfinnforsen dam interventions are briefly described as successful rehabilitations involving the shotcrete method, whereas the Albbruck-Dogern dam intervention is given as an example of effective underwater repair works. As for dam section modifications, Kölnbrein, Olef, and Sasanagare dams are presented as conventional mass concrete placements within rehabilitation operations, while Les Toules, Gibraltar, Santa Cruz, and Littlerock dams are references for roller compacted concrete strengthening.

Injecting discontinuities is a recurrent procedure for the rehabilitation of concrete hydraulicstructures, namely repairing cracked dam bodies and deteriorated lift and contraction joints.Within this scope, a relatively detailed description of the most important cement injectiongrouts features is presented, including the main advantages and drawbacks compared toalternatives. The cement-based grouts are among the most utilised materials in these contexts.Economic and environmental related aspects are among the main advantages ofcement-based grouts, although some technical features of these grouting materials are alsofavourable. The equipment utilised for the preparation and for the application of cementitiousgrouts is also mentioned. This document also addresses aspects related to the assessment ofconcrete dams

Evaluation of the sliding stability of concrete dams requires the use of numerical tools notonly able to simulate the coupled hydromechanical behavior but also able to adequately represent thefoundation discontinuities and the specific features of dam foundations. The formulation of a threedimensional (3D) small displacement finite element model based on interface elements to simulatethe discontinuities is presented. In this model, the hydraulic behavior is simulated assuming that thewater flow occurs only along channels located at the edges of the triangular interface elements thatsimulate the discontinuities. The model is used to perform coupled hydromechanical analysis of alarge arch-gravity dam and to assess safety against dam base sliding, assuming different constitutivemodels at the dam/foundation interface and two different approaches: (i) strength reduction methodand (ii) amplification of the hydrostatic pressure, assuming an increase in the reservoir level. Thepresent study shows that consistent results are obtained with the proposed numerical model andthat stability analysis should preferably be carried out using the method of increasing the hydrostaticpressure and the corresponding uplift pressures, as this methodology leads to significantly lowersafety factors.

The main aim of structural safety control is the multiple assessments of the expected dam behaviour based on models and the measurements and parameters that characterise the dam’s response and condition. In recent years, there is an increase in the use of data-based models for the analysis and interpretation of the structural behaviour of dams. Multiple Linear Regression is the conventional, widely used approach in dam engineering, although interesting results have been published based on machine learning algorithms such as artificial neural networks, support vector machines, random forest, and boosted regression trees. However, these models need to be carefully developed and properly assessed before their application in practice. This is even more relevant when an increase in users of machine learning models is expected. For this reason, this paper presents extensive work regarding the verification and validation of data-based models for the analysis and interpretation of observed dam’s behaviour. This is presented by means of the development of several machine learning models to interpret horizontal displacements in an arch dam in operation. Several validation techniques are applied, including historical data validation, sensitivity analysis, and predictive validation. The results are discussed and conclusions are drawn regarding the practical application of data-based models.

Some successful rehabilitation schemes involving the use of cement-based grouts for the repair of cracks in concrete dams are described. The author reviews the advantages and drawbacks of using cement-based materials in the context of the four main types of concrete dams (gravity, buttress, arch and multiple arch-buttress structures). These and other successful case studies can serve as guidance for future rehabilitation schemes.

The lifetime of a geothermal well is strongly dependent on the long-term performance of the cement used for its construction. The critical zones in well cements are the outermost layers, where the cement encounters either the steel casing or the rock formation. The current paper presents a study of the changes in the interfacial transition zone that forms between geothermal cements and volcanic rocks, after hydrothermal treatment at 290°C. Cement slurries were poured into cavities drilled into ignimbrite blocks and allowed to set at 90°C. The assemblages were autoclaved under typical geothermal conditions, both with and without a carbon dioxide overpressure at 290°C. The addition of silica to the cement dictates the phases that form in cement. When exposed to carbon dioxide, these calcium silicate hydrate phases carbonate, at distinct carbonation rates. The rate at which these phases form and/or carbonate affects the reaction extent of the cement with the rock and, eventually, the cement durability.

The limited durability of the cement in acidic fluids is one of the main issues controlling the lifetime of a geothermal well. The most critical region is the outermost layer of the cement adjacent to the formation.This paper provides insight into the way in which well cementing formulations interact with a common rock formation in geothermal environments, at 150

Detailed models of concrete mesostructure can be used to understand the interactions between its components and predict complex deterioration scenarios. The discrete or distinct element method (DEM) is currently being used for modeling the fracture process of quasibrittle materials, such as rock and concrete. An explicit formulation of a DEM contact model that includes aging viscoelastic behavior based on the solidification theory is proposed, allowing the DEM particle model to be applied to delayed concrete analysis. Because of thetimestep constraints of the DEM, a fast numerical procedure for the analysis of long-term aging viscoelastic behavior of concrete is also proposed. A calibration procedure for the aging viscoelastic contact model parameters is presented, including new expressions for the delayed deformability macro properties. The presented validation tests using a one-contact particle assembly show good agreement between the fast numerical procedure, the fully explicit DEM procedure with small timestep, and the creep compliance analytical solution. The contact aging model validation tests using larger regular and random particle assemblies show that the fast numerical procedure significantly reduces the computational costs by introducing large timesteps in which the solution is computed while giving the same accuracy as the fully explicit procedure. The DEM aging concrete model is validated using a B3 model fit to Ward et al.

Temperature plays a significant part in the cracking phenomenon of mass concrete structures, and thereforethermal analysis is of major importance, especially during construction, due to the heat of hydration of thecement. A transient coupled 3D finite element analysis of the thermal behaviour of Alqueva dam during con-struction is presented in this paper. The method used for the thermal analysis is described in detail, along with the simulation of the different actions. The thermal state of the dam is affected not only by climatic actions but also by concrete

The rock type plays a key role in the way in which the outermost layer of the cement interacts with the formation, in wells under geothermal environments. The penetration of cement into the rock is controlled by the porosity of the rock which also regulates the amount of CO2 enriched brine that can contact the cement.Samples were prepared by drilling holes into rock blocks, pouring in a cement slurry and hydrothermally treating the whole assembly at 150 °C under typical geothermal environments. The changes in the interfacialtransition zone (ITZ) that forms between geothermal cements and volcanic rocks were examined.Both porosity and the volcanic glass content of the rock have a considerable impact on the way in which thecement and the formation interact and, ultimately, affect the bond between these materials. The porosity has a major influence on the durability of the cement in carbonated brine.

Seepage through the foundation is a relevant condition for the structural assessment of concrete dams. The knowledge of the water flow measured in the drainage system installed to reduce the uplift pressure in a dam's foundation is, therefore, a main issue in the safety control of concrete dams. Monitoring systems include measuring devices to determine the water collected from drains and weirs in order to evaluate the amount of water that flows through the dam. In most large concrete dams, both manual and automated water flow measurements are possible.This paper proposes a statistical quality control method for automatic measuring systems based on simultaneous manual water flow measurements and the knowledge of the corresponding measurement uncertainties. Experimental tests performed in a weir of a Portuguese concrete dam are described and paired water flow estimates and corresponding measurement uncertainties are presented and applied to the proposed method. The results of this study show that the method allows statistical quality control of automated water flow measurement systems applied in concrete dam drainage systems.

Foz Tua project, located close to Tua river

Cement based grouts are commonly used for injections in concrete dams as part ofrehabilitation operations of cracked dam bodies and degraded contraction joints.This document addresses aspects such as assessment of the dam

The explicit formulation of a small displacement model for the coupled hydro-mechanical analysis of concrete dam foundations based on interface finite element technology is presented. The proposed 3D hydromechanical coupled model is based on a 2D coupled model that has been recently proposed. This 3D model, as in the 2D version, requires a thorough pre-processing stage to ensure that the interaction between the various blocks which represent the rock mass foundation and the dam is always face to face. The mechanical part of the model, though limited to small displacements, has the advantage of allowing an accurate representation of the stress distribution along the interfaces, such as rock mass joints. The hydraulic part and the mechanical part of the model are fully compatible. The verification and application examples presented in this paper show that the proposed 3D hydromechanical coupled model allows seepage flow through rock masses to be accurately simulated.

A exploração de grandes barragens envolve, em regra, riscos elevados. Por essa razão exige-se um acompanhamento cuidado destas obras, tendo a observação (monitorização, inspeção e ensaios) um papel fundamental nas atividades de controlo da segurança. Os sistemas de observação das barragens incluem, em regra, dispositivos para monitorização de grandezas relacionadas com as ações e com asrespostas térmica, estrutural e hidráulica do conjunto barragem-fundação. A definição destes sistemas é balizada pela regulamentação portuguesa de segurança de barragens.Nas barragens do Baixo Sabor e do Feiticeiro, dada a sua dimensão e importância, para além dos dispositivos tradicionais com leitura manual, foram instalados sistemas de monitorização automática, tecnologicamente evoluídos, com vista a aumentar a frequência de leitura das grandezas mais significativas com recolha manual, a avaliar as ações dinâmicas e os seus efeitos estruturais nas barragens e a ultrapassar as dificuldades de instalação de redes de observação geodésica por jusante.Referem-se os sistemas de recolha manual e os quatro sistemas específicos de monitorização automática, designadamente o RAD (recolha automática de dados), complementar à recolha manual, envolvendo 232 dispositivos e 407 grandezas, o GNSS (Global Navigation Satellite System), destinado à medição de deslocamentos absolutos através de 8 recetores em regime permanente, o SOS (sistema de observação sísmica), para registo de eventos sísmicos utilizando 6 estações remotas instaladas nas imediações das albufeiras e 8 estações instaladas nas galerias das barragens, e o SMD (sistema de monitorização dinâmica em contínuo), apenas na barragem do Baixo Sabor, para avaliação da evolução das características dinâmicas (frequências próprias e modos de vibração) a partir da excitação ambiente, usando 20 acelerómetros uniaxiais de elevada sensibilidade.

A barragem do Baixo Sabor é uma abóbada de betão de dupla curvatura, com uma altura de 123,00 m e um desenvolvimento do coroamento de 505 m, construída entre 2009 e 2014. Localiza-se no trecho inferior do rio Sabor e cria uma albufeira com 1095 hm3, destinando-se à produção de energia hidroelétrica. O projeto e a construção da barragem estiveram a cargo da EDP, que também tem a responsabilidade da sua exploração. O LNEC tem dado apoio continuado à EDP nos aspetos relacionados com a segurança estrutural.Na comunicação apresentam-se os aspetos relevantes da análise e interpretação do comportamento observado da barragem durante o primeiro enchimento da albufeira, ocorrido entre 2014 e 2016. Sendo o primeiro enchimento uma fase crítica da vida da obra, já que corresponde a um verdadeiro ensaio de carga, o controlo da segurança da obra foi realizado através do acompanhamento contínuo do seu comportamento, com base nos planos de observação e de primeiro enchimento da albufeira, para permitir a deteção e mitigação atempada de qualquer tipo de sintoma de desempenho anómalo. O apoio de modelação estrutural foi determinante para a realização de uma coerente interpretação das relações entre as causas e os efeitos.Adotou-se um modelo tridimensional do conjunto barragem-fundação, analisado pelo método dos elementos finitos, considerando o comportamento viscoelástico dos materiais, a variação das ações da água e as variações térmicas que ocorreram no corpo da barragem. Obteve-se um bom acordo entre os resultados numéricos e os resultados da observação contínua da obra, o que confirmou o bom desempenho da barragem e a adequação da modelação estrutural nesta fase tão importante da vida da obra.

Durante a fase de exploração de uma barragem os efeitos da ação térmica podem ter ordem degrandeza equiparável à das restantes solicitações. Assim, e face às suas características de permanênciae repetição, a ação térmica condiciona fortemente o comportamento das barragens, particularmente noque se refere à durabilidade do betão. No presente trabalho descreve-se a análise térmica realizadapara a barragem do Alto Rabagão, evidenciando os principais aspetos a ter em conta para a simulaçãodesta solicitação. São abordadas algumas questões relativas à simulação das condições térmicasambientais, nomeadamente a variação das ações climáticas de acordo com a hora do dia e o dia do anoe a simulação da radiação solar. São analisados os resultados obtidos com diferentes discretizações,com o objetivo de avaliar a adequabilidade do refinamento da malha de elementos finitos para oestudo do efeito em causa.

The paper presents some relevant results of the structural safety activities performed during the first filling of the reservoir of Baixo Sabor dam. After a brief description of the dam and its construction, the monitoring system, the monitoring plan during the first filling of the reservoir and some important results of tests carried out for the characterization of the material rheological properties are presented. The interpretation of the monitoring results is based on their comparison with results of a numerical model that simulates the structural behaviour of the dam and its foundation.

The current document compiles some of the most relevant information concerning thesymptoms and respective causes of common anomalies observed in concrete dam bodies.These include physical degradation phenomena, like abrasion, cavitation and freeze-thawcycles, and chemical reactions, such as expansive reactions and leaching. Themethodologies available to detect, assess and monitor these are addressed as well, with aspecial focus on cracking.

A fully coupled hydromechanical analysis of the water flow through the rock mass discontinuities of three hypothetical gravity dams of different height was carried out. It was assumed that the dams had similar rock mass foundations, and 2D discontinuous models were developed and analysed with the coupled model for dam foundation analysis Parmac2D-Fflow. This paper presents the results of studies done to analyse the influence that the model geometry and the aperture of foundation discontinuities have on the numerical discharges and hydraulic heads. Analysis was done assuming different behaviour scenarios: i) linear elastic and ii) non-linear behavior at the concrete/rock and rock/rock interfaces. Additionally, results obtained during cycles of filling and emptying the reservoir were used to establish the influence lines of the hydrostatic pressure on recorded discharges. The relevance of using fracture flow models of dam foundation rock masses that take into account the coupled hydromechanical behavior is highlighted.

Nowadays, organizations are embracing digital transformation, investingin the integration of information and communication technology (ICT) toolsand solutions. Advanced ICT technologies converge with operations technologies(OT), allowing machines, processes, employees, and products to be part ofa single data framework, from data collection to analysis, interpretation, and assessment,which are the foundation for informed decision-making. Industry 4.0takes advantage of emergent ICT to make the right decisions, at the right time,optimizing processes, minimizing risks and improving value chains. The mainaim of the structural safety assessment and control of critical infrastructures, suchas dams and bridges, is to protect people, property and the environment fromharmful effects of failure or misoperation of infrastructures. This goal is achievedthrough Structural Health Monitoring and Control (SHMC) activities to monitorand track the life-cycle of critical infrastructures in such a way that it can providesufficient information for long- and short-term decisions regarding structuralsafety assessment. The objective of this work is to present a reflection of the impactof the industry 4.0 trends on the structural safety assessment of critical infrastructuresand, more specifically, to understand the level of maturity and toshow how the leveraging of enabling technologies such as augmented reality,Internet of Things (IoT), additive manufacturing, cloud computing, big data andanalytics are impacting the SHMC activities on critical infrastructures, which aretraditional cyber-physical systems with complex sensor networks used to assessand control structural safety and health.

As atividades de controlo de segurança de barragens de betão têm um caráter preventivo, com o intuito de facilitar a tomada de decisões de forma atempada para evitar ou minimizar as consequências resultantes de um acidente ou incidente de uma barragem. No controlo de segurança de barragens com sistemas de monitorização automática, a análise de uma grande quantidade de dados ainda pode tornar-se uma tarefa difícil. Por um lado, pretende-se garantir o controlo de segurança, em tempo real, mas, por outro lado, a capacidade humana de processar a informação de dados é limitado. No entanto, os desenvolvimentos tecnológicos em termos de capacidade de processamento de informação têm permitido o desenvolvimento de ferramentas para a análise de grandes quantidades de dados. A necessidade de rever os procedimentos de análise de dados adequados para a extração de informação tornou-se um aspeto importante para a tomada de decisão em tempo útil. Por estas razões, é fundamental proporcionar às entidades responsáveis pela segurança das barragens um sistema de apoio à gestão da informação que facilite o acesso aos dados, a interpretação da informação e a tomada de decisão, de forma atempada. Neste contexto, o principal objetivo desta dissertação é a definição de metodologias para: i) melhorar a qualidade das grandezas medidas pelo sistema recolha automática de dados, através da implementação de procedimentos para o controlo da sua qualidade e para a validação dos resultados, tendo em conta a incerteza de medição dos sistemas de medição; ii) melhorar os procedimentos relacionadas com a análise de dados e a sua interpretação, através de uma abordagem baseada nos dados da observação, a fim de apoiar a decisão de quais as grandezas que devem ser incluídas na sistemas de recolha automática de dados, quantificar o efeito da onda térmica diária na resposta da estrutura e reconhecer padrões de comportamento da barragem; iii) a definição de avisos relacionados com a identificação de comportamento anómalo, e de potenciais cenários de rotura. A aplicação das metodologias propostas num sistema de apoio à gestão da informação será um passo sólido para a melhoria dos processos de controlo de segurança em tempo real.

Apresenta-se um estudo sobre o comportamento de fundações de barragens de betão na fase de exploração normal das obras desenvolvido com o objectivo de validar e fundamentar a aplicação de modelos numéricos de análise do comportamento hidromecânico de maciços rochosos, tendo em vista generalizar a sua utilização e tornar mais eficaz a observação e controlo de segurança destas obras. Foi estudada a representação em modelos numéricos da cortina de impermeabilização e do sistema de drenagem e das condições geológico-geotécnicas concretas das zonas de fundação analisadas, tendo em conta, nomeadamente, os problemas computacionais associados a modelos tridimensionais. Foram realizados ensaios de afluência de água em duas grandes barragens portuguesas, uma gravidade e uma abóbada, que se verificou serem fundamentais para caracterizar o escoamento no maciço, complementando a informação obtida com o sistema de observação. Desenvolveram-se modelos hidráulicos e hidromecânicos do comportamento das fundações destas barragens, que no caso da barragem gravidade foram utilizados no estudo de cenários de rotura. Apresentam-se conclusões sobre a adequação e limitação dos modelos numéricos utilizados, sobre os parâmetros essenciais para calibrar e aplicar esses modelos, e propõem-se métodos de planeamento e utilização dos sistemas de observação de fundações de barragens, de modo a melhorar o controlo de segurança.

O presente trabalho pretende contribuir para o aperfeiçoamento dos modelospara análise do comportamento de barragens de betão ao longo do tempo, submetidasa processos expansivos devidos a reacções químicas de origem interna. Odesenvolvimento destas reacções expansivas, determinado pela composição do betãoe influenciado pelos campos térmico, higrométrico e de tensões, pode provocarfissuração e contribuir para a deterioração precoce das obras.O trabalho aborda, na parte inicial, a fenomenologia dos processos expansivos,salientando-se os factores de natureza física e química que mais os influenciam. Deseguida apresentam-se os aspectos relacionados com a identificação e acaracterização das reacções expansivas, no que respeita às evidências físicas e aosseus efeitos estruturais. Analisam-se, entre outras obras, as barragens portuguesasafectadas por esta patologia.A influência dos factores que regulam o desenvolvimento do processoexpansivo (composição do betão, temperatura, humidade e estado de tensão) équantificada com base num modelo de interacção químico-mecânico, permitindo umaestimativa das expansões à escala das obras de engenharia. Este modelo foiintegrado num código computacional de elementos finitos que considera ocomportamento diferido do betão, através de um modelo viscoelástico com maturação,e o surgimento e propagação da fendilhação, por meio de uma formulação de dano.Utiliza-se uma técnica incremental na discretização das acções que permite simular aevolução do comportamento ao longo do tempo, tendo em conta os fenómenosdiferidos e o progressivo desenvolvimento da fissuração.Apresentam-se dois estudos de aplicação a barragens portuguesas afectadaspor processos expansivos. O primeiro estudo refere-se à barragem de Santa Luzia,uma abóbada construída entre 1939 e 1943, em que a magnitude das expansões émoderada. O segundo estudo reporta-se à barragem de Pracana, uma obra decontrafortes cuja albufeira foi mantida vazia durante mais de uma década após trintaanos de exploração, devido à fendilhação generalizada da sua estrutura provocada porgrandes expansões diferenciais, que depois foi reabilitada, encontrando-se desdeentão em exploração normal há cerca de quinze anos. Os resultados destes estudosdemonstram o interesse e as potencialidades das metodologias desenvolvidas naquantificação do processo expansivo, na interpretação do comportamento observado ena avaliação das condições de segurança das obras.

This work deals with the estimation of the parameters of mixtures of beta variables. The work is organized in four main sections preceded by an introduction and succeeded by conclusions. The second section summarizes the properties of the beta distribution and describes two methods to estimate its parameters from observed samples, the method of moments and the maximum likelihood method. The third section presents the general concept of a mixture of random variables, presents the likelihood function of a sample of a beta mixture, finally, describes the EMA