Kariba Dam Plunge Pool Scour: quasi-3D Numerical Predictions

Affouillement de la fosse du barrage de Kariba : Prévisions par Modélisation Numérique Quasi-3D

¹ Director, AquaVision Engineering, Champs-Courbes 1, CH-1024 Ecublens, Switzerland
email : erik.bollaert@aquavision-eng.ch
² CEO and Director Projects and Dam Safety, Zambezi River Authority Zambia-Zimbabwe
email : dzmazvidza@yahoo.com

Abstract

Kariba Dam is a 128 m high double-curvature arch dam located on the Zambezi River at the border between Zambia and Zimbabwe. The dam is known worldwide for its impressive plunge pool scour hole of almost 90 m below the tailwater level, which is an unprecedented value in dam history.

This paper presents a numerical study performed to assess both past scour and future scour potential at the dam site. Based on gate opening durations and bathymetric surveys since 1960, quasi-3D time-dependent numerical scour computations have been made to assess the scour potential of the gneiss rock for the next 50 years.

The computations use the Comprehensive Scour Model (CSM) [Bollaert, 2004]. This model is physics based and allows predicting rock scour evolution with time for the main rock break-up mechanisms (rock mass fracturing, rock block uplift and peeling off of rock blocks along the wall). The model has been calibrated based on past flooding and the corresponding scour observed. Dynamic pressures at the pool bottom have been analytically determined and compared with values measured on a 1/65 scaled model of the dam and its plunge pool constructed at the Laboratory of Hydraulic Constructions of the Swiss Federal Institute of Technology (LCH-EPFL). The numerical model automatically adapts these values during subsequent scour formation by applying a 2D turbulent jet diffusion model, downstream of each of the gates separately. Main assumptions and outcomes of the numerical scour study are presented. It specifically focuses on the potential for future scour as well as on the potential beneficial influence of several proposed countermeasures against further scour formation.

Résumé

Kariba est un barrage-voûte à double courbure de 128 m de hauteur, situé sur le Zambèze à la frontière entre le Zambie et le Zimbabwe. Le barrage est mondialement connu pour son impressionnante fosse d’affouillement de près de 90 m de profondeur, une valeur sans précédent dans l’histoire des grands barrages.

Le présent article décrit une étude numérique détaillée de l’évolution historique de cet affouillement ainsi que du potentiel d’affouillement futur. Basé sur les manoeuvres historiques des vannes ainsi que sur de multiples campagnes bathymétriques à disposition, des calculs numériques quasi-3D ont permis de reproduire l’évolution de l’affouillement historique du massif rocheux et d’estimer le potentiel pour les futurs 50 ans, en fonction d’hypothèses hydrologiques sur les durées de déversement des vannes.

L’étude numérique a été effectuée à l’aide du « Comprehensive Scour Model » (Bollaert, 2004). Ce modèle est physiquement basé et permet de simuler trois processus de destruction progressive du massif rocheux : la fracturation du massif, le soulèvement dynamique de blocs ainsi formés au fond de la fosse et le déplacement/délogement quasi-statique de ces blocs le long des parois de la fosse.

Dans un premier temps, le modèle a donc été calé en utilisant les déversements historiques des vannes et les observations d’affouillement y relatives. Pour cela, les fluctuations de pressions dynamiques exercées par le jet au fond de la fosse ont été étudiées analytiquement et par essais sur modèle physique. Le barrage et sa fosse ont ainsi été modélisés à l’échelle 1/65 au Laboratoire de Constructions Hydrauliques de l’EPFL à Lausanne, Suisse. Les valeurs de pression et de vitesses d’écoulement enregistrées sur modèle physique ont été directement reprises par le modèle numérique. En utilisant un modèle théorique de jet turbulent en 2D, le modèle numérique adapte de manière automatique les valeurs mesurées à chaque progression de l’affouillement calculée au fil du temps, et ceci pour chaque vanne du barrage séparément.

Cet article présente les principales hypothèses, paramètres et résultats de l’étude numérique et résume le potentiel d’affouillement résiduel dans le futur selon différentes hypothèses sur le fonctionnement des vannes du barrage.

Finalement, plusieurs mesures constructives visant à minimiser cet affouillement futur de la fosse ont été testées et optimisées sur modèle numérique et sont brièvement décrites. De plus amples informations sur ces mesures constructives peuvent être trouvées dans un article complémentaire.