On the significance of aeration in the assessment of erosion of unlined spillways

De l’influence de l’aération des écoulements sur l’érosion des déversoirs naturels

¹ School of Civil and Environmental Engineering, UNSW NSW 2052 AUSTRALIA
email : xinniw@gmail.com
² Water Research Laboratory, School of Civil and Environmental Engineering, UNSW NSW 2052 AUSTRALIA
email : W.Peirson@unsw.edu.au
³ Water Research Laboratory, School of Civil and Environmental Engineering, UNSW NSW 2052 AUSTRALIA
email : S.Pells@wrl.unsw.edu.au
⁴ School of Civil and Environmental Engineering, UNSW NSW 2052 AUSTRALIA
email : K.Douglas@unsw.edu.au
⁵ Water Research Laboratory, School of Civil and Environmental Engineering, UNSW NSW 2052 AUSTRALIA
email : B.Miller@unsw.edu.au

Abstract

For economic reasons, many large spillways discharge into unlined rock channels or into the river bed directly. The acceptability of such designs is based on engineering assessment that the unlined channel is sited in rock judged to be sufficiently resistant to erosion at least for high frequency floods. It is accepted that under larger low frequency floods there may be some erosion and damage to these unlined channels, but the damage must be limited and must not endanger the structural integrity of the dam.

However, in recent years in Australia there have been some unlined spillways which have experienced significantly greater erosion than was initially anticipated and have required substantial remedial works costing tens of millions of dollars.

Many of the methods currently used to assess rock erosion on steep slopes are developed based on limited experimental data and involve significant level of uncertainly [Annandale, 1995, 2006]. There has also been recent development of process models that incorporate fluid-rock matrix mechanical coupling effects [e.g. for plunge pools, Bollaert, 2004]. It is well established that aeration significantly changes the drag characteristics of supercritical flow on steep concretelined spillways [Wood, 1991; Chanson, 2004].

The purpose of this present contribution is to evaluate the potential significance of aeration in determining drag levels, and therefore influencing rock detachment processes on unlined spillways. This has been undertaken using conceptual characterisations of aeration have been developed across hydraulic engineering.

Specifically, we summarise present understanding of the inception, behaviour and implications of aerated flow down steep, rock-lined slopes and the consequences for scour protection design. We also critically review numerical techniques presently being developed and applied to this problem.

The most significant aspect of this contribution is a successful reconciliation of recent conceptual microphysical characterisations of aerated flow with conventional engineering approaches based on dimensional analysis of large-scale test data. Further work will be directed at reconciling recently-developed mechanical coupling approaches for unlined spillways with analyses for aerated flow over placed rock in steep channels.

Résumé

Un nombre important de déversoirs évacuent à même la roche ou la rivière en aval afin de limiter le coût global de l’aménagement du barrage. La conception de ce type de déversoir est typiquement basée sur une évaluation technique de la résistance à l’érosion de la roche constituant le déversoir en cas de crues de conception de faible période de retour. Dans le cas de crues de conception de grandes périodes de retour, l’érosion de la roche et des dégâts limités au déversoir peuvent êtres acceptables dans la mesure où ceux-ci ne posent aucun risque pour l’intégralité structurelle du barrage en remblai.

Une érosion de la roche plus importante que prévue a été cependant observée sur un certain nombre de déversoirs de ce type en Australie lors de ces dernières années, nécessitant des travaux de réhabilitation à hauteur de dizaines de millions de dollars.

La plupart des méthodes aujourd’hui employées pour évaluer l’érosion de la roche présente sur des pentes à forts gradients sont basées sur les résultats d’un nombre limité d’études expérimentales sur modèles physiques associés à de fortes incertitudes [Annandale, 1995, 2006]. En parallèle, il est important de noter les récents progrès en matière de modélisation des interactions entre l’écoulement du fluide et l’évolution structurelle de la roche [Bollaert, 2004]. Il est maintenant bien établi que l’aération a une importance significative pour la caractérisation des pertes de charges dans le cas d’écoulements à surface libre supercritiques sur les déversoirs à pentes raides en béton [Wood, 1991; Chanson, 2004].

Cet article contribue à l‘évaluation de l’importance l’auto aération des écoulements sur le coefficient de perte de charges et les forces de frottements associées, ainsi que leur influence sur l’érosion de déversoirs rocheux naturels ou enrochés. Cette évaluation est développée autour d’un modèle conceptuel reposant sur les équations des écoulements aérés issues du génie hydraulique.

Cet article présente une revue des connaissances actuelles sur la caractérisation des écoulements auto aérés sur pentes enrochées à forts gradients et les conséquences sur le développement de défenses contre l’affouillement. Ceci est complété par une revue critique des différentes méthodes de modélisation numériques actuelles des écoulements auto aérés.

La contribution la plus significative de cet article est la conciliation de nouvelles méthodes de modélisation microphysiques de l’aération avec les méthodes conventionnelles de génie hydraulique dérivées de l’analyse dimensionnelles de modèles physiques. Les prochains travaux viseront à adapter les méthodes de modélisations des interactions entre l’écoulement du fluide-roche aux spécificités intrinsèques des écoulement auto aérés sur des déversoirs enrochés.