Experimental research on hydraulics of flood discharge tunnel and improving schemes for choking

Recherches expérimentales sur l'hydraulique d'un tunnel d'inondation et sur l'amélioration des régimes d'obstruction

¹ State Key Laboratory Base of Eco-hydraulic Engineering in Arid Area, Xi'an University of Technology, Xi'an, China,
elinunu@163.com, gdli2010@yeah.net
² St. Anthony Falls Laboratory, Department of Civil, Environmental and Geo-Engineering, College of Science and Engineering, University of Minnesota, Minnesota, United States,
mguala@umn.edu
³ North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou, China,
sundongpo@ncwu.edu.cn

Abstract

Due to the wide range of water levels in reservoir operation, the hydraulic functionality of free surface tunnels in supercritical flow conditions, while discharging beyond design conditions, deserve further studies. To investigate the safe discharging of low drop tunnels, a scale model of a spillway system was built and tested under different flow conditions and structural configurations. Water depth, velocity and flow regime in tunnel and flip bucket reach were measured in experiments. In emptying reservoir operations, a surprising phenomenon was observed; specifically, at low discharges, supercritical flow occurred inside the tunnel while subcritical flow characterized the exit section, with a hydraulic jump forming and moving back into tunnel, forcing it to work under pressure. Critical discharge conditions below which hydraulic jump occurs in the tunnel is theoretically derived by 1D hydraulic analytical computation and experimentally confirmed as q_c=0.485q_d. To eliminate risk of choked tunnel, a modification is envisioned by setting a torsion angle and a side-weir along the flip bucket section. Experiment results indicate that the combination of a skewed flip bucket and side weir can effectively decrease the outlet water depth, and mitigate the hydraulic jump, avoiding tunnel choking thanks to redirecting the flow into the side weir and to centrifugal force effects. Ski jump flow through the skewed flip bucket and the downstream river regime were also improved.

Résumé

En raison de la vaste gamme de niveaux d'eau dans l'opération de réservoir, l'hydraulique des tunnels à surface libre dans des conditions d'écoulement supercritique, au-delà des conditions normales de fonctionnement, méritent de plus amples études. Pour étudier le débit de tunnels de faible chute, une maquette d'un système de déversoir a été construite et testée dans des conditions d'écoulements et de configurations structurelles. La hauteur d'eau et la vitesse dans le tunnel et dans la section de déflection ont été mesurées au court des expériences. Dans les opérations de vidange du réservoir, un phénomène surprenant a été observé ; à faible débit un écoulement supercritique s'est produit à l'intérieur du tunnel alors qu'un écoulement sous-critique est apparu dans la section de sortie avec la formation d'un ressaut hydraulique remontant dans le tunnel. Les conditions critique d'écoulement en dessous desquelles un ressaut hydraulique dans le tunnel est décrit par une solution analytique 1D et confirmée expérimentalement par q_c=0.485q_d. Pour éliminer les risques d'obstruction du tunnel, une modification de la section de sortie est proposée. Les résultats expérimentaux montrent que la solution proposée tend à réduire la hauteur d'eau en sortie, limite le ressaut hydraulique, et évite l'obstruction du tunnel grâce à une déviation de l'écoulement dans le déversoir et les effets de la force centrifuge.