Development of an Equation for Evaluating Hydraulic Erosive Parameter of Unlined Dam Spillways Considering Surface Irregularities and Geometrical Parameters

Abstract

Rock mass erosion downstream of dams and hydraulic structures has been as a significant concern for dam safety. This study offers a comprehensive review of erosion mechanisms and assessment methods in the context of potential rock mass erosion. Various theoretical, semi-theoretical, semi-analytical, and numerical approaches are examined, with semi-theoretical methods establishing correlations between fluid flow intensity and rock resistive capacity, and semi-analytical methods focusing on the interaction between rock mass and water. While numerical methods provide insights, they present challenges in defining the erosive parameter and applying hydraulic parameters to spillway surfaces. Notably, the consideration of rock surface irregularities' effect on the hydraulic erosive parameter has been lacking. To address this gap, the study investigates the influence of surface irregularities in unlined dam spillways on hydraulic parameters. Computational fluid dynamics (CFD) is used to analyze 25 configurations of spillway surface irregularities and their impact on pressure, shear stress, flow velocity, and energy. Findings reveal that irregularities affect these hydraulic parameters, with increased irregularity height leading to decreased maximum velocity, total pressure, and shear stress, while total energy loss and vulnerability to erosion increase. Following the examination of irregularity effects, the study focuses on the accuracy of the existing unit stream power dissipation (USPD) equation for predicting energy dissipation rates in unlined dam spillways. An improved equation for USPD is proposed, considering surface irregularities and the geometry of unlined spillways. Geometrical parameters and surface irregularities are found to influence the equation's accuracy, and modifications are suggested to enhance its predictive capabilities, resulting in improved estimates of energy dissipation rates. These advancements have practical implications for spillway design and maintenance, promoting the development of safer and more efficient water management systems. In summary, this study provides valuable insights into erosion mechanisms, assessment methods, the influence of surface irregularities, and enhancements to the USPD equation for evaluating rock mass erosion in unlined spillways. These findings enhance our understanding of erosion processes and facilitate more accurate assessments for the design and management of hydraulic structures.

Alternate abstract:

L'érosion des massif rocheux en aval des barrages et des structures hydrauliques est devenue une préoccupation majeure en matière de sécurité des barrages. Cette étude offre une revue complète des mécanismes d'érosion et des méthodes d'évaluation dans le contexte de l'érosion potentielle des massif rocheux. Diverses approches théoriques, semi-théoriques, semi-analytiques et numériques sont examinées, avec des méthodes semi-théoriques établissant des corrélations entre l'intensité de l'écoulement des fluides et la capacité de résistance des roches, et des méthodes semi-analytiques se concentrant sur l'interaction entre les massifs rocheux et l'eau. Bien que les méthodes numériques fournissent des informations précieuses, elles présentent des défis dans la définition du paramètre érosif et l'application des paramètres hydrauliques aux surfaces des évacuateurs. Notamment, l’effet des irrégularités de la surface rocheuse n’est pas pris en compte dans la définition du paramètre érosif hydraulique pour combler cette lacune, l'étude examine l'influence des irrégularités de surface dans les évacuateurs de barrages sans revêtement sur les paramètres hydrauliques. La dynamique des fluides numérique (CFD) est utilisée pour analyser 25 configurations d'irrégularités de surface d'évacuateurs et leur impact sur la pression, la contrainte de cisaillement, la vitesse d'écoulement et l'énergie. Les résultats révèlent que les irrégularités affectent ces paramètres hydrauliques, avec une hauteur d'irrégularité accrue entraînant une diminution de la vitesse maximale, de la pression totale et de la contrainte de cisaillement, tandis que la perte d'énergie totale et la vulnérabilité à l'érosion augmentent. Après avoir examiné les effets des irrégularités, l'étude se concentre sur l'exactitude de l'équation de dissipation de puissance spécifique (USPD) existante pour prédire les taux de dissipation d'énergie dans les évacuateurs de barrages sans revêtement. Une équation améliorée pour l'USPD est proposée, en tenant compte des irrégularités de surface et de la géométrie des évacuateurs sans revêtement. Il est constaté que les paramètres géométriques et les irrégularités de surface influencent l'exactitude de l'équation, et des modifications sont suggérées pour améliorer ses capacités prédictives, ce qui se traduit par des estimations améliorées des taux de dissipation d'énergie. Ces avancées ont des implications pratiques pour la conception et la maintenance des évacuateurs, favorisant le développement de systèmes de gestion de l'eau plus sûrs et plus efficaces. En résumé, cette étude offre des perspectives précieuses sur les mécanismes d'érosion, les méthodes d'évaluation, l'influence des irrégularités de surface et les améliorations apportées à l'équation USPD pour évaluer l'érosion des masses rocheuses dans les évacuateurs sans revêtement. Ces résultats améliorent notre compréhension des processus d'érosion et facilitent des évaluations plus précises pour la conception et la gestion des structures hydrauliques.