LIBRO Spillways for Dams ICOLD-B58

7/23/2019 LIBRO Spillways for Dams ICOLD-B58

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SPILLWAYS

FOR DAMS

EVACUATEURS DE CRUE

DE BARRAGES

)

COLD t ;ETIN 58

Co m m i s s io n In t e rn a t io n a l e d es G ran d s Bar rag es

151. bd Haussrnann. 75008 Paris

-

Tel 47 64 67 33

- klex

641320 F I C O L D )



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T BLE

D E S

M TIERES

L I S T E D E S F I G U R E S

AVANT-PROPOS

. I N T R O D U C T I O N

C H O I X D U T Y P E

D E V A C U A T E U R

2.1. Differents types d evacuateu r eur classification

2.2. Facteurs intervenan t dan s le choix du type d evacuateu r

.2.1. Qualite des previsions de crues

2.2.2. Skismicite d e la zone de I amenagement et fiabil ite de I exploitation

.2.3. Du rees et degres d utilisation

2.2.4. Conditions topographiques et geologiques particulieres du si te ame-

nage

2.2.5. Type de barrage

.2.6 . Co nd ~t lo ns exploi ta tion

3 .

EVACUATEURS

D E S U R F A C E

. 1 . C o n s t ~ t u t ~ o n

3.2. Seuil l ibre ou vanne. solution mixte

.2 .1 . Seul l l~bre

3.2.2. Seuil va nn e

3.2.3 . Seu~lmixte

.3. Entonnements

3.4. Types et disposit ions des vannes Dom aines d application

.5. Coursiers

3.6. O uvrages de resti tution aval Dissipation de l energie

3 .6 .1 . Remarque p re l~m lna ~re

3.6.2. Bassins ressaut : les acc idents , problemes hydrodynamiques.

sous.pressions. vibration. cavitation. abrasion. entretien

3.6.3. Sauts de ski et nap pes deversan tes osses d affouil lemen t Proble-

mes d erosion apis de recept ion roblemes hydrodynamiques

3.6.4. E ssais su r mod ele

3.7. P rotection c on tre le gel

EVACUATEURS

D E F O N D E T D E D E M I - FO N D

.1. Consti tution rincipales caracterist iques

Buts recherches

4.2. Caracterist iqu es generales des pertuis

4.2.1. Pertuis de fond d e grande capa cite d evacuation

4.2.2. Pertuis de resti tution avec reglage fin du d ebit

4.3. T y p es e t d ~ s p o s ~ t ~ o n ses vannes

4.3 .1 . Vannes de cont r6le des per tuis de fond d e grande capaci te d evacua-



T BLE

OF CONTENTS

L IS T O F F I G U R E S

F O R E W O R D

I N T R O D U C T I O N

2 S E L E C T I O N O F S P I LL W A Y T Y P E

2.1. Spil lway types and classification

2.2. Factors in selection of spil lway type

2 .2 .1 . F lo o d p r e d ~ c t ~ o n

2.2.2. Seismicity of project ar ea an d reliabili ty of o pera tion

2.2.3. Du ration and am oun t of discharge

2.2.4. Site topo grap hy and geology

2.2.5. Da m type

2.2.6. Operati onal arrangem ents

S U R F A C E S P I LL W A Y S

.1. Components

3.2 . G ated. ungated and combinat ion surface spi llways

3.2.1. Ungated spil lways

3.2.2. Gated spil lways

3 . 2 . 3 . C o m b ~ n a t ~ o npillways

.3. Inlet geometry

3.4. Ga te types arrangem ent and selection

3.5. Chutes

.6. Terminal structures and energy dissipation

.6.1. Preamble

3.6.2. Stilling basins : accidents hydrodynamic problems. uplift pressures.

vibration. cavitation. abrasion. maintenance

3.6.3. Ski jum ps a nd nap pes. sco ur holes. erosion. aprons . hydrody namic

problems

.6.4. Model tests

.7. Protection agalnst Ice

O R I F I C E S P I L L W A Y S

4.1. C om pon ents leading characterist ics. objectives

4.2. General characteristics of sluices

4.2.1. Larg e botto m outlets

4.2.2. Compensation outlets

.3. Gates and valves

4.3.1. Bottom outlet gates



4.3.2. Vannes de garde des pertuis de fond de grande capaci te

4.3.3. Vannes des pertuis destinees un reglage fin des debi ts restituks

4.4. Cavitation. blindages. entretien (voir aussi cha p 5 et 6)

.5. Protection contre les corps flottants

4.6. Protection cont re I engravement

.7. Protection contre les vortex

.8. Ouvrage de restitution aval. dissipation d energie (voi r aussi Cha p 3.6)

5

P R O B L E M E S

PARTICULIERS DES

E C O U L E M E N T S

A GRANDE VI-

TESSE

5.1. Cavitation

:

Considerations generales. exemples caractkristiques

5.2. Diminution des degradations par cavitation

5.2.1. Fini de surface necessaire; ses limitations pratiques, vieillissement du

eton

5.2.2. Traitement de surface Revitements speciaux

5.2.3. Aeration

5.3. Abrasion dan s les evacuateurs et vidanges Revitements speciaux

5.3.1. Generalites

.3.2. Abrasion par transpor t solide charrie sur le fond

5.3.3. Abrasion par sediments en suspension

5.3.4. RevCtements protecteurs

.4. Degagement d azote la restitution des evacuateurs et vidanges

6 ENTRETIEN ET

R E P A R A T I O N

DES OUVRAGES

D E V A C U A T I O N

6.1. Entretien

6.2. Reparations

ANNEXES

References

2

Liste des pays ayan t repondu I enquete sur les evacuateu rs de crue



4 .3 .2 . M ai n t en ance ga t es fo r h i gh-capac i ty bo t t om ou t l e t s

4 .3 .3 . Ga t es an d va l ves fo r f i ne con t ro l

4 .4. Cav i t a t i on , s tee l li n ing , ma i n t en ance see a l so C ha p 5 an d 6 )

4.5. Protect ion agains t f loat ing deb r i s

4 .6 . P r o te c t io n a g a in s t s ~ l t a t ~ o n

4.7. Protect ion agains t vor t lc les

4 .8. T e rmi na l s t r uc t u r es an d ene rgy d i s s i pa t ion see a lso S ec t i on 3.6 )

5 P A R T I C U L A R P R O B L E M S W I T H H I G H - V E L O C I T Y F L O W S

.1 . Cav i t a t i on

:

Genera l cons i de ra t i ons . t yp i ca l exampl es

5 .2 . Cont ro l o f cav i t a t i on damage

.2.1. Surface f inish, pract ical l imi tat ions . concrete ageing

5 .2.2 . S ur f ac e t rea t me nt , l in i ngs an d coa t i ngs

5.2.3. Aerat ion

5 .3 . Abras i on i n sp i l l ways an d bo t t om ou t l e t s S pec i a l su r f aces

.3.1. General

.3 .2 . Abras i on f rom bed l oad

5 .3 .3 . A b r a s i o n f r o m s u s p e n d e d l o a d

5.3.4. Sur face protect ion

.4. N i t rogen r e l ease i n sp i l l way and ou t l e t t a il wa t e r s

6 M A I N T E N A N C E A N D R EP A IR

6.1 . M ai n t enance

.2. Repai rs

A P P E N D I C E S

Refe rences

2 C o u n t r i e s w h i c h h a v e a n s w e r e d t h e e n q u i r y o n s p il l w a ys



LISTE ES

FIGURES

Fig.

I

~v ac ua te ur u barrage de Karun (Iran).

Fig. 2. ~v ac u at eu r u barrage de Ku-Kuan (TaCwan).

Fig. 3. Barrage de Morrow-Point (~ ta ts -U ni s) . rifices d evacuation.

Fig. 4. Barrage d ltaipu (Bresil). ~ va cu at eu r t vannes de I evacuateur.

Fig.

5

Barrage de Youssef Ben Tachfine (Maroc). ~v ac u at eu r e surface.

Fig. 6. Barrage de la Grand e

2

(Canada). ~vacuateur.

Fig. 7 Barrage de Tarbela (Pakistan). Bassins d amortissement des tunnels 3 et 4

Fig.

8.

Barrage de Malpasso (Mexique ). Vue en plan et profil longitudinal de I evacuateur.

Fig.

9.

Barrage de Sidi Mohamed Ben Aouda (Algerie). ~v ac ua te ur .

Fig. 10. Barrages Hendrik Verwoerd et P K. Le Roux (Afrique du Sud).

Separateurs des evacuateurs de surface.

Fig. 11. ~v ac u at eu r rincipal du barrage de Tarbela (Pakistan).

Fig. 12. Surpression permanente sur un tapis de protection, sous une nappe deversante.

Fig. 13. Barrage de Kariba (Zimbabwe). Coup e sur I evacuateur en orifice.

Fig.

14

Barrage de C abor a Bassa (Mozambique). Evacuateur d e demi-fon d, coupe longi-

tudinale.

Fig. 15. Barrage de Sainte-Croix (France). ~v ac ua te ur e fond, coupe longitudinale.

Fig. 16. Barrages i contreforts de Kashm el Girba (Soudan ), Jup ia (Bresil) et Roseires

(Soudan). Coupes type sur evacuateurs de fond.

Fig. 17 Barrage d Aldeadrivila (Espagne). Co upe sur vidanges d e fond.

Fig. 18. Barrage P. K. Le Roux (Afrique du Sud). Vidange de fond et details de la vanne

plate de reglage.

Fig.

19

Deversoir en tunnel du barrage de Yellowtail (~tats-Unis).

Disposition generale et details d e I aerateur.

Fig. 20.

va cu at eu r u barrage d Ust Ilim (URSS). Disposition generale et details des

aerateurs.

Fig. 2 1. v ac u at eu r u barrage de Foz do Areia (Bresil). Disposition generale et details des

aerateurs.

Fig. 22 Tunnel d irrigation no 3 du barrage d e Tarbela (Pakistan). Aerateur situe a I origine

du coursi er du bassin d amortissement. Disposition generale et details de la rainure

en radier.



LIST

OF

FIGURES

Fig. 1. Spillway of Karun dam (Iran) .

Fig. 2. Ku-Kuan dam spillway (Tai wan).

Fig. 3. Morrow Point dam (USA). Spillway orifices.

Fig.

4

taipu dam (Brazil). Spillway and spillway gates.

Fig. 5. Youssef Ben Tachfine (Morocco). Surface spillway.

Fig. 6. La Gran de 2 dam (Canada) . Spillway.

Fig. 7 Tarbela dam (Pakistan). Stilling basins of Tunnels and

4

Fig.

8.

Malpassao dam (Mexico). Plan view and longitudinal profile of spillway.

Fig.

9

Sidi Mohamed Ben Aouda dam (Algeria). Spillway.

Fig. 10. Hendrik Werwoerd and P. K. Le Roux dam s (South Africa).

Splitters of surface spillways.

Fig. I. Tarbela dam service spillway (Pakistan).

Fig. 12. Permanent additional pressure over the apron surface below a free-falling jet

Fig. 13. Kariba dam (Zimbabwe). Section through orifice spillway.

Fig. 14. Cabo ra Bassa dam (Mozambique). Mid-depth orifice spillway, longitudinal sec-

tion.

Fig. 15. Sainte-Croix dam (France). Bottom spillway, longitudina l section.

Fig. 16. Kashm el Girb a (Sudan), Jupia (Brazil) and Roseires (Sudan) buttress dams.

Typical sections of bottom spillways.

Fig. 17. Aldeadavila dam (Spain) . Section through bottom outlets.

Fig.

18. K

Le Roux dam (South Africa). Bottom outlet and details of control slab gate.

Fig. 19. Spillway tunnel of Yellowtail (USA). General layout and details of aerator .

Fig. 20. Ust Ilim dam spillway (USSR) . General layout and details of aerators.

Fig. 21. oz do Areia dam spillway (Brazil). General layout and details of aerators .

Fig. 22. Tarbela dam irrigation tunnel No.

3

(Pakistan). Aerator at top of stilling basin

chute. General layout and details of air trough.



AVANT PROPOS

Ce Bul le t in a e te r edige au nom du Comite Nat iona l Franqa is pour le Comite

de I Hydraul ique de s Bar rages , par G. Post et L. Che rvier (Co yn e et Bell ier Fran ce)

pour les chapitres

1 2,

3, 4, 6 et I Annexe 1, et par C . Blanchet et G. Johnson (Sogreah

France) pour le chap i t re 5 .

Le projet fut discute et mis au point lors des reunions

du

Comite en

1984,

1985

et 1986. La version f inale fut ap pr ou ve e a 54e Re uni on Executive en 1986.

Le texte or igina l en f ranqa is a e te r evu p ar le Pres ident M . Car l ie r ; l a t r adu c t ion

a e te fa i te par R. C hadw ick e t cont r61ee par E .

J .

Beck et F. G. D e Fa z io ( E t a t s - U ni s )

e t C. P . Rober t s (Af r ique du Sud) .

La coordina t ion a e te assuree par M. Car l ie r .

M E M B R E S D U C O M I T E D E L H Y D R A U L I Q U E D ES B A R RA G E S

M E M B E R S O F T H E C O M M I T T E E O N H Y D R A U L I C S F O R D A M S

M . CA RL I E R ( F r a nc e /F r a nc e ) , P r e s ide n t Cha i r m a n

K . BE L BA CH I R ( A lge ri e /A lger ia ), M e mb r e M e m be r

E . CU RI E L ( V e ne zue l a /V e ne z ue la ) , M e mb r e M e m be r

F. G. D EF AZ IO ( ~ t a t s - U ~ ~ S / U S A ) ,e m b r e M e m b e r

J . K N A U SS ( Re p . Fe d . d lA l l e ma gne /Fe d . R e p . o f G e r ma ny) , M e mbr e M e mb e r

G. M A R I N I E R ( C a n a d a/ C a n a d a) , M em b r e M e m b e r

M . M E N D I L U C E ( E s p ag n e I S p ai n ) , M e m b r e M e m b e r

N. PIN TO (Bresi l /Braz il ) , Mem bre Mem ber

A . A L V A RE Z RlB E lR O ( Por tuga l /Por tuga l ) , M e mb r e - M e m be r

C.

P. RO B E RT S ( A f r i que du Sud /Sou th A f r ic a ), M e mb r e M e m be r

V. S E M E N K O V ( U R S S / U S S R ) , M e m b r e M e m b e r

J . H . S O N U ( R e p . d e C o r e e / R e p . o f K o re a ), M e m b r e M e m b e r

J . T E J A D A ( C o l o m b i e/ C o l o m b i a) , M e m b r e M e m b e r

M . V E R C O N (Yougos lav ie /Yugos lav ia) , M e m b r e M e m b e r

FOREWORD

This Bul let in has been prepared on beha l f of the French N at iona l Co mm it tee

f o r t he Com mi t t e e on H ydr a u l ic s f o r D a ms by G . Post and L . Chervie r (Coyne e t

Bellier France ) for the cha pter s 1, 2, 3, 4 6 a n d a n n e x I a n d b y C . B l an c h et a n d

G.

John son ( Sogr ea h F r a nc e) f o r Cha p t e r 5 .

T he d r a f t w a s d i sc usse d a n d f i na l iz e d by t he C omm i t t e e me mbe r s a t t he a nua l

Com mit tee mee t ings of 1984, 1985 an d 1986. The f ina l ver s ion was appro ved by the

Executive Meeting in 1986.

The or igina l text in French has been revised by the Cha i rman M. Car l ie r

( F r anc e ) . T he E ng l i sh t r a nsl a ti on ha s be e n don e by R . Ch a dw ic k a nd c he c ke d by

E. J . Beck and F. G. D e Fa z io ( U SA ) a n d C . P . Robe r t s ( Sou th A f r ic a ).

The coordina t ion was by M. Car l ie r .



1.

INTRODUCTION

Une r iche exper ience a e te acqu ise au cours des dern ieres decenn ies su r la

concep t ion e t la rea l i sa t ion des ouvrages d evacuat ion des g rands bar rages , e t en

1978 une enq uete a e te lancee par le Com ite de I Hydrau l ique des Bar rages de la

C IG B en vue d en recue i l li r les e lements les p lus in te ressan ts . Le p resen t rappor t

s appu ie su r les resu l ta ts de de t te enquete , s i insuf fi san te so i t -e l le par le nom bre e t

la p rec is ion des reponses , a ins i qu e sur p lus ieurs rappor ts p resen tes a de recen ts

C o n g r es d e l a C I G B .

Les prob lemes poses par la concep t io n e t le d imensionne ment des kvacuateurs

de c rue son t com plexes e t varies e t le p resen t rappor t , san s p re tendre const i tuer un

e t a t d e s c o n n a i s sa n c e s )) ( s ta te o f the a r t ) . ten te une svn these des connaissances

acquises lors des realisations les plus recentes. Dans le questionnaire on avait l imite

le cha mp d e I enquete en ins is tan t davan tage su r certa ins aspec ts ; pa r exemple , les

po in ts su ivan ts en e ta ien t exc lus , la p lupar t e tan t de ja t ra i tes dan s des pub l ica t ions

an ter ieures ; il s ne se re t rouven t do nc pas dans le presen t rappor t cho ix de la c rue

de p ro je t , c rue d e chan t ie r (vo i r Bul le tin C IG B no 48) , ca lcu l de ta i l le des s t ruc tu res

e t de la s tab i l i te (vo i r Bul let in CI G B no

27),

exploitat ion (voir Bulletin CI G R no 49) ,

bar rages deversan ts , evacuateurs de c rue com bines avec une cen t ra le hydrau l ique ,

d igues fus ib les , d iss ipa t ion d energ ie e t e tudes su r modeles redu i ts . Quelques

comm enta i res on t e te cep enda n t fo rmules su r la d iss ipa t ion d energ ie e t les essa is

sur modeles redui ts dans la mesure ou il s e ta ien t e t ro i tement l ies la co nc e~ t i on t

au d im ensionnem ent d es ouvrages d evacuat ion .

Apres un b ref rappel d es d i f fe ren ts types d evacuateurs de c rue , le rappor t t ra i te

(chap . 2 ) des nombreux fac teurs qu i in f luencen t le cho ix du type d evacuateu r

deb i t , chu te , duree de fonc t ionnement ; type de bar rage , topograph ie , geo log ie ,

capac i te d e la re tenue v is-a-v is d e I amor t i ssement des c rues , p rob lemes d exp lo i -

ta t ion . D u n ombre e t de la var ie te de ces fac teurs rksul te la d iversi te des types

d evacuateu rs e t de leurs equ ipem ents .

Par souc i d e c la r te , on a tou tefo is conserve la d is t inc tion c lass ique en t re les

evacuateurs de su r face e t l e s e v a c u a t e u r s d e f o n d e t d e d e m i - f o n d ; c e s d e u x

ca tegor ies fon t l ob je t d e deu x chap i t res d is t inc ts (chap . 3 e t 4 ) dans lesquels on s est

efforce d identif ier les problemes p ropre s a chacu n d eux et leurs aspects les plus

delicats.

Deux au t res chap i t res (chap . e t 6 ont etC reserves aux problemes des

ecou lements a grand e v itesse (e ros ion par cav i ta tion e t abras io n ; degagement

d azo te e t moyens d e lu t te ) e t a l en t re t ien e t la repara t ion des ouvrages d evacuat ion .

Ch aq ue fo is que ce la fu t poss ib le , il a e te fa it men t ion , a t i t re d exemples , des

ouvrages les p lus carac te r i s t iques en exp lo i ta t ion dans les d i f fe ren tes par t ies du

monde , dan s la mesu re ou , par I enquete ou d au t res sources , on d isposa i t d e

I information.

Les references consti tuent I Annex e et les pays ayan t repo ndu au ques tion-

naire f igurent I Annexe 2.

Les noms d es bar rages c i tes da ns ce bu l let in so n t su iv is , en t re paren theses , du

nom du pays , de la p rov ince ou du te r r i to i re ou le bar rage es t s i tue .



INTRODU TION

A considera ble and var ied bod y of exper ience has been bui l t up over recent

decad es in the des ign an d const ruc t ion of out le t works for large dams, an d in 1978,

t he Commi t t e e on H ydr a u l i c s f o r D a ms o f I CO L D se n t ou t que s t i onna i r e s t o

review the sa l ient f ea tures on th is subjec t . This r epor t i s based on the informat ion

tendered , a l thoug h unfor tuna te ly very inadeq ua te in te rms of the nu mb er of r epl ies

r e ce ive d a n d t he de t a il s c on t a ine d t he r e in , a n d pa pe r s subm i t t e d t o r e c e n t I C O L D

Congresses .

The bas ic des ign of spi l lways involves a var ie ty of complex problems

and, wi thout pre tending to be a comprehensive s ta te -of - the-a r t r eview, th i s

r e port doe s sum ma r i z e t he ma in c ons ider a t ions a r i si ng f r om m ode r n da m pr o j ec t s .

In the ques t ionna i re the scope was qui te l imi ted s ince some aspec ts were given

grea te r weight ; the fol lowing points , for example , were exc lu ded s ince most of them

were a l ready dea l t wi th in previous publ ica t ions a nd a re not there fore discussed

hereaf ter se lec t ion of des ign f lood, dea l ing wi th wate r d ur ing d am co nst ruc t ion ( see

ICOLD Bul le t in 48) , de ta i led s t ruc tura l and s tabi l i ty des ign ( see ICOLD Bul le -

t in 27) , opera t ion ( see ICOLD Bul le t in 49) , over f low dams and wei r s , combined

spi l lway/hydro powers ta t ion s t ruc tures , breachin g dykes , energy diss ipa t ion an d

sc a l e mode l s t ud i e s . T he r e por t doe s how e ve r c on t a in some r e ma r ks on e ne r gy

diss ipa t ion and sca le models insofa r as they a re in t imate ly re la ted to the de te rmi-

na t ion of spi l lway d es ign an d s ize .

Cha p t e r 2 be g ins w ith a b r i e f summ a r y o f sp i l lw a y t ypes , a nd t he n goe s on t o

examine the many fac tor s involved in cho osing be tween them , ie d ischarge capac i ty ,

he a d , numbe r o f w e e ks o r mon ths sp il li ng e ac h ye a r, da m type , t opogr a phy ,

geology, f lood de ten t ion capac i ty in the rese rvoi r , an d opera t in g a r rangem ents . The

divers i ty in the types of spi l lway and ga te plant used a r i ses f rom the number and

variety of such factors.

For s impl ic i ty , the repor t fo l lows the convent iona l d i s t inc t ion be tween sur face

spi l lways and submerged spi l lways . A separa te chapte r i s devoted to each in an

a t tempt to ident i fy the i r spec i f ic problems an d c r i t ica l f ea tures (Ch ap. 3-4).

T w o o the r c ha p t e r s ( Cha p . 5 - 6 ) a r e de vo t e d t o p r ob l e ms a r i s i ng ou t o f h igh

ve loc i ty f low (cavi ta t ion damage , abras ion, n i t rogen re lease and precaut ionary

measures) , and spi l lway maintenance and repa i r .

Wherever poss ible , each chapte r has examples of typica l dams cur rent ly in

opera t ion throughout the wor ld where suf f ic ient informat ion i s ava i lable f rom the

enqui ry or o ther sources .

Re fe r enc es a ppe a r i n A ppe nd ix a nd c oun t ri e s w h ich ha ve a nsw e r e d t o t he

ques t ionna i re in Appendix 2 .

Names of the da m s inc luded in th i s bul le t in a re fol lowed, be tween bracke ts , by

the name of the coun t ry , province or te r ri tory , wh ere the dam is loca ted.



2. HOIX DU TYPE D EVACUATEUR

2.1.

D I F F E R E N T S

T Y P E S

D E V A C U A T E U R

L E U R C L A S S I F I C A T I O N

*)

L usage es t de dis t inguer deux types pr inc ipaux d evacua teurs de c rue suivant

l a pos it i on de l e u r e n tonne m e nt p a r r a ppor t a u n ive a u nor m a l de r e t e nue

:

es

evacuateu rs de surface,

les plus f requents , sont carac te r i ses par le fa i t que

le debi t excedenta i re es t pre leve une cote tres vois ine du niveau normal d e re tenue;

es

e vacuateurs d e dem iTfbn d ou de . fi )nd

ont leur entonnement ca le t res

la rgement en-dessous de ce niveau.

Les

Pvacuateurs de surface

se subdivisent en

ouvrages vannes ou non vunnes.

En

regle genera le i ls cond uisent des ecoulements sur face l ibre avec acce lera t ion

cont inu e depuis un seui l de cont r6 le place pres de leur or igine . P lus ra rement , dan s

le cas de configura tions s outerrain es, I ecoulement peu t Etre

a

sur face l ibre pou r les

debi ts fa ibles e t moyens avec seuil d e cont rdle

a

I amont , e t deveni r en charge su r

tout o u par t ie du chemin d eau, avec cont r6le par un or i fice ou la cond ui te

e l le -mCme, pour les debi ts impo r tants jusqu au debi t d e ple ine capac i te . Habi tue l le -

ment la par t ie en charge cor resp ond au pui ts ver t ica l ou for tem ent inc l ine qui forme

la premiere par t ie d e I evacuateur e t de I a ir es t appo r te da ns la secon de par t ie ou

s etabli t I ecoulement a sur face l ibre . Des disposi t ions doivent Ctre pr ises pour

e m pE che r que de s poc he s d a i r so i e n t e m pr i sonne e s da ns l e c ondu i t a u m om e nt de

sa mise en charge car ces poch es d a i r se ra ient a I or igine de var ia t ions d e press ion

indesi rables e t diminuera ient la sec t ion e f fec t ive du condui t .

Les

evacuateurs de demi - fond e t de , fond

f onc t ionne n t e n c ha r ge nor m a le m e nt

sur une par t ie s igni f ica t ive de leur deve loppement ou sur toute leur longueur . Leur

debi t es t presqu e toujours con t r6le par un e vanne en or i fice placee

i

I extremite aval

de la par t ie en charge . D ans cer ta ins cas , il s sont ut il i ses po ur evacuer de for ts debi ts ,

sous fa ible charge ou r ecoulem ent l ibre , pou r I e l imina t ion d e sediments , apres que

la re tenue a e te aba issee notab lemen t ou videe ; ce sont a lors des vidanges de grand e

capac i te plut6t qu e des evacuateurs de c rue don t la ple ine capac i te potent ie lle sous

retenue pleine est rarement uti l isee.

Da ns c e r ta ins c a s e t no t a m m e nt da ns c elui d e c ondu i t s a u t r a ve r s de ba r r a ge s

e n be ton , l a va nne de c on t r a l e se t r ouve a I entree ou a c our t e d i s t a nc e d e c e t t e

entree, et I ecoulement se fait

d

sur face l ibre

par t i r de la vanne .

I exis te auss i des evacuateurs d e sur face avec une cou r te condui te en ch arge

leur or igine qui se te rmin e par u n or i f ice vanne . Les siphons de dechurge sont un

cas par t icul ie r d evacu ateur d e sur face en charge .

D a u t re s c r it e re s m oins f o nda m e nta ux e t a b li s sen t de s d i s t inc t i ons d a ns

I un et

I aut re type d evacuateur , par exem ple

a ) I implanta t ion chois ie p ou r la majeure par t ie de I ouvrage , soi t

I air libre,

soi t en souter ra in;

*)

Ref.

11, 21, 27, 32, 101, 136, 145, 148, 152, 1531



2 SELECT ION O F SPILLWAY TYPE

2 1 SPILLWAY TYPES A N D CLASSIFICATION *)

I t is cus tom ary to c lass ify spi l lways in two main ca tegor ies on th e bas is of the

posit ion of the inlet with respect to the ful l supply level in the reservoir , ie su r fa ce

spil lways, the m ost wid espread type , w hose sa l ient f ea ture is tha t surplus inf lows i s

drawn of f wi th on ly a very s l ight ri se in wate r level , and suhm ergedor or~f ice

pillwa,v.s

se t wel l be low ful l supply leve l, som et imes fur the r subdivid ed in to or i f ice spi l lways

a t a r ound m id- de p th , a nd bo t t om ou t l et s .

Surface spiNwuvs can be fur ther subdiv ided in to i ) ga ted and i i) uncon t rol led

or free-overflow

types. As

a general rule, the open=channel flow is steadily accele=

rated f rom the si ll spi l lway c res t ) o r weir near the ups t ream end , a l though wi th so me

tunne l types , f low may be f ree - sur face a t low and modera te discharges , when the

control sect ion is the si l l , and change to pressure f low over par t or al l the length of

the s t ruc ture a t h igher f lows u p to th e ful l capac ity , the cont rol sec t ion then b e ing

an or i fice or the tunn e l i t se l f. Usua l ly pressure f low is permi t ted only in th e shaf t

por t ion o f a condui t o r tunne l and a i r is suppl ied to the f ree flow por t ion fa r ther

downst ream. Air pocke ts must not be t r apped in the pressure condui t as i t f i l l s

because th is would result in und es i rable pressure var ia t ions an d a reduc t ion in the

effective conduit area.

Submerged ~ p i l l w u ~ ~ rormally have pressure f low over al l or a signif icant par t

of the i r length . Discharge i s a lmost a lways cont rol led by submerged ga tes a t the

downst ream end of the pressure condui t . They a re , however , somet imes used for

high discharges with low heads o r even open-chan ne l f low to s lu ice out s i l t a f te r the

reservoi r has been d rawn dow n t o a low level o r empt i ed; but in th i s case , they

should be cons idered as la rge bot tom out le t s r a ther than spi l lways s ince the i r fu l l

theoretical capacity at ful l supply level is rarely used.

In some cases , espec ia l ly o n con dui t s through concre te dam s, the cont rol ga te

is at or just b ehin d t he inlet , f low beyo nd i t being free-su rface f low.

There a re a l so sur face spi l lways wi th a shor t pressure tunne l a t the ups t ream

end, te rmina t ing in a ga ted or i fice . S iphon spi llways a re a spec ia l example of th i s

type.

Other , l ess fundam enta l c r i te ria provide fur th er d is t inc t ion, eg

a

whether or not most of the spi l lway i s a t ground leve l or underground;

*)

Ref. [II . 21 . 27. 32. 101. 136. 145, 148, 152. 1531.



6 I absence ou la presence d un long ouvrage intermediaire d accompagnement

(coursier ou chenal). Le seuil deversant avec nappe en chute libre est I exemple-type

d evacuateur de surface sans coursier;

c

la nature de I ouvrage de restitution bassin a ressaut ou fosse d amortis-

sement naturelle.

2 2 FACTEURS

INTERVENANT

DANS LE

CHOIX DU

TYPE

D EVACUATEUR

*)

Outre I importance du r isque en terme de vies humaines et le cotit de

construction, les facteurs principaux a considkrer dans le choix de I evacuateur le

plus approprie a un projet donne, sont les suivants

a

la qualite des previsions de crues;

b

la stismicite de la zone de I amenagement et la fiabilite de I exploitation;

c)

la duree et les degres d utilisation;

d

les conditions topographiques et geologiques particulieres du site amenage;

e

le type de barrage;

l

les conditions d exploitation.

2 2 1 Qualite des previsions de crues **)

La capacite d evacuation sous le niveau maximal de retention est determinee a

partir d une etude dans laquelle I hydrogramme de la crue de projet entrant dans

le reservoir joue un r61e preponderant. La securite du barrage

a

I egard des crues

depend donc de la fiabilite de I hydrogramme et de la marge de prudence adoptee

par rapport

a

cet hydrogramme. Cet te fiabilite n est jamais absolue; son degre est

lie a I etendue et a la valeur des informations collectees dans le passe concernant

le regime du cours d eau et les precipitations exceptionnelles; toutes choses egales

par ailleurs, elle est d autant plus faible que celui-ci est plus irregulier. Dans ce

dernier cas, le bon sens conduit

a

ne pas faire dependre etroitement I existence du

barrage d une erreur par defaut relativement faible sur la crue de projet. Autrement

dit, la capacite nominale de I evacuateur qui est celle etablie pour le niveau maximal

de retenue, devrait augmenter rapidement s il arrivait que ce niveau soit depasse

accidentellement par suite d une sous-evaluation de la crue de projet, de faqon

a

retarder le plus possible la submersion du barrage et ses consequences redoutables.

L evacuateur de surface d ont le debit reste contr61e par le seuil d entree pour

tous les niveaux au-dessus du niveau normal de retenue repond mieux i cette

condition que les evacuateurs en charge, puisque sa capacite augmente avec la

puissance 3/2 au lieu de 1/2 de la charge sur I entonnement. Autrement dit, si la

capacite d evacuation de I evacuateur en charge est plus grande initialement, elle

augmente ensuite plus lentement avec la montee de la retenue.

*)

R t f .

[64 65 66 691.

**) [4

10 38 100 126 139 140 1491.



b) whether or not there is a long chute or channel between the upstream and

dow nstream end s the overflow weir is one type where there is no chute); and

c whether or not the spi l lway terminates in a st i l l ing basin or a plunge pool .

2 2

FACTORS

N

SELECTION

OF

SPILLWAY TYPE

*)

Apart f rom economics and danger to hum an l ife, the leading fac tors governing

the choice of the best type of spillway for a given project are

a reliabil ity an d accuracy of flood p redict ion;

6

seismicity of project site and reliability of operation;

c dura t ion an d amou nt of spi l lage each year ;

d

topography a nd geology;

e dam t ype , and

f operat ional arrangements.

2 2 1 Flood prediction **)

Discharge capacity under maximum reservoir level is determined from a

hydrological study in which the hydrograph of the design flood flowing into the

reservoir is the most important factor. Dam safety with respect to floods depends

on how rel iable, accurate and conservative this hydrograph is. Absolute accuracy

cannot exist ; i t wil l depend on the amount and rel iabi l i ty of data collected in the

past on river flow, flow patterns, an d m eteorological aspe cts of major storms. All

other things being eq ual, rivers with irregular flow give the least reliable pre dictio ns,

and i t is only sensible not to run the risk of the dam being destroyed through a

relat ively small underest imate of the design flood. In other words, the spi l lway

design discharge, which refers to some intended maximum reservoir level , should

be arranged to rise steeply if the reservoir level is actually higher than expected

because of an underest imated design flood, in order to prevent , for as long as

possible, the dam being overtopped with al l the disastrous consequences that may

result.

The surface spi l lway, whose discharge is con trol led by the sil l at all levels above

full supply level, is better in this respect than submerged spillways because its

capacity increases by the power 3 /2 of the head on the sil l instead of w ith th e 1/2

power of the head above the centerl ine of the submerged spi l lway. Thus the

discharge capacity of the submerged spillway is initially greater than that of the

surface spillway, but the rate of increase in discharge with head is smaller as

discussed above.

*) Ref. [64 65 66 691.

**)

Ref. [4 10

38 100

126

139

140 1491.



Afin d'accro itre la securi te vis-A-vis du r isque d e subm ersio n, I 'evacuateur

pr inc ipa l ou d e se rvice , es t par fois comp le te par un evacua teu r auxi l ia i re ou de

secours qui peut e t re d 'un type di f fe rent e t n 'est suppo se fonc t ionn er qu e pour les

c rues except ionne l les. Par fois , ce t evacua teur auxi l ia ire es t cons t i tue par une digue

fusible arasee

a

une cote infe r ieure la cote de la c re te du bar rage e t qui , pa r

subm ers ion, libere une t r anch e de re tenu e plus ou moin s impor tante . Ce t te solut ion

ne doi t t r e u t i li see qu 'avec beau cou p de prudenc e en ra ison de la c rue ca tas t ro-

phique qui peut a ins i e t re bruta lement l iberee e t qui peut condui re ii des e ros ions

regressives dan gere uses si la digue fusible est implan tee, com me c 'est souvent le cas,

sur un col de carac te r i s t iques gkologiques mediocres . En aucun cas le col ne doi t

tree rodable au-dessous du niveau normal de re tenue .

2.2.2. Seismicite de la zone de I amenagement

et fiabi lite d e I exploitation

Le

degre de .seismicite

de la zone de I ' amenagement e t l es doutes qu 'on peut

ent re teni r sur la

qualite de I exploitation

concernent pr inc ipa lement le probleme de

savoir si I' installat ion de vannes est judicieuse ou n on.

L ' inf luence d e la skismic ite sur le choix d 'un evacua teu r vanne o u non van ne

e t , dans l ' a f fi rmative , sur la d ispos i t ion de I 'ouvrage vanne , es t cons ideree sous le

5 3.4.

En ce qui con cerne la qua l i te d e I 'exploita tion, il f aut sup pute r le r i sque d 'un e

defa i l lance me canique suscept ible d ' empeche r la manceuvre d 'une ou d e plus ieurs

vannes au momen t oh la c rue ar r ive in te r rupt ion d e la fourni ture d 'knergie aux

t reui l s, vanne bloq uee pa r sui te d 'un defaut d ' ent re t ien . Le personne l d ' exploi ta t ion

doi t pou voi r acceder aux c om ma nde s de cont r6le en toutes c i rcons tances. I1 faut

auss i prendre en compte la poss ibi l i tk d 'une e r reur humaine , te l le que I 'ouver ture

intempest ive ou t ro p ta rdive des vannes par sui te d 'un e m auva ise in te rpre ta t ion des

consignes . Ne pas oubl ie r qu 'une c rue except ionne l le peut eng endrer une s i tua t ion

de panique ; s i que lque inquie tude subs is te concernant la manceuvre des vannes e t

la competence d u personne l d ' exploi ta t ion, le choix prude nt es t ce lui d 'un eva-

cua teur non vanne (voi r Bul le t in ClGR no 49 .

2.2.3.

Durees et degres d utilisation

Les degrada t ions par cavi ta t ion e t abras ion dont l es t ques t ion au chapi t re

5

de pe nd e n t d e l a du r e e c um ule e de f onc t i onne me nt de l ' e va cua t eu r e t de I ' impor -

tance d es debi t s t r ans i tes

ri

ch aq ue uti l isat ion. Tou tes cho ses egales par ai l leurs, el les

s ' acce le rent avec la duree d e fonc t ionnem ent . Tous les types d ' evacua teur d is t ingues

pr e c e de mme nt son t susc ep t i bl e s de sub i r de s de gr a da t i ons pa r c a v it a ti on ou a b r a -

s ion, de sor te qu e le choix du type re teni r n 'es t pas dic te s t r ic tement par la

probabi l itk d 'occur rence plus ou m oins for te de ces phenom enes . Par cont re ,

I 'in ter ieur du ty pe chois i , des dispos i tions e t protec t ions s ' imposent en cas d e r i sque

eleve, pour retarder les degradations et faci l i ter leur reparat ion (cf . chap. 5 .

Les dur ees et degres d'ut i l isat ion d e I 'evacuateur restent un facteur essentiel

dan s le probleme d e la d iss ipa tion d ' energie e t par conseq uent dans l ' adopt ion d 'un

par t i pour la r es t i tu ion. On ver ra au

Q

3 6 l es avantages e t inconvenients d es deux

types de rest i tut ion comm une me nt mis en ceuvre ( i) bassin ar t if iciel po ur ressaut

hydrau l ique ; ( i i ) cui l le re de lancem ent dans une fosse d ' amor t i ssement na ture l le ou

art if iciel le , avec ou sans protections.



S afe t y aga i n s t ove r t opp i ng can be i m proved by p rov i d i ng an aux i l i a ry o r

emergency sp i l lway in addi t ion to th e main surface sp i l lway; i t may be of a d i f ferent

type a nd i s only exp ected to be requi red fo r the very larges t conceivable f loods . I t

s om et i m es cons is t s o f a b reach i ng dyke l ower t han t he non -over f l ow c res t o f t he

main dam , so that i t wi ll be o ver top ped f i rs t and lower the reservoi r level quickly

as i t i s eroded away. But caut ion i s requi red because i t may suddenly re lease a

d i sas t rous f lood in to the val ley do wnst re am, l i ab le to cause dang erous re t rogress ive

eros ion i f , as i s of ten the case , it i s s it ed on a sad dle where the geology i s poor . The

saddle should not be erodable below the fu l l supply level .

2 2 2 Seism icity of project area

and reliability of operation

The s e i s m ic i ty o f t he a rea a nd con f i dence i n t he ope ra t i ng s y s tem a re t he p r i m e

factors in decid ing w hether i t is app rop r ia te to des ign a gate d s t ructure .

The i m pac t o f t he s e i s m i c f ac t o r on t he cho i ce be t ween a ga t ed o r unga t ed

spi l lway and, in the l a t t er case , the arrangement of the gates , i s cons idered in

sect ion 3 4 hereunder . Regarding re l iab i l i ty of operat ion , the des igner mus t weigh

t he r is k o f on e o r m ore ga t e s f a il i ng t o ope n when t he f l ood a r r i ves becaus e o f power

fai lure to the hois t ing mechanism or a gate or gates j amm ing thro ugh faul ty

maintenance. He mus t a l so cons ider the poss ib i l i ty of human error in opening the

gates a t the wrong t ime, or too la te because the operat ing ru les are miscons t rued .

The operator mus t have ready access to the gate cont ro l s a t a l l t imes . I t mus t be

realized tha t an e xcept ional ly l arge f loo d may c ause pa nic . I f there i s the s l ightes t

doubt on the re l i ab i l i ty of gate operat ion or the competence of the operat ing s taf f ,

the wise choice is for an un gated sp i l lway see ICO LD Bul le t in 49 .

2 2 3 Duration and amount of discharge

The cav i t at i on and ab ras i on dam age d i s cuss ed i n C hap t e r 5 i s governed by the

t ot al cum ul a t ed t i m e t he s p i ll way has d i s cha rged a nd t he m agn i t ude o f t he f l ow on

each occas ion . Other th ings being equal , the damage accelera tes wi th the to ta l

d i scharge t ime. All the a bove categor ies of sp i l lway ar e subject to cavi ta tion a nd /o r

abras ion under cer ta in co ndi t ions s o that the ch oice i s not s t r ic t ly d ic ta ted by i ts

expected sever ity , bu t i f the l ikel ihood of da ma ge i s h igh , precaut ionary measures

are necessary to re tard i t and enable repai rs to be carr ied out as d i scussed in

Chapter

5

The du ra t i on and am oun t o f d i s cha rge a re a l s o i m por t an t f ac t o r s i n ene rgy

diss ipat ion and thereby in the arrangements adopted a t the poin t of impact of the

discharge. The tw o types mos t com mon ly used , i e i ) the hydraul ic jum p or ro l ler

bucket) in a concr ete s t i l l ing basin, a nd i i ) a bucke t , ski jum p o r free overfal l with

a scour hole or p lung e pool , p re-excavated or not , wi th o r wi thout pro tect ion , a t the

point of impact , are discussed in sect ion

3 6

hereu nder wi th deta i l s of the problems

inherent in both types.



Les risques inherents

a

I un o u I autre type sero nt soulign es. I1 convient ici

d ins is ter sur I importance d e la du ree e t d u degr i: d u t i l i sa t ion previsib le da ns la

suppu tat ion des r i sques encour us . S i I e tude hydrologique indique q ue les dever-

sements importan ts seront rares e t d e cour te duree , le pro je teur es t encl in

a

plus

d audac e; l e bass in

a

r e ss au t e s t t ra i t e p l u s s om m ai rem en t au po i n t d e vue s t ruc t u re l ;

l a fosse d amort i ssement es t peu ou p as du tout pro tegee , en supp osant im pl ic i t e-

ment que les reparat ions ou pro tect ions necessai res seront real i sees apres chaque

crue, cel le-c i e tan t t rop cour te pour que les dommages so ient importants .

Da ns le cas cont ra i re d un serv ice pro longe av ec debi t s e leves, l e pro je te ur doi t

concevoi r I ouvrage d e res t i tu tion ave c un m axim um de p recaut ions , I exper ience

ayan t c l a i r em en t m o n t re q ue de s deg rada t i ons pa r t i cu li e rem en t s eve res s e p rodu i -

s en t a l o r s de f aqon cou ran t e .

En e l abo ran t l e s r egl es d exp lo i t a ti on d e I evacua t eu r de c rue , le concep t eu r do i t

egalement pre ndre en com pte les fausses manaeuvres qui peuvent en t ra iner un r i sque

d accident pou r l e barra ge ou p ou r I aval. En par t i cu l ier , dans le cas d evacuateurs

vannes , i l es t ef fect ivement danger eux d evacuer a I aval un debi t super ie ur aux

debi t s naturel s .

Les s i phons don t l e s deb it s augm en t en t d e f aqon app rec i ab l e pou r un e f a i b l e

e l eva ti on du p l an d eau du r e se rvoi r peuven t ega l em en t p rovoquer des c rues p l u s

i m por t an t es q ue ce ll e s de l a r i v ie re da ns l e s cond i t i ons na t u rel l e s, pa r exem pl e

quand un l ac occupe l a p l u s g rande pa r t i e du bas s i n ve r s an t , con t r i buan t a i n s i

am p l i fi e r I hyd rog ram m e de l a c rue .

Le bu l le t i n C IG B no 9 don ne des i n fo rm at i ons s u r ce t t e ques t i on ; l e bu l l e ti n

C I G B no 29 Risques aux ti ers deco ulant des gra nds barrag es peut egalement Etre

consul te .

2 2 4 Conditions topographiques et geologiques particulieres

du site arnenage

Ces condi t ion s representent auss i un facteur de choix important , ind i ssociable

bien so uvent de l un ou I au t re d es facteurs precedents . Un s i te peut Ctre naturel -

lement favorable

a

un eva cua t eu r de s u r face non vanne (pos si b il it e d am enager un

seui l t res long e t un cours ier re la t ivement cour t au pr ix d un minim um d excavat ion)

t and i s qu un a u t r e s accom m ode m i eux d ouv rages s ou t e r r a i n s avec ou s an s pos si -

b i l it es de mise e n charge.

La poss ib il i te d u t i li ser d an s les remblai s du barrage, l es mater iaux prove nant

des excava t ions d un evacua t eu r d e r ive e s t au s si un e l em en t econom i que qu i peu t

Ct re determinant dans le choix du par t i .

Les ref lex ions exposees da ns les chapi t res e t font e ta t des re la tions en t re ces

condi t io ns e t l es d ivers types d evacuateurs .

2 2 5 Type de barrage

I1 es t poss ib le d incorp orer tout o u par t i e de s evacuateurs au x barrages en

be t on , ce qu i s ouven t p rocu re u ne econom i e s ubs t an ti e l le e t pe rm e t de r e s t it ue r l e

f lo t dkversant d i rec teme nt dans le l i t p r incipal su ivant I axe longi tudinal d e la vallee .



The i m po r t ance o f t he expec ted du ra t i on and vo l um e o f d i scha rge t o be han d l ed

in weighing the r i sks of dam age m us t be s t ressed . If the hydrological s tudy f inds that

heavy sp i l ling wi ll occ ur only rare ly fo r a shor t dura t ion the des ign may be less

conservat ive wi th l ess s t ructural reserve s t rength in the hyd raul ic bas in o r l i tt l e or

no p ro t ec ti on fo r t he s cou r ho l e on t he a s s um pt i on t ha t r epa i rs o r p ro tec t ive works

wi l l be under taken af ter each f lood because the sp i l l ing t ime wi l l be too shor t for

t he dam ag e t o becom e s e r ious .

Conversely where t he sp i l lway is to d i scharge h igh f lows over long per iods rhe

des igner mus t take ser ious precau t ions a t the poin t of out fa l l s ince expe r ience has

clearly shown tha t very severe dam age usual ly occ urs there .

When d rawi ng u p s p i ll way opera t i ng ru le s t he des i gne r a l s o has t o cons i de r

l ikely cases of malopera t ion that cou ld p lace the dam or the down st ream a t r isk .

Par t icu larly wi th gated sp i llways there i s a real da nger of d i scharg ing greater than

natural f lood f lows in to the natural channel downst ream.

Siphon spi l lways with large flow increases for small lake level rises may also

create h igher f lood peak s than w ould ha ve occured wi th the r iver in i ts natural form

for example where a l ake ex tends over mos t of the l ength of a catchment thus

magni fy ing the inf low hydrograph.

Bullet in No. 9 is pert inent to this aspect of spi l lways. Bullet in No.

9

Risks

to th i rd par t i es can a lso be consu l ted .

2 2 4

ite

topography and geology

The topo graph y an d geology a t the s i t e i s a l so an im portant factor in sp i llway

type of ten inext r icably ti ed up wi th one or more of the cons iderat ion s a l read y

discussed . On e s i t e may be natural ly su i tab le for an uncont ro l led surfac e sp il lway

if there is room for a very long si l l and a relat ively short chute without much

excava ti on whereas ano t he r m ay be m ore am en ab l e t o a t unne l runn i ng pa r ti a ll y

or completely ful l .

Cos t in t erms of the feas ib i l ity of us ing spoi l f rom the sp i l lway excavat ions o n

the bank as dam f i l l may al so be a determining factor in the choice .

C hap t e r s 3 and 4 cons ider the impact of such condi t ions on d i f ferent types of

spillways.

2 2 5

Da m ty pe

All or par t of a sp i llway can be bui l t in to a concrete dam of ten wi th a

substant ial saving on cost and the possibi l i ty of discharging the flow straight back

into the river channel .



Les bar rages en rembla i ex igen t des evacuateur separks pour lesquels la

reor ien ta t ion d u f lot deversan t l aval de I ouvrage pose par fo is un p rob leme

difficile.

L installation de I evacuateur sur le remblai a ete experimentee avec plus ou

moins d e succes dans le cas d ouvrages p rov iso i res (ba ta rdeaux pou r la der iva t ion

tempora i re d u cours d eau) ou d e lames deversan tes re la t ivement minces su r des

bar rages d e fa ib le hau teur . Cet te d isposi t ion devra i t f a i re I ob je t de recherches

dest inees amel io rer sa fiab il i te , car e l le appor te ra i t sans dou t e une economie

apprec iab le e t permet t ra i t de main ten i r le f lo t deversan t dans la par t ie cen t ra le de

la vallee.

La submers ion du bar rage consecu t ive a une insuf f i sance ou defa i l lance de

I evacuateur aura i t des cons equences imm edia teme nt d ramat iques da ns le cas d un

ouvrage en rem bla i . C es t pourquo i les c r i teres de p ro je t touchan t la capac i te to ta le

d evacuat ion , le type e t nom bre d e vannes e t la revanche necessa i re a u-dessus du

n iveau maximal d e re tenue suppu te son t p lus severes dans le cas d un bar rage en

rembla i que da ns ce lu i d un bar rage en be ton .

2.2.6.

Conditions d exploitation

Le fu tu r p ropr ie ta i re du bar rage peu t ne pas posseder l exper ience de I exp loi ta -

t ion des ouvrages evacuateurs e t le concep teu r do i t p rendre en com pte la fo rmat ion

e t l in fo rmat ion du fu tu r exp lo i tan t dan s le domai ne des evacuateurs de c rue a ins i

qu en mat ie re de secur i te , ges t ion des ouvrages , moyens d acces e t d e t ransmiss ion ,

etc.

Dans le cas

01

le barrage n e sera pas gard ienne , on s o r ien tera d e p reference

vers un evacuateu r non vanne . Le bu l le t in CIG B no 9 con t ien t des rense ignements

utiles ce sujet.



E m b a n k m e n t d a m s r e q u i r e s e p a r a t e s p i ll w a y s t r u ct u r e s. T h e n e e d t o r e d ir e ct

t h e f l o w b a c k i n t o t h e r i ve r m a y t h e n p o s e a r d u o u s p r o b l e m s .

A t t e m p t s t o s i te t h e s p i l l w a y o n t h e d a m f il l h a v e m e t w i t h v a r y i n g d e g r e e s o f

s u c ce s s in t h e c a s e o f t e m p o r a r y c o f f e r d a m s t r u c t u re s o r a t l o w - h e a d d a m s w h e r e

t h e r e is o n l y a s m a l l h e a d o n t h e s i ll . M o r e r e s e a r c h s h o u l d b e d o n e o n i m p r o v i n g

t h e r e l ia b i l it y o f s u c h d e s i g n s b e c a u s e o f t h e i r a d v a n t a g e s o f c h e a p n e s s a n d t h e f a c t

t h a t t h e f l o w is k e p t i n t h e m i d d l e o f t h e r i v e r c h a n n e l .

O v e r t o p p i n g o f a n e m b a n k m e n t d a m t h r o u g h s p i ll w a y f a il u r e o r i n s u f f ic i e n t

d i s c h ar g e c a p ac i t y h a s i m m e d i a t e a n d d r a m a t i c c o n s e q u e n c e s . T h i s e x p la i n s t h e

g r e a t e r s t r i n g e n c y o f d e s i g n c r i t e r i a c o n c e r n i n g t o t a l d i s c h a r g e c a p a c i t y , g a t e t y p e

a n d n u m b e r s , a n d f r e e b o a r d a b o v e t h e a s s u m e d m a x i m u m r e s e r v o i r l e v e l f o r

e m b a n k m e n t d a m s t h a n f o r c o n cr e t e d a m s .

2 2 6 Operational arrangements

T h e p r o s p e c t iv e o w n e r o f a d a m p r o j e ct m a y n o t h a v e e x p e r i e n c e i n sp i l lw a y

o p e r a t i o n a n d t h e d e s i g n e r w il l h a v e t o c o n s i d e r c l i e n t e d u c a t i o n v is a v i s sp i l l w a y

t yp e a n d p r o b l e m s i n s a f e o p e r a t i o n a s w el l a s r e c o m m e n d i n g s u it a b l e a d m i n i s t r a -

t io n , a c c e ss , c o m m u n i c a t i o n s , e t c .

I n o t h e r c a se s t h e d a m m a y b e u n a t t e n d e d d i r e c ti n g t h e de c i s io n t o w a r d s a n

u n g a t ed s p i l l w a y . T h e I C O L I ) B u l l e ti n

9

p r o v i d e s a s s i s t a n c e u n d e r t h i s h e a d i n g .



3 .

EVACUATEURS

DE

SURF CE

3 .1 . CONSTITUTION

L evacuateur d e su r face comp or te genera lement t ro is par t ies

a

I amont, un seuildeversant sur lequel s etabli t I ecoulement torrentiel et qui

con t rb le a ins i le deb i t evacue;

u n o u v r a g e in t e r m e d ia i r e d a c c o m p a g n e m e n t

p e n te a c c e n tu e e a p p e l e

coursier

qui en t re t ien t ou acce lere I ecou lement to r ren t ie l ;

u n ouvrage terminal i partir duquel le f lot evacue revient au l i t nature1

cu i l le re def lec t r ice avec ou sans fosse d amor t i ssement amena gee , ou bass in

ressaut.

Le coursier et I ouvrage term inal so nt parfois inexistants ou tres part iel lem ent

rea li ses c es t le cas de cer ta ins evacuateurs de su r face por tes par des bar rages

voiites.

3 .2 . SEUIL LIBRE O U VANNE SO LUT IO N MIXTE

~ c f .

45]

3.2.1. Seuil libre

L evacuateur de su r face n ex ige pas de vannes sys temat iquement . C es t un

avan tage re marquab le car le seu i l lib re est p referab le lo rsque les cond i t ions loca les

(p robab i l i te non neg l igeab le d hydrogram mes d e c rue f ron t t res ra ide , se ismic i te

elevee, fiabil i te ince rtaine d e I entretien et de I exploitat ion, isolemen t d u si te et

d i f f icu ltes d acces) fon t q ue la d ispon ib i l i te des vannes e t leu r u t il i sa t ion oppo r tune

son t su je t tes a cau t ion .

Le seuil l ibre coi ncide natu rellem ent avec le niveau du reservoir plein. La

charge necessa i re pou r evacuer les appo r ts exceden ta i res condui t do ne sure lever

le bar rage , ce qu i p rocure en con t repar t ie un vo lume pour I amor t i ssement d e I onde

d e c r u e a u - d e ssu s d u n iv ea u n o r m a l d e r e t e nt ion e t p a r v o ie d e c o n se q u e n c e u n e

d im in u t io n d u d e b i t m a x im a l

a

evacuer . Ce pend an t , cause de con t ra in tes par t i -

cu l ie res te l les q ue le coQt e leve des subme rs ions occasionnel les e t de la hau teu r

su p p le m e n ta i r e i d o n n e r a u b a r r a g e , le c o u t d u n e v a c u a t e u r a seuil l ibre devient

souven t p roh ib i t i f . Le seu i l f ron ta l don t la longueur es t genera lement l imi tee par la

conf igura t ion des ouvrages por teurs ou les fo rmes topograph iques es t le p lus

defavorab le

i

ce t egard . Avan t d e cho is i r un seu i l vanne ,

l

faut etudier la faisabil i te

t e c h n iq u e e t e c o n o m iq u e d e se u il s d e p lu s g r a n d e lo n g u e u r o u d e v e lo p p e m e n t , t e ls

que les seu i l s d isposes la te ra lement su r une r ive a I amont d u barrage, les seuils

c i rcu la ires (coro l les) ou semi-c i rcu la i res a I or igine de deve rsoirs en puits et galer ies,

les s iphons , les seu i l s de geom etr ies d iverses (bec d e can ard , marguer i te , labyr in the

[611

Cer ta ins au teurs o n t p ropos e d e ranger parmi les fac teurs de dec is ion concer -

nan t le cho ix en t re evacuateurs avec ou sans vannes , le rappor t Q /S , dans lequel

es t le deb i t de po in te de I hydrogramme de la c rue qu i en t re da ns le reservo ir expr ime



SURF AC E SPILLWAYS

3.1.

C O M P O N E N T S

Sur face spi l lways usua l ly cons is t of three par t s , the

sill

a t t h e u p s t r e a m e n d

which cont rols the discharge ra te and acce le ra tes the f low, a s teeply s loping chute

where the f low veloc i ty i s mainta ined or increased, an d the

termin l structure

where

the f low r e tu r ns t o t he r ive r c ha nne l ; t h i s ma y c ons i st o f a f l ip buc ke t o r ski j ump

with a p lunge p ool o r a l ined s ti l ling bas in wi th a hyd raul ic jump .

T he c hu t e a n d t e r mina l s t r uc tu r e a r e some time s om i t t e d , a s i n som e sp i llw a ys

at the crests of arch dams.

3 .2 . G ATED UNG ATED AN D CO M BINATIO N

SURF ACE SP ILLWAYS

Ref. [I451

3.2.1. Ungated spillways

Gates a re op t iona l on su r face spi llways . This i s a d is t inc t advantag e in tha t an

ungated spi llway i s pre fe rable w hen loca l condi t io ns such as h igh se ismic ac t iv i ty ,

lack of conf id ence in maintenan ce an d/ or opera t in g skil l s, shor t peaking t ime of the

inf low hyd rograph , r emoteness o f the s i te and di f f icul ty of access mean th a t there

are doubts as to the depend abi l i ty of the ga tes an d the way they wi ll be o pera ted.

The ungated overf low si l l is of course set a t ful l supply level in the reservoir .

The head requi re d for d ischarging excess inf low thus mean s a h igher dam , but th i s

has the advantage of of fe r ing spare capac i ty for de ta ining the f lood inf low above

ful l supply leve l, wi th a con seque nt r edu c t ion in the m axim um f low to be discharge d.

But spec ia l cons idera t ions such as the high cos t of occas iona l ly f looding the

reservoir r im an d of the ext ra dam he ight may m ean th a t an un cont ro l led spi l lway

is prohibit ive. In this respect , the f rontal si l l whose length is usually l imited by the

configura tion of the d am o r topog raphy i s the most unfavourable . But before opt ing

for a ga ted s t ruc ture , the des igner m ust look in to the technica l and econo mic

feasibil i ty of a longer uncontrolled si l l , eg, side-channel spil lway on the bank

upst ream f rom the da m , c ircula r mo rning glory) or semi-c i rcula r s i ll s d i scharging

into shaf ts and tunn e ls , s iphon s , and o ther s il l sha pes duckbi l l , da isy-shape) . A

labyrinth type of spil lway crest is a lso useful in gaining crest length

[61]

I t ha s be e n sugge s t e d t ha t a no the r f a c to r i n t he c ho i c e be tw e e n ga t e d a nd

ungated spil lways sh ou ld be the

Q/S

rat io, in which

Q

i s t he pe a k f l ow on t he i n f l ow

hydrograph, in cu bic met res / seco nd, mul t ip l ied by

3600

a n d S i s t he a r e a o f t he



en m3 /s , mul t ip l ie par 3

600

et

S

l a sur face de ce rese rvoi r en m2 au niveau normal

de re tenue .

I

s agi t don c d une vi tesse de montee en met res p ar heure . L evacua teur

non vanne se ra i t pre fe rable da ns le cas des vitesses d e montee excedant I 2 m / h .

3 2 2 Seuil

vanne

Lorsque les debi t s de c rue sont im por tants e t qu e le r i sque d indisponibi l ite ou

d ut i l isa t ion malenc ont reuse d es vann es es t ins ignif iant , l e seui l vanne es t genera le -

ment pre fe re ca r i l e s t moins cher . I1 es t ca le en-dessous du niveau normal de

re tent ion d e sor te que I ouver ture des vannes p uisse procurer im media tem ent , si

necessa i re , une capac i te d evacua t ion impo r tante par r appo r t

r

l a c r ue de p r o j e t. O n

peut a insi r eal i se r u n c reux prevent i f avan t I a rr ivee d une c rue , la t r anche de la

r e t e nue c o r r e sponda n t i a haut eur des vannes se rvant a la fois pou r la regular isat ion

des ap por ts u t i li ses e t pour I amor t i ssement des ap por t s deverses . Ce t te f acon

d exploi te r la r e tenue n es t pas toujours la p lus judic ieuse .

U ne su r c ha r ge a u - de s sus de l a c o t e de r e t e nue nor ma le e s t souve n t p r e vue

pou r accroi t re le debi t par met re l inea i re et amel iore r I amor t issement des ap por ts

de c r ue.

Les capac i tes d evacua t ion pa r met re l inea i re de seui l u ne fois la vanne

c omple t e me n t e f f a c e e on t a ugme nte e c ons ide r a b l e me n t a u c our s de s de r n i e r e s

decennies . Parmi les r ecords , on peut c i te r I evacuateur du ba r rage Karun (F ig . I

e n I r a n a ve c 335 m3/ s /m (3 passes de 15 m de la rgeur fe rmees par des vannes

segments de 21,28 m d e hauteur d on t I ouver ture c omp le te degage le passage d une

l a m e d e

3

m d epa isseur , avec un e surcharge de 10 m au-de ssus de la r e tenue

normale) .

A

note r qu e , que l le qu e soi t l a f iabil i te d es vannes , i l est souve nt prescri t , parfois

me me pa r l a r e g l e me n ta t ion du pa ys c onc e rne , de c ons ide r e r le c a s d une ou de

plus ieurs vannes bloqu ees sans qu i l y a i t deversement s ur l ouvrage . Cec i cond ui t

a a ugme nte r le nom br e de s va nne s ou r prevoir un evacua teu r de secours ( seuil l ibre ,

digue fus ible , bouchon explos ible ) .

3 2 3 Seuil mixte

Le seui l mixte compor te une par t ie non vannee a une cote re la t ivement e levee

e t une aut re

a

une co te infkrieure surm ontee par d es vannes . Ce t te d ispos it ion peu

f r e que n t e a pou r bu t de c ombine r f i a b i li t e e t e c onomie . L e s s e u il s e qu ipe s de va nne s

deversantes qui ne s e f facent q ue po ur les c rues except ionne l les son t un au t re type

de seui l mixte ra rement u t il ise . Le seui l mixte avec un seui l non van ne a u niveau

norm al d e re tenue presente l avantage de permet t re le passage des pe ti tes c rues sans

manoeuvre des vannes. Cette possibil i te est par t iculierement interessante lorsque les

vannes ne sont u t i li sables que de facon t rans ito i re fa ible ouver tu re ; e l le permet

ainsi d eviter une crue intemp estive I aval d u barrage.

3 3 E N T O N N E M E N T S

La geometr ie des entonnem ents es t choisie de faqon

r

majorer le p lus po ss ible

la capac i te du seuil d e cont r6le , aut rement d i t l e coef fic ient d e debi t de ce seui l . Une



reservoir at full supply level, in square metres. This ratio i s thus a measure o f the

rate o f rise o f reservoir level in metres per hour. The ungated spillway

i s

said to be

preferable in particular

i f

the rate o f rise

i s

more than to

2

metres per hour.

3 2 2 Gated spil lways

Wi th large river floods and a small risk o f the gates being unserviceable or

improperly operated, the gated overspill is generally less costly. Th e sill is set below

full supply level so that a high proportion o f the design discharge

i s

available

immediately when the gates are opened, i f necessary. This enables the reservoir to

be drawn down to the s i l l o f the gates prior to the arrival o f a flood, this extra

capacity being used for regulating out fl ow and detaining all or a portion o f he flood

wave. This type o f operation however i s not always acceptable.

A

surcharge capacity above full supply level

i s

usually provided to increase the

discharge capacity per linear metre o f crest length and further detain f loods.

In recent decades, spillways have been designed with considerably greater

discharge capacities per linear metre o f

s i l l

with the gate fully opened. The

record-holders include Karun dam Fig. I in Iran with

335

m3/s three radial gates,

each 5 m wide by 21 28 m high, with a

30

m design head on the sill counting the

10

m surcharge above full supply level).

Regardless o f how reliable gate operation i s, it i s of ten stipulated, sometimes

by national regulations, to design the spillway to prevent overtopping o f the dam

with one or more gates failing to open. Gates can also be designed for overtopping.

This leads to a larger number o f gates or the use o f an emergency spillway

uncontrolled ove rf low, breaching dyke or exploding plug).

3 2 3

Conbination spillways

A combination spillway has an ungated sill at a relatively high level and gates

set at a lower level. This arrangement aims at conbining reliability with economy .

Si l l s fitted with ove rflow gates which are only opened for the very largest floods i s

another combination that

i s

rarely used. A combination spillway with an ungated

sill

at full supply level has the advantage o f allowing relatively small f low s to pass

without having to open the gates. This can be particularly usefu l where the minimum

low

which can be passed through a gate causes undesirable flooding downstream.

3 3 I NL ET G E O M E T R Y

Inlet geometry

i s

chosen to maximize the capacity o f he control section, in other

words, the

sill

discharge coefficie nt. One also seeks a uni form distribution o f the



d i s tr i b u ti o n au s s i u n i fo rm e q u e p o s s i b l e d u d eb i t s u r l e s eu i l, d an s l e cas n o t am m en t

ou celu i -c i est d iv i se en p lus ieurs passes ad jacen tes , es t recherchee sys temat iquem ent

sauf dans le cas de seu i l s mix tes e tab l i s a di f feren ts n iveaux.

Le coeff ic ien t d e debi t ob tenu avec le seu i l Crea ger

))

convent ionnel es t

g en e ra l em en t co n s i d e re co m m e s a t i s f a i s an t . Les s eu i l s d ep r i m es p ro cu ren t d es

amel iorat ions t res marginales , avec un r i sque accru de cavi ta t ion . Les formes

d o n n er au x p i le s i n t e rm ed ia i r e s e t ex t rem es d es ev acu a t eu rs f ro n t au x p o u r q u e l e

debi t so i t egalement d i s t r ibue sur l e seu i l on t e te depuis longtemps e tab l ies expe-

r i m en ta l em en t , d e s o r t e q u e d es e s sa i s s u r m o d e l e n e s o n t p as s t r ic t em en t n eces sa i r e s

dans tous l es cas . De te l s essai s res ten t consei l l es s i l es ouvrages sont impor tan ts

m m e s i les d i spos i t ions adopte es s ont conven t ionnel les . I l s sont ind ispensa bles s i

l es condi t ions du s i t e ou du pro je t sont par t i cu l ieres

opographie naturel le re la t ivement resserree e t d i ssymet r ique a I 'amont de

I 'en tonnement qui sera i t la cause d e v itesses d 'app roc he e levees t res inegalement

d i s t r i b u ees ;

eu il s e t p i le s d e co n f i g u ra t i o n i n h ab i tu e l l e i m p o s ee p a r d es co n d i t i o n s

speci f iques ;

o u v rag es ad j acen t s s u s cep ti b l es d e p e r t u rb e r l ' e co u l em en t a ch aq u e ex t r e -

m i t e d u s eu i l d ' en t o n n em en t .

La d i ssymet r ie de s cond i t ions d 'a l imentat ion es t souve nt t res marquee dan s le

cas des seu i l s l a teraux ou c i rcu la i res . Le modele ind ique a lors l es remedes (p i les

deflectrices, pi les ant i vortex) et les excavat ions necessaires pour uniformiser le

co u ran t av an t s o n a r r i v ee s u r l e s eu i l d e co n t r6 l e 781. S i l a p ro fo n d eu r d ' eau

a

I 'amont imm ediat d u seu i l es t fa ib le , ce qui est f requent da ns le cas de seu i ls l a teraux ,

l es m o d e l es o n t a i n s i m o n t re q u e l e r ay o n , d e co u rb u re h o r i zo n ta l e d e s m u rs

guide aux devai t C tre egal ou super ieur deu x fo i s cet te profo ndeur .

Les seui ls a l o n g d ev e l o p p em en t (b ec d e can a rd , l ab y r i nt h e ) ex i gen t d es e s sa i s

sur modele pour e tudier l es condi t ions d 'ecoulement e t determiner l a re la t ion

dCbi t /n iveau d e re tenu e [61] La p lupar t des seu i l s rect i l ignes p lus ou moins

paral le les l a val lee p laces I 'o r ig ine d 'un evacua teur l a tera l son t essayes e t ca l ibres

s u r m o d e l e a cau s e d e l eu r a l i m en t a t i o n g en e ra l em en t d i s s y m et r i q u e e t d e l eu r

submers ion par t i e l l e qu i es t parfo i s to leree pour l e debi t maximal .

Les seu i ls su r voute mince a l 'o rig ine d 'une lame dev ersante en chute l ib re font

I 'ob je t d 'essai s pour determiner l es condi t ions dans lesquel les cet te l ame v ibrerai t

e t met t re au poin t l e d i spos i t i f an t i -v ibrat ion (becs de f ract ionnement ) .

3.4.

TYPES ET DISPOSITIONS DES VANNES,

DOMAINES D APPLICATION, Ref

[ss]

O n p eu t ch o i s i r e s s en t ie l l em en t en t r e

les c lapet s ou volet s ;

es vannes p la tes ;

es vannes segments .

Les cl pets o u volers n e s o n t r ea l is ab l es q u e p o u r d es l am es d e q u e l q u es m e t r es

d e h au t eu r . Leu r ap p l i ca t i o n e s t g ene ra l em en t r e s erv ee au x s eu i ls d e g r an d e l o n -

gueur e t p lus par t i cu l ierement a l a par t i e deversante de s barrages en r iv iere . Les



discharge along the si l l , especial ly i f there are spl i t ter walls or piers , except with

combinat ion spi l lways with si l ls at various levels .

The C reager o r ogee s ha pe i s gene ral ly cons i de red s a t i s fac t o ry an d t he d i s -

charge coeff ic ien t s obta ined are wel l def ined . S i l l s des igned for subatmospher ic

pressure below the n app e offer only very marginal d i scharge improve ments but wi th

an increased r i sk of ca vi ta t ion . Th e bes t shap es for sp l it t ers and t ra in ing wal l s for

f ronta l s i l l s to obta in an even d i s t r ibut ion of d i scharge a long the s i l l were found

empir ical ly a long t ime ago, an d scale model t es ts are no t real ly necessary fo r every

project , a l though they a re s t il l advisable for l arge sp i l lways , even those of convent io-

nal des ign . Scale models are a lways needed i f

a the val ley i s re lat ively narrow an d non-symmetr ical u ps t ream of the in le t

wi th an uneven pat tern of h igh approach veloci t i es ;

h

s it e cond i t i ons a re s uch t ha t t h e s il l and p i e r a r r angem en t s a re unus ua l ;

c)

there a re s t ructure s a t e i ther end of the s il l, l iab le to d i s turb the sm ooth f low

of water.

Asymmetr ic f low i s of ten very not iceable wi th s ide-channel and c i rcu lar

sp il lways . The remedies requi red def lectors , an t i -vor tex p iers ) and w hat excavat ion

is

necessary to smooth out the current before i t reaches the cont ro l sect ion can be

determined by making adjus tments in the model

[78] M o d e l s h a v e s h o w n t h a t t h e

hor izontal rad ius of cu rvature of the t ra in ing wal l s mus t be no t l ess than twice the

water depth just in fr ont of the si l l when this de pth is small , as is often th e case with

side-channel spi l lways.

Long duckbi l l o r l abyr in th s i ll s requi re m odel t es t s to examine f low c ondi t ions

and es tab li sh the d i scha rge/heig ht re la t ionship for the da m

[61]

M os t s i de -channe l

spi l lways, being roughly paral lel to the river channel with the si l l at the top end of

the sp i l lway, are t es ted and cal ibrated in the hydraul ic l aboratory because the

approach current i s usual ly asymmetr ical an d they may be par t i a lly su bme rged a t

maximum discharge.

Model t es ts ar e a l so ma de of oversp i l l sect ions on th in arch d am s to invest igate

vibration of the nap pe an d develo p me ans of e l iminat ing i t wi th sp l it t ers for

example).

3.4.

GATE TYPES ARRANGEMENT A ND SELECTION

Ref. [55]

Three types of gate are normal ly used

hinged f laps or shut ters ;

vertical-lift gates;

adial gates.

laps o r shutt rs a re on l y s u i t ab l e fo r m odes t he ads o f a f ew m et res. They a re

general ly confined to very long si l ls , such as river barrages. The trials with rein-



essa is de c lapet s e n be ton arm es d il y a 35 ans n on t pas e te renouveles . I l i f feren t s

t y p es d au t o m a t i sm e h y d rau l i q u e a i d es p a r d es co n t r e -p o i d s o n t e t e d ev e l op p es .

Les

vannes plates

p eu v en t a t t e i n d re d es d i m en s i o n s co n s i d e rab l e s . Ce s o n t

presque tou jours des vannes

h

roues f ixes (vannes wag on) ; l es vannes t ra ins de

gale t s (vannes Stoney) ne son t p lus guere u t i l i sees sauf pour l es vannes de grande

s ec t io n s o u s fo r t e ch a rg e , q u i n e s o n t d o n c p as d es v an n es d ev acu a teu r d e s u r f ace .

Les vannes p la tes peuvent c omp or ter un ou p lus ieurs t ab l i ers , associes

a

des c lapet s

superfi c ie ls . E l les p resen ten t I inconvenien t d ex iger des ra inures de gr andes d i -

mens ions , des ef for t s de l evage impor tan t s e t des supers t ructures cod teuses e t

ines thet iques .

Les vannes l es p lus f reque mm ent u t il isees pou r l e con trd le de deb i t s impor ta n t s

sur l es evacuateurs d e surface son t les vannes segments cause de l a s impl ic i t e de

leur cons t ruct ion , des ef for t s d e manceuvre re la t ivement fa ib les et de I absence de

ra inures l a tera les . Les d imens ions a t t e ignent communement 15 a 2 0 m d e h au t eu r

p o u r

5

i

2 0 m d e l a rg eu r o u

8

h

12 m d e h au t eu r p o u r 3 0

a

40

m d e l a rg eu r .

U n e t en d an ce q u i s e d ev e l o p p e d ep u i s l e s d e rn i e r e s d ecen n i e s av ec co m m e

o b jec ti f u n e au g m en t a t i o n co n s i d e rab l e d u d eb i t ev acu e p o u r u n e s u r f ace eg a le d e

la vanne est cel le qui consis te

i

placer l e bord super ie ur de ce l le-c i tres en-desso us

du n iveau norma l de re tenue e t fermer I espace au-de ssus de cet t e vann e par un mu r

ec ran en b e t o n m as s if o u b e t o n a rm e . L a v an n e d e co n t r6 le d ev i en t a l o r s u n e v an n e

en per tu i s avec une e tanche i t e f ron ta le super ieure . Su ivan t le degre d enfonc eme nt

de l oritice p ar ra pport

h

la hauteur totale de la chute on trouve ainsi toutes les situa-

t ions intermediaires entre I evacuateur d e surface propr eme nt di t qui est consi-

dere dans ce chapi tre 3 et I evacuateur de dem i-fond ou d e fond t rai te a u chap i t re 4

L a co n cen t r a t i o n d u d eb i t s u r u n e l a rg eu r r ed u i te p eu t ap p o r t e r u n e eco n o rn i e

sur l es s t ructures de gen ie c iv i l ; ce t t e concent ra t ion es t par t i cu l ierement in teressan te

da ns l es vall ees e t ro i t es ou d ans l e cas de fo ndat ion s d i f fi c i les . L au t re a van tag e

s o u v en t d ec is if d u n ev acu a t eu r en ch a rg e e s t u n e s o u p l e s s e p l u s g ran d e d an s

l exp lo i t a t ion de l a re tenue.

I1

permet d abai sser p lus rap idem ent l e n iveau du

reservoir s i un creux prevent i f est juge necessaire av ant I arrivee d une cru e gr2ce

la poss ib il i te d evacuer des deb i t s impor tan t s pour d es n iveaux in fer i eurs au n iveau

n o rm a l .

Les vannes segm ents son t hab i tuel l ement p referees po ur l e reglage du deb i t des

evacuateurs en per tu i s , sauf pour l es ouvrages de fa ib le capaci t e Q < 100 m3 /s ) .

L absence de ra inures l a tera les e t la reduct ion de l e f fort d e manceuvre l eur conferen t

u n av an t ag e i n d i scu t ab le s u r t o u t au t r e t y p e d e v an n e . Cep en d an t , le s ev acu a teu r s

en per tu i s do nt l e deb i t est con t r6 le pa r des vannes p la tes (vannes

i

roues f ixes pou r

les charges faibles a moyennes) ne s on t pas excep t ionnel s . Leur cho ix es t d ic te par

la conf igura t ion d es ouvrages por teurs en beton

b a r r ag e -v o d t e d e K u -K u an (T a i w an) 4 v a n ne s d e

9

m

x

6,6 m sous 35 m

de charge cont re l e parement aval (cy l indre ver t i ca l ) du barrage (Fig . 2 ) ;

b a r r ag e d e M o r ro w -P o i n t (U SA ) (F i g .

3 ) ;

b a r r ag e-v o d te d e O u y an g h a i (Ch i n e ) v an n es d e 7 m

x 11 5 m .

Les d imens ions des vannes segments de surface ou en per tu i s son t l imi tees

actuel l ement par l a fo rce un i t a i re ii laquel le peuvent resis ter les pal iers de rotat ion.

Les plus recentes real isat ions depassent 20

M N

I ) par pa l i er . Au barrage d l t a ipu

(1 ) I

M N M e g a n e w t o n

10

N



forced-concre te shut te r s tha t were ma de 35 years ag o were never repea ted. Var ious

types of wate r -opera ted automat ic ga tes wi th counte rweights have been deve loped.

Vertical lift gate s can b e of very la rge s ize. They a re near ly a lways f ixed-whee l

types , the S toney o r f ree - rol le r ga te now be ing very ra re , except fo r very la rge ga tes

ope r a ti ng un de r h igh he a ds a s use d i n subm e r ge d spi llw a ys . T he r e ma y be o ne o r

more ga te leaves , wi th or wi thout f lap s a t the top. They have the d isadva ntages of

requi r ing subs tant ia l s lo ts , heavy l i f t ing plant and cos t ly , unappea l ing supers t ruc-

tures.

Radial gates are the most f requent ly used for cont rol l ing discharge f rom la rge

sur face spi l lways becau se of the i r s imple cons t ruc t ion, the mod est force requi red to

opera te them a nd the absen ce of s lo ts a t the s ide . They may be as la rge as 15-20 m

high by 15-20 m wide, o r

8-

12 m high by 30-40 m wide.

A t rend tha t has been growing over recent decades to obta in a subs tant ia l

increase in discharg e for a g iven ga te a rea cons is t s of se t t ing the to p of th e ga te wel l

be low full supp ly leve l an d surm ount in g i t by a m ass ive re inforced-concre te

wate r- re ta ining wal l . This type of ga te requi res a top sea l . Dep end ing on th e dep th

of the in le t compared to the to ta l head, th i s a r rangement covers the whole gamut

f rom the sur face spi l lways discussed in chapte r 3 to the high-h ead an d bot tom out le t s

in c hap ter 4.

The concent ra t ion of the f low over a smal l width can lead to savings on

s t ruc tural cos ts an d i t is par t icula r ly useful in na r row va l leys or where fou nd a t io n

condi t ions a re unfavourable . Another of ten dec is ive advantage for a h igh-head

spil lway is the greater f lexibil i ty i t offers for reservoir management. The reservoir

can be quickly drawn down prepara tory to a f lood because of the high discharge

capacity at levels below full supply level .

Radia l ga tes a re usua l ly pre fe r red fo r cont rol l ing o r i f ice -type spi l lways except

for smal l ones o f less than 100 m 7/s capac i ty . The absenc e of s ide s lo ts an d th e

minimal force requi red for opera t ing the ga te give an undisputed advantage over

other types . However , ver t ica l -l i ft ga tes f ixed-whee l ga tes for low to mo dera te

heads) a re not unusu a l for submerg ed out le t s a t sui table concre te dams. E xam ples

are Morrow Point dam, U S A F ig . 3 ) , K u K ua n a r c h da m in T a iw a n , w i th f ou r

9

x

6.6 m f ixed-whee l ga tes on the cyl indrica l down st ream face F ig . 2) an d

Ouyangha i da m Ch ina) with f ive

7 x 11.5 m f ixed-wheel gates.

Radia l ga te s ize for sur face an d or i f ice appl ica t ion s i s cur rently l imi ted by the

strength of the trun nio n bearings. T he latest gates are designed for more t han 20

M N

1 )

I )

M N Meganewton

10 N .



(Bresil), il y a 14 vannes segments de 20 m de largeur et 21,34 m de hauteur qui

exercent une poussee de 22,7

N

sur chaque palier (Fig. 4). Pour les grandes vannes

sous forte charge la solution du probleme est generalement obtenue par une

multiplication des paliers distribues sur une poutre massive en beton arme ou

precontraint encastree dans les murs lateraux

a

I aval de la passe.

La reprise des forces dans ces murs et leur application

a

la face amont des

masses de beton equilibrantes se fait de plus en plus a l aide de barres ou cdbles

pretendus. Ce choix reduit considerablement la quantit e d acier passif (barres

normales pour beton arme ou charpente metallique) a placer dans les murs lateraux.

Le risque de coincement d es vannes d evacuateur en pays sismique semble

maintenant largement reduit. Pour contrecarrer les deplacements differentiels des

structures porteuses , il parait souhaitab le de placer les vannes a l interieur de cadres

monolithiques rigides. Cet te disposition exclut la presence de joints de contraction

dans le seuil sous la vanne et dans les poutres, murs ou passerelles au-dessus. Du

fait que les dimensions des plots ne peuvent exceder 15

a

20 m dans les sens

amont-aval et transversal a cause des problemes de retrait et de deformation

thermique du beton, une telle disposition conduit a choisir un plus grand nombre

de vannes moyennes plut6t qu un nombre moindre de grandes vannes. Ceci aussi

diminue les risques dans le cas de coincement de I une des vannes en position

fermee. I est prudent d installer des groupes electrogenes de secours a proximite des

vannes si la probabilite d une panne de secteur n est pas negligeable.

Les vannes segments de surface sont couramment actionnees par des treuils a

cdble ou

a

chaine ayant leur point d attache sur le tablier (disposition la plus

frequente) ou sur les bras a I aval du tablier . Les cdbles ou chaines places dans l eau

a I amont sur le tablier sont de moins en moins utilises

a

cause du risque de

corrosion, de gel et de coincement par les corps flottants. Ces csbles ou chaines

doivent, en tout etat de cause, Etre constitues de materiaux qui resistent a la

corrosion.

Pour les vannes segments en pertuis, on prefere generalement un verin hy-

draulique, lequel peut contribuer a I effort de fermeture et s opposer a des vibrations

eventuelles en cas d ouverture partielle. Des vannes segments a deux verins synchro-

nises en deplacement ont aussi ete realises, tant pour des pertuis de fond ou

demi-fond que pour des evacuateurs de surface (vannes d Itaipu , Cedillo, Agua

Vermelha).

La revanche du bord superieur des vannes de surface au-dessus du niveau

normal de retenue est generalement faible (quelques decimetres). I1 ne semble pas

qu il y ait de critere bien etabli a cet egard. Un deversement occasionnel avec lame

de faible epaisseur par dessus une vanne qui n a pas ete conque pour Etre submergee

est tolCrable. Si la submersion est une rkgle normale d exploitation, la vanne doit

Ctre conque de maniere a ne pas vibrer et resister aux impacts (corps flottants,

fluctuations de pression dynamiques). Les vannes plates

a

deux corps, les clapets

et les hausses mobiles sont alors les types d equipement les plus appropries .

Le risque d obstruction par des corps flottants est rarement present dans les

evacuateurs

a

cause de la grande dimension des sections d ecoulement [57] S il existe

(petits ouvrages, evacuateurs souter rains en pays boises), I installation d une drome

flottante a I amont de I entonnement n est qu un palliatif incertain. Si la crue est

susceptible d apporte r une quantite considerable de corps flottants volumineux il

vaut mieux surdimensionner les sections d ecoulement.



per bear ing . l ta ip u da m in Brazil has 14 rad ia l gates, 20 m wide a nd 21 .34 m high ,

applying a load of 22.7

M N

to each trunn ion Fig. 4). With large gates unde r very

high heads , th e pro blem is generally overcom e by having a ser ies of bear ings o n a

massive re inforced-concrete o r pres t ressed-concrete beam, se t in to the t ra in ing wal ls

downs tream of the opening .

The forces appl ied to these beams are increas ingly being t rans fer red to the

concrete on the ups t ream s ide of the gate by me ans of pre tens ioned bars o r steel

cable . This great ly reduces the amount of normal re inforcement bar or s t ructura l

s teelwork required in the training walls .

There no w se ems to be m uch less r isk of sp il lway gates jamming in se ismic

areas. To guard agains t d i f feren tia l d isp lacements in the load-bear ing s t ructure , the

gates may be se t ins ide very s t i f f , one-p iece f rames . This makes i t imposs ib le to

provide contract ion jo in ts in the s i l l under the ga te an d in the beam s , water - re ta in ing

wal ls or br idges above them, so that the s t ructura l b locks mus t no t measure more

than 15-20 m f ro m f ront to back or crossways to avoid problem s wi th concrete

shr inkage and temperature movement . The net resu l t i s tha t there mus t be a larger

number of m oderate ly s ized gates ra the r than a few very large ones . This a lso reduces

r isks in the event on e o f the gates jams in the c losed pos i t ion . Sta ndby d iesel -e lec tr ic

generators should be provided if power failures are l ikely.

Radia l gates for sur face sp i l lways are usually o pera ted by wire- rope or chain

winches usual ly a t tach ed to the leaf or to the arms behind the leaf . Ropes an d chain s

at tached to the water face of the leaf are being used less of ten because of the d ang er

of cor ros ion and danger of f loat ing debr is becoming jammed, but are acceptable

pract ice provided s ta in less s tee l o r o the r cor ros ion-res is tan t mater ia ls are used .

Hydraulic cylinder hois ts are generally preferred for orif ice-type radial gates

in that they can apply downpressure on c losure and help to contro l v ibra t ions a t

par t ia l openings . Radia l gates opera ted by two servomotors wi th synchronized

movements have a lso been bui lt for submerged an d sur face appl ica t ions I ta ipu ,

Cedillo, Agu a V ermelha).

The top edges of sur face sp il lway gates are usual ly only a few decime tres above

ful l supply level a l though th ere d oes no t seem to b e any se t ru le. So me d ischarge

over the top o f a gate no t speci f ica l ly des igned for th is condi t ion is to lerab le bu t i f

this is to be a norm al o pera ting cond ition, the ga te must be built s o tha t i t will n ot

v ibra te but wi l l res is t the impact of f loat ing debr is and f luctuat ing dynamic

pressures . Ver tical - li ft ga tes faced on both s ides, to p f lap s an d f l ap gates a re bes t

for this duty.

There is usual ly l i tt le dange r of t imber jamming in sp i llways because of thei r

large size 1571 Smaller s t ructures and or i f ice sp i l lways in heavi ly wooded country

may need a t rash b oom in f ront of the in takes a l thou gh there is no real assuran ce

of successfull p rotection . I t is better t o provid e w ider outle ts if r iver f loo ds are l iable

to bring dow n large am oun ts of debr is .



A A

Fig.

~v ac ua teu r u barrage de Karun (Iran)

Sp i l lw a~ f Karun dam Iran) .

A) Crete des murs centraux

B) Crete des murs lateraux.

(C) annes segments

5

x

21,28 m2.

(D)

Cuilleres courbes.

E)

Niveau maxima l I'aval.

(F) Cote normale de retenue.

A ) Top of

intermediate wall.

B )

Top

of

end wall.

C )

Tainter gates

I 21.28 m2.

D )

Curved buckets.

El

Ma.ximum tailwater.

F )

Normal water level elev.



Fig. 2

~vacuateur u barrage de Ku-Kuan (Taiwan)

Ku-Kua n dam spillway Taiwan).

(I) 4 pertuis de 6 6 x

9.3

rn2 contrBles par des

1) 4 orifices 6.6 9.3

m 2

each controlled b j

vannes wagon. fixed-whee l flat gates.

2) Nappe deversante libre en cr te.

2) Ove r crest free jet.

3) Jets a ecoulernent libre

a

travers les pertuis.

3) Free jets through orifices.

(4) Jets en charge sous la cote 952.

4) Pressure jets under reservoir at El. 952.

5)

Tapis initial.

5) Original apron.

6) Tapis supplementaire.

6) Additional apron.



SECTION

B B

SECTION

A A

t leva t ions e l coup es t r ans ver s a les des per tu i s d evacua t ion

d u b a r r a g e d e M o r r c ~ w o i nt ( t t ; ~ t \ - l l n i s ) .

1 )

lev t ti on

a m o n t d e p e rt u is d k v ac u at io n

1 ) (l, t~.~rr~crtrl

/ C I . N I ~ O I I

spi l / \ 'u~,J ~ I / ; ( . P S.58

4 58

x 4 58 m 2 .

x

4.58

7

2.

Debit total 130 m i / \ .

lbt ul c.upuci0. 130 mJ/ . s .

(2) C ou pe t rans ver s a le du per tu i s ex tc r i eur .

2) Scc,tiorr throug h out.sit1e ori/;c.e

3)

C ou pe t r ans vers a le du pe r tu i s in td r i eur .

3) Sc>c./iotr hro rr~ h tlsidr~orrfic,c,.



B

9 P

i0 lpm

Fig.

4

Barrage d Itaipu (Brtsil) ~v ac ua te ur t vannes de l evacuateur (voir photo page

46).

Ifaip u darn Brazil) piliway and spillway gates see photograph, page 46).

A.

Vue en plan.

1 ) Coursier gauche.

(2)

Mur de separation.

(3) Coursier central.

4) Coursier droit.

B. Coupe longitudinale.

5 )

Tunnel routier.

(6) Rainures d aeration.

A.

Plan view.

I ) Left chute.

2) Dividing wall.

3) Central chute.

4) Righr chute.

B.

Longitudinal profi:le

5) Road tunnel.

6) Air slots.



C. Vannes de l evacuateur

C. Spillway gates

( I ) Axe du seui l .

(2) Salle de commande.

3 )

Plate-form e d acces a I articulation du

servomoteur .

4) Bloc d ancrage des appu is de la vanne .

(5)

Palier de l axe des appuis de la va nne.

(6) Vanne segment .

7) Servomoteur .

(8) Galer ie pour c lbles e t tuyauter ies .

(9) Batardeaux.

(10) Port ique de manutent ion des batardeaux

I)

Weir ax is .

2) Control room.

3)

Access plafjorm to servomotor articulation.

4 ) Trunnion girder.

5) Trunnion thrust block.

6) Tainter gate.

7)

Servomotor.

8)

Cab le and hydraulic pipe gallery.

9) Stoplogs.

10)

Gan try crane for lifting stoplogs.



3 5 OURSIERS

Les coursiers sont necessaires pour conduire le flot deverse jusqu au point de

restitution I aval du barrage. Leur longueur et leur configuration sont dictees au

premier chef par le type de barrage et les formes topographiques.

Les barrages en beton offrent la possibilite interessante de fournir une structure

porteuse tant pour le seuil que pour le coursier, mais il peut y avoir des contre-

indicat ions leur utilisation debit evacuer trop eleve pour la largeur du barrage,

place disponib le occupee par d autres ouvrages, difficulte d assurer sans risque

grave la dissipation de I energie au pied m?me du barrage. Dans la negative la

combinaison de I evacuateur et du barrage est generalement la solution la plus

economique. Elle permet en outre assez souvent de bien orienter le flot deverse

suivant l axe de la vallee principale et d e reduire ainsi les erosions de rive et de

versant I aval de la section de restitution.

Avec les seuils deversants associes aux barrages en beton, les coursiers sont

generalement I air libre. Un court tronqon en charge existe parfois I amont dans

le cas d entonnements en charge contrciles par des vannes en pertuis. Les coursiers

faisant suite des seuils adjacents au barrage ou separes de celui-ci presentent une

grande variete de configurations totalite ou parties l air libre, totalite ou parties

en souterrain. La morphologie des versants, les conditions geologiques et la configu-

ration de la vallee I aval sont des facteurs de choix determinants.

Le coursier est pratiquement inexistant dans le cas d un seuil deversant installe

dans la partie centrale du couronnement d une voGte mince. I1 s agit alors, soit d un e

nappe tombant Iibrement, soit de pertuis sous faible charge dont les jets ont une

portee reduite. Cette disposition convient pour Ies capacites d evacuation faibles ou

moderees: elle exige une certaine largeur de vallee au pied de l ouvrage et une

profondeur d eau minimale dans la zone d impact, compatible avec la hauteur de

chute et le debit evacuk par metre de largeur. Des dispositifs de fractionnement et

d aeration de la lame sont frequemment utilises pour diminuer la force erosive dans

la zone d impact. Pour @tre fficaces, ces disposi tifs doivent Otre places da ns un

ecoulement de vitesse superieure 10 m/s et avoir des dimensions du meme ordre

que I kpaisseur de la lame, ce qui conduit parfois accompagner celle-ci avec un

coursier en beton sur une denivelke de

5

1 m [EZ~]

Dans le cas ou le seuil dkversant occupe une grande partie du couronnement

d une voGte mince, on est souvent conduit

disposer plusieurs becs de fraction-

nement sur le seuil pour eviter la mise en vibration de la nappe tibre deversante aux

debits relativement faibles, ce qui pourrait presenter un certain risque pour la bonne

tenue de la voGte. Ce fut le cas aux barrages de Zaouia N Ourbaz au Maroc,

Hautefage et Moulin Ribou en France 1791

Les evacuateurs de surface places sur un ouvrage en beton massif et ceux

install is dans les rives, soit I air libre, soit en souterrain, comportent un chenal de

longueur significative dans lequel se produit une accelkration plus ou moins rapide

de I Ccoulement.



3 5

CHUTES

T he c h u t e dow ns t r e a m f r om th e s il l c onve ys t he w a t e r t o t he po in t o f ou t f a ll

dow ns t re a m of t he da m . I t s l e ng th a nd sh a pe w il l be d i c t a t e d ma in ly by d a m type

a nd s i te t opogr a ph y .

Conc r e t e da ms ha ve t he a dva n t a ge o f o f f e r i ng a r e a dy- ma de l oa d- be a r ing

s t ruc ture for the s il l and chute , a l though there may b e obs tac les , eg , insuf f ic ient da m

width fo r the req ui red disc harge capac i ty , conges t ion, or se r ious ri sks of not be ing

able to diss ipa te the energy c lose to the dam s toe . But com bining th e spi l lway with

the da m is genera l ly the mo st econo mica l a r ran gem ent , an d i t usua l ly keeps th e jet

a l igned wi th the r iver channe l so as to minimize e ros ion of the bank do wns t ream

of the st i l l ing pool.

Chutes for over f low spi l lways on concre te dams usua l ly convey f ree- sur face

f low, a l thoug h there i s somet imes a sh or t pressure tunne l a t the up s t ream e nd w here

the ori f ice - type ga tes a re hou sed. W here the spi l lway i s adjacent to o r separa te f rom

the dam , the ch ute may have a var ie ty of conf igura t ions , whol ly o r par tly in the op en

a nd /o r unde r g r ound . T he de t e r min ing f a c to rs i n t he c ho i c e a r e t he ge o logy , t he

shape of the val ley s lope s an d the conf igura t ion of the dow nst ream watercourse .

Thin a rch d am s wi th over f low sec t ions a t mid-cres t usua l ly have prac t ica l ly no

chute . They may have a f ree - fa l ling nap pe o r a je t und er a very low hea d an d

d i sc ha rg ing on ly a ve ry shor t d i s t a nc e f r om the t oe o f t h e d a m . T h is a r r a nge me nt

i s sui table for smal l and modera te discharge capac i t ies ; i t r equi res a ce r ta in width

of va ll ey a t t he d a m toe a n d som e min imum de p th o f w a t e r i n t he impa c t z one

compat ible with the he ight of f a ll an d discharge per met re width . Ar rangements such

a s sp li tt er s a r e f r e que n t l y ma de f o r b r e a k ing up a n d a e r a t i ng t he na p pe t o r e duc e

i ts e ros ion potent ia l in the im pac t z one . T o be e f fec t ive , such devices m ust be se t

where the f low velocity is greater than

10 m/ s a nd mus t be a bou t a s t h i c k a s t he

nappe , and th is some t imes mean s tha t a sh or t concre te chute i s r equi red for a he ight

of 5-10 m [1231

Where the over f low sec t ion takes up a la rge par t of the c res t of a th in a rch d am ,

it is of ten necessary to a r range spl i t te rs on t he s i ll in o rder to prevent v ibra t ion of

the f ree fa l l ing nappe be ing se t up genera l ly for r e la t ive ly low discharges which

c ou ld a dve rse ly a f f e c t da m . Suc h p r e c a u t i ons ha ve be e n ma de o n Z a ou i a N O ur ba z

d am i n M o r o c co a n d H a u t e fa g e a n d M o u l i n R i b o u d a m s i n F r a n c e

[79]

Sur fa c e sp i llw a ys on ma ss c onc r e t e da ms a nd o n o r i n one o f t he a bu tme n t s

require a channe l of s igni f icant length , where in the f low acce le ra tes .



La disposition

a

I air libre adjacente au barrage sur I une ou l autre rive est

interessante car elle requiert une distance d accompagnement relativement moderee,

mais elle se heurte souvent a de serieuses difficultes quand le debit a transiter est

important volume excessif d excavation, stabilite de la rive compromise, obliquitk

du flot deversant par rapport

a

I axe general d e la vallee.

Dans le cas d un seuil lateral a I amont du barrage, le coursier comporte une

partie a faible pente disposee en contre-bas du seuil, dans laquelle se produit une

premiere dissipation d energie. L usage prevaut de contr8ler le niveau dans le bassin

d amortissement ainsi constitue a l aide d un deuxieme seuil beaucoup plus etroit

judicieusement cale et place a I origine de la partie la plus pentee du coursier

(evacuateur du barrage de Youssef Ben Tachfine au Maroc, Fig.

5 .

Certaines formes topographiques favorables telles que courbe prononcee de la

vallke, meandre, thalweg d un affluent proche du reservoir, sont mises a profit pour

implanter un coursier de courte longueur. On notera cependant que la restitution

dans un thalweg secondaire est souvent la source de deboires

a

cause du potentiel

d erosion au point d e restitution plus eleve que dans la vallee principale. Des

problemes d environnement peuvent aussi resulter du changement de lit impose au

flot deversant.

En regle generale, les coursiers a I air libre ou souterrains ont un trace rectiligne

car ils sont prevus pour des ecoulements a surface libre torrentiels difficiles

a

inflechir. Lorsque les conditions topographiques le permettent, I ecoulement fluvial

est maintenu depuis le reservoir sur toute la distance necessaire pour imposer le ou

les changements de direction necessaires et la section de contr8le ou section critique

est placke

a

l origine d un coursier rectiligne.

Des coudes a grand rayon d ans I ecoulement torrentiel sont acceptables

r

condition que les ondes de choc produites par la deviation restent contenues dans

le coursier. La deviation de courants en charge est plus aisee, c est pourquoi certains

projets recents comportent

a

l origine de I evacuateur une galerie courbe sous faible

charge avec orifice de contr8le

a

son extremite aval, juste

a

l origine du coursier

rectiligne.

Lorsqu on doit realiser un ecoulement courbe en regime torrentiel, il est

indispensable d effectuer des essais sur modkle reduit pour tous les debits possibles.

Non seulement la disposition des ondes de choc est susceptible de varier, mais, pour

toute la gamme des debits differents de celui pour lequel l ecoulement a ete calcule,

l peut se produire

a

I aval des ecoulements dissymetriques et tortueux provoquant

de grandes perturbations dans le fonctionnement de la cuillere et eventuellement du

bassin de dissipation.

Dans le cas des coursiers relativement longs, une diminution progressive de

largeur ajustee a I acceleration de I ecoulement est susceptible de procurer une

certaine economie sur les quantites d ouvrages. Cette diminution est la cause, comme

les piles et les coudes en plan, d ondes de choc. Pour les ouvrages importants ,

i l

est

prudent de determiner sur modele reduit la hauteur de ces ondes et leur influence

sur la repartition transversale d u debit a la jonction coursier-ouvrage de restitution,

ce qui permet d optimiser la configuration.

I inverse, I elargissement progressif du coursier est parfois realist. pour reduire

le debit par unite de largeur a I aval, diminuer la profondeur d eau et les risques de

cavitat ion et mieux dissiper l energie.



A sur f a c e sp i l lw a y on t he a bu tme n t a d j a c e n t t o t he da m i s a n i n t e r e s t i ng

proposi t ion because of the modera te length of the channe l r equi red. However , for

high discharges , i t of ten encounte r s d i f f icul t ies wi th the amount of excava t ion

requi red, danger to bank s tabi l i ty , and the angle the f low makes wi th the r iver

channe l .

With the s ide -channe l spi l lway, some of the energy i s d i ss ipa ted in the gent ly

s loping to p end o f the chute u nde r the s i ll . It is com mo n prac t i se to cont rol the level

in th i s f ir s t s ti l ling bas in by means of a seco nd, muc h n ar rower s i ll or s ide

cont rac t ions whose he ight i s ca re ful ly ca lcula ted, marking the s ta r t of the s teeper

par t of the chute spi l lway a t Youssef Ben Tachf ine dam, Mo rocco, F ig . 5).

U nde r f a vour a b l e c ond i ti ons w he r e t he va ll ey ma ke s a sha r p be nd o r t he r e i s

a t ributa ry va l ley n ear the rese rvoir , th i s f ea ture can be ma de use of to keep th e chute

shor t. I t must however b e recognized tha t d i scharging in to a seco ndary va l ley of ten

causes t rouble because of the grea te r e ros ion potent ia l a t the out fa l l than in the m ain

val ley, and en vi ronm enta l problem s may be caused by discharging la rge volumes of

water into a previously near-dry valley.

As a genera l ru le , chutes and out le t tunne ls a re s t r a ight because they a re

des igned fo r super -c ri t ica l f r ee -sur face f low tha t i s d i f f icul t to turn . Idea l ly , sub-

cr i t ica l f low is enforced where there a re changes in di rec t ion wi th the cont rol or

c r it ica l sec t ion a t the to p of a s t r a ight chute .

Large- radius bends a re acceptable in super -c r i t ica l f low provided tha t the

resul t ing shockwaves a re conta ined wi thin the chute . I t i s eas ie r to turn pressure

f low, which i s why some recent des igns have a curved pressure tunne l a t the

upst ream e nd of the spi l lway where the h ead i s smal l , with a cont rol or i f ice a t i ts

downst ream end where th e s t ra ight chute s ta r ts .

Where turning of super -c r i tica l flow mus t be ado pted , mode l tes t ing for the ful l

range of f lows is necessary. Not only is the shock wave pattern l ikely to vary, but

for a ll f lows othe r than the on e for which the ben d i s des igned , there may be

asymmetry and /o r s inuousi ty downst ream caus ing a widely varying per formance of

a

bucke t or f l ipper an d poss ibly of a s t i l ling bas in .

I f the chute i s r e la t ive ly long, a gradu a l r educ t ion in width co mm ensura te wi th

the acce lera tion of the f low can prod uce so me savings on cos t . But l ike pie rs an d

horizonta l curves , i t may prod uce s tanding waves . At la rge dam s i t is wise to run

sca le model tes ts to d e te rmine th e he ights of these waves an d the i r inf luence on the

t ransverse dis t r ibut io n of f low a t th e point of junc t ion be tween th e chute a nd th e

termina l s t ruc ture an d to opt im ize the con f igura t ion.

The chute may a l te rna tive ly widen gradua l ly to reduce the f low per u ni t width

downst ream, reduce the depth of wate r and cavi ta t ion damage r i sk , and improve

energy dissipation.



Fig.

5

Barrage de Youssef Ben Tachfine Maroc) ~v ac ua te ur e surface

Youssef Ben Tachfine dam Morocco ) urface spillway.

1) Profil longitudinal.

I) Longitudinal profile.

2) Pont routier.

2)

Road bridge.

3 )

Premier seuil de contr6le.

3)

First controlling sill.

4)

Second seuil de contr6 le.

4 )

Second controlling sill.

5)

Sortie de la vidange de fond et de

la

galerie

5)

Bottom outlet and outlet of diversion tunnel.

de derivation.

6)

Cuillere deflectrice.

7 )

Vue en plan.

6) Deflector bucket.

7 )

Plan view.



Fig. 6

Bar rage de La Grand e 2 ( Ca n a d a ) ~ v a c u a t e u r

La Grande 2 da m Ca nada) pillway.

A) Vue en plan.

Plan view.

(1) Ca nal d entonn emen t.

2) ~ v a c u a t e u r .

3)

Bassin de dissipation amont.

4)

Marches du coursier non revetu.

(5)

Barrage principal.

(6)

Digue submergee.

(7)

Profil du terrain naturel.

(B) Profil longitudinal.

Longitudinal profile.

I )

Approach channel.

2) Spillway.

3) Upstream stil l ing basin.

4) Steps of the unlined chute

5)

Main dam.

6)

Submerged d ike .

7)

Natural ground profile.

C)

Coupe longitudinale du bassin de dissipation amont.

Profile of the upstream stilling basin.

(1)

Tour de comm ande des vannes.

2)

Rainures des poutrelles.

3)

Pont de service.

4) Vanne wagon.

5) Murs guideaux.

1) Gate operating tower.

2) Stoplog slots.

3) Service bridge.

4) Fixed wheel gate.

5)

Guiding walls.



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I

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,,

:;i1 1 .: . I I\ : l l , < b < ' ~ ~

[ iv , ,lcu l teur

i

crue [

1

13(1 InJ, s).



Les coursiers souterrains conviennent aux vallees etroites dont les versants

s'elevent considerablement au-dessus de la crCte du barrage. Leur construction est

independante de celle des autres ouvrages de l'amenagement, ce qui est appreciable

quand la place est mesuree. Leur profil longitudinal presente differentes configu-

rations, lesquelles dependent

de la reutilisation, qui est faite ou non, des galeries de derivation provisoire;

des formes d'entonnement adoptees (seuil frontal ou lateral, corolle circu-

laire ou semi-circulaire, etc.);

des conditions geologiques.

I1 y a en general une partie verticale ou for tement inclinee a l'amont pour la

mise en vitesse. Dans la mesure du possible cette premiere denivelke est limitee

a

60 m afin de diminuer les risques de cavitation (cf. chap. 5 dans la partie suivante

du tunnel,

a

laquelle on d onne la pente juste necessaire pour le maintien de la vitesse

d'ecoulement

[s2].

Pour diminuer le volume des excavations, la mise en charge de la partie amont de ces

coursiers souterrains est parfois acceptee

a

partir d'un certain debit, la section de contr6le

passant ainsi du seuil d'entree

a

I'orifice terminal de ' la partie en charge. Cette

disposition pose le probleme deja signale de I'elimination des poches d'air empri-

sonnk. Elle presente par ailleurs I'inconvknient de limiter la surcapacite de l'eva-

cuateur puisque le debit augmente peu si le niveau d e la retenue continue de monter.

Dans ce cas, la valeur de I'hydrogramme de la crue de projet doit tre ndiscuta-

blement etablie, plus particulierement si le barrage est un remblai. L'extension de

la mise en charge vers I'aval au-dela des voiles d'injection et de drainage du barrage

n'est tolerable, dans certaines limites, que dans le cas d'un rocher exceptionnelle-

ment etanche et resistant et d'une distance confortable entre tunnel et versant. I1 est

genkralement preferable de I'eviter.

Les coursiers en galerie, avec ecoulement a surface libre pour tous les debits

posent un probleme daeration. La turbulence est la cause d'un entrainement d'air

sous forme de bulles disseminees dans le courant d'eau. La section d'air conservee

au-dessus de la section mouillee pour se premunir contre une mise en charge

intempestive represente communement

20

a 35 de la section totale de la galerie,

la section mouillee etant determinee dans l'hypothese d'une eau desaeree.

Si

I'ecoulement est

a

surface libre sur toute la longueur et si I'ouvrage est court, un debit

d'air s'etablit ainsi naturellement au-dessus au debit d'eau. Dans le cas d'une partie

en charge

a

l'amont le renouvellement de I'air en traine se fait uniquement par I'aval,

a

contre-courant. Si l'ouvrage est long et les vitesses elevees, les

20 a 35

cites

ci-dessus peuvent s'avtrer insuffisants, un reniflard qui debouche dans la section

terminale de la partie en charge est alors incorpore au projet. Les mesures sur

modeles reduits, I'analyse theorique et les verifications sur de nombreux prototypes

ont permis d'etablir les relations debit d'air/debit d'eau pour differentes condi tions

d'ecoulement. Ces relations fournissent le moyen d'evaluer les dimensions du

reniflard [50

82 83, 1371

La formation d'un ressaut dans la partie subhorizontale du coursier d'un

evacuateur souterrain est en regle generale evitee, le facteur determinant

a

cet egard

etant le calage de cette partie subhorizontale par rapport aux niveaux dans le lit

nature1 a la sortie. Cependant, le ressaut hydraulique en galerie suivi d'une legere

mise en charge a ete prkconise recemment comme moyen de dissipation de I'energie

(vidanges de fond de I'amenagement de Souapiti sur le Konkoure en Guinee). La



Discharge tun ne ls a re sui table for nar row va l leys r is ing well ab ove the d am crest

be c a use t he c ons t r uc t i on a r e a i s ke p t s e pa r a t e f r om the ma in w or ks , a subs t a n t i al

advan tage a t conges ted s i tes . Th e longi tudina l p rof i les of out le t tunne ls a re a f fec ted

by whether or not they were or igina l ly tunne ls for r iver d ivers ion dur ing const ruc-

t ion, by the in le t sha pe f ronta l o r s ide- inle t s il l, c i r cula r or semi-c i rcula r s il l, e tc . ),

projec t purpose an d geology. The u ps t ream end i s usua l ly vert ical or s teeply s lopin g

to a c c el e ra t e t he f l ow ; e ve ry e f f o rt i s ma de t o ke e p t h i s d r op t o no t mor e t ha n

60

metres to cont ro l the cavi ta t ion ri sk Ch apte r 5 a long t he r e ma inde r o f t he t unne l ,

w he r e t he g r a d i e n t is ju s t s t e e p e noug h t o ke e p t he w a t e r f low ing [52].

In order to minim ize excava t ion, it is somet imes accepted tha t beyond a ce r ta in

discharge , the ups t ream end of the tunne l may run ful l , the cont rol sec t ion then

becomes the or i f ice a t the en d of th e pressure sec t ion ins tea d of the in le t s i l l. This

a r ra nge me nt i nvo lve s t he p r ob l e m of e n t r a ppe d a i r poc ke ts a l r e a dy me n t ione d a n d

a lso has the disadvantage tha t l i t t l e ext ra emergency capac i ty i s ava i lable , s ince

discharge wi l l not grea t ly increase as the headwater leve l r i ses . There must be

absolute conf iden ce in the des ign f lood hyd rograph there fore , espec ial ly i f the d am

is an embankment s t ruc ture . I t i s only a l lowable for the pressure sec t ion to extend

dow ns t r e a m of t he g r ou t a nd d r a ina ge c u r t a ins unde r t he da m i f t he r oc k i s

except iona l ly wate r t ight and competent and i f there i s a comfor table rock cover

above and to the s ides of the tunne l . But i t should genera l ly be avoided.

Out le t tunne ls running par t ia l ly ful l a lways ra i se a problem of

aeration

at al l

d i scharges . Turbulence i s the cause of a i r ent ra inment in the form of bubbles

scat te red throug hout the f low. I t i s com mo n prac t ice to leave 20-35 of t he t unne l

a rea empty above the wate r l ine as suf f ic ient margin aga ins t pressure f low, the

discharge a rea be ing ca lcula ted wi thout a l lowance for a i r ent ra inment .

I f

f ree-

sur face f low extends the whole length of a shor t tunne l there wi l l be a na tura l

draught abov e the wate r sur face . But i f the tunn e l runs ful l a t the ups t re am e nd, the

a i r ent ra ined by the wate r can only be replaced f rom the downst ream end, f lowing

in the opposi te d i rec t ion. Wi th long tunne ls and high f low ve loc i t ies , the usua l

20-35 f ree sec t ion may be inadequa te and a vent wi l l then be provided jus t

dow ns tr ea m f r om the s e c ti on r un ing f u ll . M e a sur e me n t s o n ma ny da ms , l a bor a to r y

research an d theore t ica l ana lys is have p roduc ed equa t io ns re la t ing a i r f low to w ate r

flow for var ious f low condi t ions , providing an or ienta t ion for des ign c r i te r ia for

select ing adequate vent size [50

82 83 1371.

Hydraul ic jump s in the near -hor izonta l par t of tunne l out le t s a re avoided a s a

general rule , the governing factor being the height of this par t with respect to water

levels in the na tu ra l s t r eam a t the o ut fa l l . However , a hydrau l ic jum p in a tun ne l

followed by low-pressure f low was recently proposed as a means of energy dissi-

pat ion for the bot to m out le t s a t the Souapi t i schem e on the Kon koure r iver in

Guinea . The pos i t ion of the change of f low regime i s cont rol led by appropr ia te



l oca l i s a t i on du changem en t de r eg i m e es t a s s u ree pa r des fo rm es geom et r i ques

appro pr iees e t de so l ides pro tections son t prevues pou r fa i re face aux sous-press ions

f luctuantes e t l a cavi ta t ion .

Dan s ce r t a in s cas de cou r s ie r

a

I ai r l ib re , l a geologie par t i cu l ierement favor able

(roche r dur e t mass i f) a permis d e l iminer u ne par t i e d u revEtement (cours ier excave

en m arches d e s cal ie r des am enagem en t s de La Gr an de

2)

(Fig.

6

( B a i e J a m e s a u

C a n a d a ) (121. Ce pe nd an t les zones f i s surees res ten t pro tegees . C es so lu t ions necess i-

ten t un e e tude t res a t t en t ive , I eros ion regress ive d u che nal

a

l a faveur de d i scont inui -

tes geologiques pouvant e t re t res rap ide (Ricobayo en Espagne ~421) .

Lorsque les vi tesses sur les coursiers deviennent elevees, 30 m / s e t davan t age ,

le phen ome ne qui es t l a cause d e ser ieuses d if f icu ltes es t ce lu i de l a cavi ta t ion , tou t

pa r t icu l i erem en t d ans le cas l e p lus f requent des ecoulements

a

s u r face l ib re. C e

pheno m en e e t l e s m oyens ac t ue l s pou r l e p reven ir e t l e com ba t t r e s on t l ob je t du

chap i t r e 5 ci -apres .

3 6

OUVRA GE S DE RE S T IT UT ION AVAL DIS S IPAT ION DE

L ENERGIE

3 6 1

Remarque

preliminaire

Le problem e crucia l associe

a

la rest i tut ion du deb it evac ue a riviere est celui

d e l a dissipation de I energie. Avant l a cons t ruct ion du barrage, cet te energ ie e ta i t

d i s si pee l i nea i r em en t pa r f ro t t em en t e t t u rbu l ence au p r i x d une e ro s ion r epa r t i e s u r

toute l a d i s tance du co urs pr incipal e t des af f luents noyes pa r l a re tenue. La presence

du ba r rage ob l ige ce t t e ene rg ie a se d i ss iper en maje ure par t i e en un p oin t s ingul ier

ou se concen t re l a force eros ive la rest i tu t ion d e I evacuateur d an s le li t naturel .

A l o r s que l a l i tt e r a tu re t echn i que f a i t e t a t d un nom bre c ro i ss an t de g rands

evacuateurs presentes comme des reuss i tes de concept ion e t de real i sa t ion , l e b i lan

des performances sa t i s fa i santes s igni f icat ives res te maigre car l a p lupar t de ces

ouvrages n ont fonct io nne d epuis l eur mise en serv ice qu avec des debi t s t res

infer ieurs ii l eu r capac i t e de p ro j e t e t pendan t peu de t em ps . Les p recedent s , m o i ns

nom breux , de fonc t i onnem en t p ro l onge

a

deb i t e l eve , com m e Tarbe l a [87] (Fig. 7),

s on t p a r con t r e ca rac t e r is e s pa r l occu r rence f r equen t e d e s e r i eux ennu i s . C ec i

i nd i que que l e p rob l em e d e l a d i ss i pa ti on d e I ene rg ie hyd rau l i que , en deho r s du cas

d e por tee l imi tee ou cet te energ ie es t t ransformee en energ ie e lect r ique, est encor e

imparfai tement mai t r i se . L exis tence d un nom bre cro i ssant de barrages , l a t end anc e

a l es cons t ru ir e p l u s hau t s e t s u r des cou r s d eau ayan t de s appo r t s i m po r t an t s e t

i r regul iers , sont de ser ieux mot i fs d e preocc upat ion pou r l es generat ions presentes

et a venir.

La d i ss ipat ion d e I energ ie du f lo t evacue se fa it p resq ue toujour s pa r ra len-

t i s sement bru ta l d e l a v itesse e t change men t corrkla t if d u reg ime d ecoulement de

torrent ie l f luvia l . Suivant l a conf ig urat ion don nee r I ouvrage de rest i tut ion le

phenom e ne s e p rodu i t de deux f aqons

a da ns une premiere c onf igu rat ion , I ecoulement torrent ie l es t canal ise sur

t ou t e s a l ongueu r e t l e changem en t de r eg i m e es t con f i ne dans une s t ruc t u re

artificielle, le bassin a ressaut, dont l es caracter i s t iques geomet r iques sont determi-

nees pa r l e calcu l e t I exper imentat ion;



geometry , an d am ple protec t ion i s provided aga ins t f luc tua t ing upl i f t pressures and

cavitat ion.

In somes cases , par t icula r ly favorable geology hard, unjointed rock) has made

it possible to leave par t of the chu te unlined excava ted as a ser ies of steps at La

Grande 2 Fig. 6), James Bay) [12]; protection is st i l l required over f issured zones.

Such des igns requi re very care ful s tudy, as r e t rogress ive e ros ion of th e chan ne l can

s ta rt a t the discont inui t ies an d progress very rapidly Ricob ayo dam in Spa in [42] .

At high chute velocities

30

m/s a nd mor e ) , t he mos t s e r i ous p r ob l e m i s

cavitat ion d amag e , espec ial ly wi th the normal type of f ree - sur face f low. Cavi ta t ion

a nd mod e r n me thods o f p r e ve n ti ng a n d c omba t ing i t a r e de a l t w i th i n C ha p t e r 5 .

3 6 TER MIN A L STR U C TU R ES A N D EN ER G Y D ISSIP A TIO N

3 6 1 Preamb le

The c ruc ia l i ssue a t the point where spi l lway discharge re turns to the r iver

channel is

energy di.s.sipation.

U nd e r na tu r a l c ond i t i ons w i thou t t he da m the e ne r gy

of the water was dissipated l inear ly by fr ict ion an d turbulen ce, th e result ing erosion

being spread ou t over the whole reach of the r iver an d i t s tr ibuta r ies subsequent ly

contained wi thin th e rese rvoi r . Once the d am is bui lt , most of th i s energy m ust be

dissipated at a single point where al l the erosion potential is concentrated, ie , the

point where the spil lway returns the water to the r iver .

Al though the l i te ra ture repor t s an increas ing nu mb er of la rge spi l lways c la imed

to be grea t successes in te rms of d es ign a nd const ruc t ion, the ac tua l per form ance

record i s st il l shor t s ince most h ave o nly ope ra ted a t m uch smal le r f lowra tes than

the i r des ign capac i ty , and for very shor t per iods of t ime . The smal le r number of

spi llways tha t can boas t prolonged opera t io n a t h igh f lows l ike Tarbe la 1871 Fig.

7)

have been the so urces of f req uent , se r ious t rouble . This impl ies tha t , except where

the energy of the w ater is converted to electr icity, the pro blem of energy dis sipation

is still not to tal ly u nde r cont rol . T he la rger nu mb er of increas ingly high dam s be ing

buil t on large r ivers with ir regular f lows must be a ser ious concern for present and

future generations.

The energy is a lmos t a lways diss ipa ted by a su dde n s lowing do wn of the f low

and a concomitant c hang e f rom super -c r i t ica l to sub-cr i t ica l condi t ions . The engi -

neer can achieve this in one of two ways

a

The whole dis tance o ver which f low is super -c r i t ica l may be cana l ized, an d

the change confined in an ar t if icial structure, the h~~draul icump basin w hose

geometry i s de te rmined f rom theory and exper iment .



Fig. 7

Barrage de Tarbela (Pakistan) Bassin d amort issement des tunnels 3 et

Tarbela da m Pakistan) ti l l ing basins of tunnels T 3 and T 4.

(A) Vue en plan.

A ) Plan view.

(B) Profil longitudinal.

B )

Longitudinal profile.

(1) 2 vannes segments 4 88 7,32 m 2 ous 136 m

1 )

2 sector gates

4 88 x

7 .32

m 2

under 136 m

de charge maximale. max. head.



Ii;ii-r;~ge

be L ~ r h c l ; ~I b i ~ k i h t ; ~ ~ ~ ) .

L I [ I I I C ~

I , i p l c ~ r i c u v e r l l l r e ; j p re >

r;~nsC~>rm; i t~ot~

d u

hass in

reavau n

deux c n ux avec cu i l l er c

Tarhelo dam IPakisfatr . Tunne l no o mux i munt polow after replacing

the hydmulic ju tn p bnsin y rwo channels with jli huckpts.



b)

da ns la sec on de conf igu ra t ion, I 'ecoulement tor rent ie l es t Igche da ns I ' ai r

r

un e cer ta ine hau teu r au-dessus du niveau dan s le l it na ture1 sous forme d e je ts o u

napp es avec com pos ante hor izonta le de la vitesse plus ou mo ins accentuee . Le

c ha nge m e nt d e na tu r e d e I 'e c ou lem e nt se f ai t da ns un ba ss in a ppe l e . fOsse d amo r-

tissement.

11 arr ive qu e ce bassin se for me natu rellemen t r la faveur des premiers

de ve r se m e nt s e t que son de ve loppe m e nt se r a l e n t i s se su f i sa m m e nt

r

I 'usage, de

fagon i ne pas met t re en cause , dans un de la i r a isonnable , la s tabi l i te d 'ouvrages

vi taux, o u ce l le des r ives au v ois inage d e ces ouvrages .

De plus en plus f requemment , on prefere excaver au prea lable tout ou par t ie

du volume qui se ra i t e rode e t placer avant la mise en service des protec t ions aux

endroi t s qu e I 'e ros ion devra respec ter . Les mater iaux excaves t rouvent par fois un e

ut i li sa tion c om me agrega ts de be ton o u rembla is compactes .

Si le deb it

a

evacuer es t assez pe t i t , la nap pe deversante peut t r e uf fi samment

e ta lee t ransversa lement pour que les disposi t i f s de f rac t ionnement e t d ' aera t ion

m e nt ionne s da ns l a se c t ion 3.5. e paragrap he , soient ple inem ent e ff icaces . Da ns ce

cas la majeure par t ie de I ' energie es t diss ipee par f rot tement de s par ticules d ' eau sur

I 'air et la fosse d'amortissement n'a plus qu'un r6le marginal (cf . section

3.6.3.

nappes deversantes en chute l ibre) .

3 6 2

Bassins

a

ressaut les accidents problemes hydrodynamiques

sous-pressions vibration cavitation abrasion entretien

Ressaut hydraulique

La diss ipa t ion d e I 'energie da ns un bass in r ressaut est a premiere vue une

solut ion t res seduisante . Le phe nom ene es t conf ine dan s un volume res tre int do nt

l 'extension e t la loca l isa t ion son t theor iquem ent bien def inies e t la quan t i te d ' energie

res idue l le

i

la sor t ie d u bass in peut t r ee va luee a ve c une bonn e a ppr ox im a t ion .

C'es t pourquoi le bass in a ressaut a e tC e t res te un su je t de predi lec t ion p our

les hydraul ic iens , leur objec ti f e tan t d e de te rmin er par le ca lcul e t 1 ' expi . rimentat ion

les formes e t les dimensions suscept ibles de conteni r un ressaut ramasse , s table e t

per formant . L 'abondance de la l i t te ra ture technique sur le theme, fa i t que le

proje teu r n 'es t pas e mbar ras se pour t rouv er les regles ou p recedents conv enant

a

son

c a s pa rt i c ul i e r. O n ne s ' et e ndra don c pa s da n s c e doc um e nt s u r I 'a spec t du

d im e ns ionne m e nt pur e m e n t hydr a u l ique d u ba ssin a ressaut . On soul ignera toute-

fois qu e le ressaut es t un phe nom ene capr ic ieux e t que son maint ien

a

I ' endroi t voulu

a I ' in te r ieur d u bass in ou sur la par t ie te rmina le d u cours ie r (cui l le res submergees

de cer ta ins bar rages-poid s deversants) depe nd no n seulement d e la posi t ion re la tive

du niveau ava l mais auss i de modif ica t ions mineures da ns la geometr ie du radier

e t de s p i e dr o i ts . U ne d i sc on t inu i t e a b r u p te da ns l a ge om e t r ie d u

bass in ( par exemple

une marche ver t ica le dans le radier ) qui deve loppe une force considerable

a

contre -courant cont r ibue au maint ien du ressaut r I ' in te r ieur du bass in pour

di f fe rentes cond i t ions de debi t e t de niveau ava l . Des m arges de secur i te substan -

t ie l les doivent Ctre adoptees pou r se prem unir con t re I ' expuls ion acc idente l le du

ressaut

a

I ' exte r ieur de I 'ouvrage , compte tenu, en par t icul ie r , des var ia t ions du

n ive a u a val p r ovoque e s p a r de s e r os ions ou de s de gr a da t ions a I 'aval du bas sin.

A

cet egard, le r isque d'erosion regressive I 'aval d u bassin do it Etre consid ere, car

ce t te eros ion peut produ ire un aba issement s igni f ica t if du n iveau ava l pou r un mEme

debi t . Le remede es t a lors un seui l de cont r6le non erodab le pres de la sor t ie du



h Alte rna t ive ly , the turbulent f low may be thrown up in to the a i r above the

r iver chann e l as a je t or na ppe wi th som e degree of hor izonta l ve loc i ty . The chan ge

in f low condi t ions occurs in the

scour hole

o r

plunge pool

A scour hole i s sui table

if i t forms n a tura l ly wi th the f i r s t spil l ing an d there fore grows s lowly eno ugh so as

not to end ang er the s tabi li ty of v i tal s t ruc tures o r the nearby va lley s lopes ove r a

reasonably long per iod of t ime.

But i t is becomin g m ore f requen t to excava te a l l or par t of the h ole so tha t i t

can be concre te - l ined in places where e ros ion i s not acceptable . I t might a l so form

the quar ry for excava ted rock used for par t of the dam's cons t ruc t ion.

For sma l l de sign d i sc har ge s, t he n a pp e ma y be sp r e a d ou t s i de w a ys t o ma ke

it thin enough for the spli t ters and aerat ion devices descr ibed in section 3.5 to be

fully effect ive. Most of the energy wil l be dissipated by fr ict ion between the ai r and

water, ant the plunge po ol wi ll be of only margina l impor tance ( see Free- fal l ing

nappe in secti on 3.6.3.).

3.6.2. Stillin g basins accidents hydrodynamic problems u plift pressures

vibration cavitation abrasion maintenance

Hydraulic jump

At f i rs t s ight, d i ss ipa t ing the energy in a h ydraul ic jump app ears very a t t r ac t ive .

I t is confined within a l imited volume whose length and location are theoretical ly

wel l def ined, and the remaining energy leaving the bas in can be ca lcula ted qui te

accurate1y.

I t i s for these reason s tha t the hydrau l ic jum p has a lways been a nd remains the

hydraulic engineer' s f avor i te , because the wishes to des ign, by theory an d exp er i -

ment , the bes t shape s and d imensio ns to conta in a s hor t , s table an d e f f ic ient s tandin g

wave . The abundance of l i t e ra ture on th is subjec t means tha t the des igner has no

problem in turning up rules and precedents to sui t h i s own projec t . The ques t ion

of dimen sions is on e of pure h ydraulics a nd will not be consid ered h ere. I t must

however be remarke d tha t the jum p i s capr ic ious an d conf ining i t to the des i red

posit ion ins ide the bas in or a t the e nd of the chu te (as wi th th e rol le r bucke ts o n so me

overf low gravity dams) depends not only on the relat ive tai lwater level but also on

minor changes to the geom etry of the f loo r and t r a ining wall s . A sh arp discont inui ty

in channel shape (eg, a ver t ical step) which generates a large force in the upstream

direc tion he lps to l imi t the poss ible m ovem ent of the jump und er di f fe r ing condi -

t ions . Substant ia l sa fe ty margins m ust be taken to p revent the jump f rom escaping,

especial ly in relat ion to the var iat ion of the tai lwater level as inf luenced by

degradat ion or aggrava t ion dow nst ream of the bas in . D egrada t ion of the topograp hy

downst ream of the dam could lead to eventua l ta i lwate r r ecess ion and a once

satisfactory st i l l ing basin could cease to function properly. Some end si l l f ixture

would prec lude th is . Anoth er a l te rna tive i s to use th e subm erged rol le r bucke t p laced

at a suff icent low level to get on e rol ler forming in the bu cket while an oth er on e is

turning in the opposi te d i rec t ion immedia te ly downst ream of the dam toe . This

a l te rna t ive has been used successful ly many t imes in USA and India , apparent ly



bassin ou le calage suffisamment bas d une cuillere permettant de former un rouleau

sur le beton de cette derniere, alors qu un second rouleau tournant en sens inverse

se developpe l aval immediat. Ce dernier dispositif a ete utilise avec succes aux

USA

et en Inde, apparemment sans dommage mais pour des durees et des debits de

fonctionnement non precises (cf. Indian National Committee on Large Dams

tr

Water Resources Research in India

n

Chapter IX, New-Delhi, 1979).

Cependant , le probleme le plus serieux que pose le bassin ressaut concerne

davantage sa rksistance en t ant qu e structure d e genie civil que son bon fonctionne-

ment hydraulique. Les paragraphes ci-apres exposent un certain nombre de re-

flexions touchant cette resistance.

I1 convient de rappeler au prealable que la dissipat ion de l energie da ns un

bassin ressaut n a pas de solution alternative pratique si les conditions locales

interdisent toute excavation prealable et toute erosion ulterieure dans la zone de

restitution, plus particulierement lorsqu il s agit d ouvrages susceptibles de fonc-

tionner souvent et longtemps.

L experience des dernieres decennies fournit de nombreux exemples d e bassins

a ressaut fortement endommages la suite d une utilisation prolongee avec des

debits proches du maximum. C est le cas par exemple d e I evacuateur du barrage

de Malpasso au Mexique [129 130 131 132](Fig. 8 . Ceux des tun nels d irrigation

du barrage de Tarbela au Pakistan meritent une mention speciale, bien qu ils ne

soient pas associes des evacuateurs de surface, en raison du debit et de la hauteur

de chute considerables (debit maximal de 3 000 m3/s par bassin, chute comprise

entre 90 et 140 m), de leur duree d utilisation (plusieurs mois consecutifs chaque

annee) et, bien entendu, cause du retentissement de leurs malheurs repetes

(1974- 1975-1976).

Le dommage le plus frequemment observe est l arrachement de dalles entieres

du radier, suivi ou non d un creusement du terrain d e fondation (25 m dans le rocher

sous-jacent Tarbela)

[86 881.

Un tel arrachement est la manifestation evidente du

developpement d e sous-pressions elevees sur des surfaces importantes. A ce pheno-

mene prepond erant viennent s en ajouter d autres susceptibles de favoriser I appa-

rition de sous-pressions et d aggraver les dommages cavitation, abrasion, vibration.

Les forces de soulevement sont causees par la transformation intermittente

d energie cinetique en energie de pression au travers d ouvertures eventuelles dans

le radier. Ce mecanisme est particulierement dangereux si le nombre de Froude est

eleve et il est aggrave par la turbulence intense, ou macroturbulence, travers laquelle

se fait la dissipation d energie dans le ressaut. La macroturbulence est caracterisee

en chaque point de I ecoulement,

y

compris les surfaces mouillees en radier et

piedroits, par des fluctuations de pressions rapides et d amplitudes tres variables [22

131 132 151 1541. Les plus fortes atteignent une demi-amplitude voisine de

v2

0,4 ?(V vitesse moyenne de I ecoulement torrentiel a son entree d ans le bassin)

L

et leur periode est de I ordre de la seconde.

L etude statistique des enregistrements de pression fournis par des capteurs

places sur les parois indique une valeur quadratique moyenne des fluctuations

2

dynamiques comprise entre

0,10 et 0 , 1 2 L

2 g



without any damage but for discharges and times which are not known (cf. Indian

National Committee on Large Dams Water Resources Research in India ,

Chapter IX, New-Delhi, 1979).

The most serious problem with the hydraulic jump dissipator however is more

one of structural strength than hydraulic efficiency. The following section discusses

some relevant ideas.

Firstly, there may be no practical alternative to a hydraulic jump if site

conditions make prior excavation or subsequent erosion unacceptable, especially in

the case where the spillway is expected to operate frequently and for long times.

Experience from recent decades gives many examples of stilling basins suffering

serious damage from prolonged flows approaching maximum discharge capacity.

This happened with the spillway at Malpasso dam in Mexico for example [129 130

131, 1321 (Fig.

8 ,

and the irrigation tunnels at Tarbela dam in Pakistan deserve

special mention, even though they had nothing to do with surface spillways, because

of the very high flow and head (maximum discharge 3 000 m3/s per basin, head

between 90 and 140 m), their very long periods of operation (several consecutive

months each year) and of course the publicity given to the frzquent trouble that

occured (1974- 1975-1976).

The most frequent type of damage recorded is completefloor slabs being torn

up which may or may not be followed by erosion of the foundation (this went 25 m

into the underlying rock at Tardela)

[86

881

This is a clear sign of high uplift

pressures under large areas of the floor. Although this is the major factor, others may

favor the appearance of uplift pressures and aggravate the damage : cavitation,

abrasion and vibration.

The uplift pressures tending to lift the slabs are caused by the intermittent

conversion of kinetic energy into pressure energy through any openings there may

be in the channel floor. This mechanism poses a threat especially at high Froude

numbers and is accentuated by intense turbulence, or macrorurbulence by which the

energy of the water is dissipated in the hydraulic jump. A feature of macroturbulence

s

the high frequency pressure fluctuations of widely varying amplitude

at

all points

in

the flow including the wetted surfaces of the invert and training walls 122 131

132

151,

1641. In the worst case, the half-amplitude is -close to 0.4

V2/2

g

in which

V is the mean inlet velocity of the turbulent flow. The frequency is around Hertz.

Statistical analysis of pressure records from surface-mounted instruments give

a mean square range for dynamic fluctuations of 0.10 to 0.12 (V2/2 g).



Fig.

Barrage de Malpasso (Mexique) Vue en plan e t prof i t longi tudinal de l evacuateur .

Malpasso danz Me.xico) Plan view and longitudinal pro jle of spillway.

(1) Dalles originelles.

(2) Plan de I evacuateur.

3) Dom mages provoques par I erosion.

(4) Sect ion long i tudinale de I evacuateur .

(5) Nouvelles barres d ancrage.

(6) Sect ion t ransversale de l evacuateur mon-

trant les dom mages provoques par I erosion.

(7)

Sect ion longi tudinale montrant les domma-

ges provoque s p ar I erosion.

(8)

Plan du bassin de diss ipat ion mo ntran t la

zone reconstrui te (hachuree) .

I ) Origirial slabs.

2)

Spillway plan.

3)

Erosion damages.

4) Spillway Iongirudinal cross sectiofz.

5)

New anchor bars.

6)

Spillway transversal cross section showing

erosion dantages.

7) Spillway longitudittal section showing erosion

damages.

8)

Stilling basin plan showittg recortsrtucted

zone shadowed).



Au passage d'une fluctuation negative sur un point donne du radier, une

situation locale d'instabilite peut apparaitre momentanement si une sous-

pression permanente est presente sur I'interface radier-fondation, ou quelque

autre interface dans l'epaisseur du radier (reprise de betonnage) ou de la fondation,

et si cette sous-pression devient superieure au poids dejauge du solide situe

au-dessus, augmente de la pression d'eau residuelle sur le point considere. L'effort

global de soulevement peut devenir dangereux si la sous-pression permanente regne

sur de grandes surfaces et si des fluctuations negatives d'amplitude suffisante

apparaissent simultanement sur des portions de radier suffisamment etendues. Les

arrachements observes sur de nombreux bassins indiquent que la probabilite

d'occurence de cette conjonction defavorable est loin d'etre negligeable.

Le developpement d'une sous pressionquelque part sous le radier, et plus

particulierement sur l'interface radier-fondation, pendant I'utilisation du bassin, est

plutbt la regle que l'exception. Cette sous-pression est en general celle imposee par

le niveau dans le cours d'eau l'aval du bassin et son application est facilitke, le

cas echeant, par la presence d'un reseau d e drainage, lui-mEme impose par la

proximite de la retenue amont ou la presence d'une nappe dans le versant qui

domine le bassin. La profondeur d'eau aval necessaire pour la formation et le

maintien du ressaut

a

l'interieur du bassin est parfois obtenue I'aide d'un seiiil de

contr6le place la sortie du bassin. Dans ce cas une exhaure gravitaire du reseau

de drainage peut etre trouvee une distance raisonnable. En regle generale la

profondeur depend surtout des conditions naturelles de I'ecoulement aval de

l'ouvrage;

i l

s'ensuit que le plancher du bassin est place tres en-dessous du

lit

naturel, que le reseau de drainage n'a pas d'exhaure gravitaire et qu'il est mis en

charge par le niveau aval sauf s'il est isole. L'isolement du reseau implique I'ins-

tallation de pompes; i l constitue kvidemment la meilfeure assurance qui puisse se

concevoir contre le soulevement consecutif aux fluctuations negatives. Mais le

pompage coiite cher et sa fiabilite n'est pas toujours certaine; il n'est adopte que

dans le cas extrgme d'ouvrages importants utilises de f a ~ o n ontinue (bassin du

tunnel no de Tarbela, apres la e reparation), et pour des amenagements equipes

d'une usine hydroelectrique voisine dont le personnel peut assurer I'entretien des

groupes de pompage.

En I'absence de pompage ou drainage gravitaire, I'effort de soul vementsous

le radier, en un point et un instant donnes, peut donc approcher la valeur

correspondant la charge aval. La distribution spatiale tres inegale des fluctuations

negatives un instant donne sur un element de radier non ponctuel fait que I'effort

de soulevement global maximal sous cet elttment est notablement inferieur au

produit de la pleine sous-pression par la surface de l'element. Des experimentations

russes ont etabli des relations qui donnent I'effort global de soulevement sous une

dalle rectangulaire du radier, en fonction de la hauteur de chute, du debit de

I'kvacuateur par metre de largeur, de la longueur de la dalle et de sa position dans

le bassin. Chaque dalle est supposee se comporter comme un monolithe indepen-

dant. Les relations indiquent une attenuation considerable de la sous-pression

moyenne effective avec la longueur de la dalle et i'eloignement de celle-ci vers I'aval

par rapport au front du ressaut; leur stricte application equivaudrait dans bien des

cas concevoir les dalles du radier relativement minces, non ancrees dans leur

fondation.

L'experience enseigne qu'il convient de rester prudent. En premier lieu, la

position du front du ressaut est imprecise et elle peut changer. En second lieu, des



When the p ressure becomes negat ive a t a po in t on the inver t , one may have a

shor t loca l ins tab i l ity i f there i s a s tead y up l if t p ressure a t th e concre te - rock con tac t

o r a t any o ther in te r face with in the th ickness o f the s lab hor izon ta l const ruc t ion

jo in t ) o r found at ion a nd th is up l i ft i s g rea te r than the su bmerged weigh t o f the

over ly ing rock o r concre te p lus the water p ressure a t tha t t ime on tha t po in t . Th e

to ta l up l i ft fo rce may becom e dan gero us if there i s a s teady up l i ft p ressure unde r

la rge a reas and negat ive f luc tua t ion o f su f f ic ien t am pl i tud e appe ar s imul taneously

on suf f ic ien t ly la rge a reas o f the inver t . Dam age to many s t il l ing bas ins ind ica tes

tha t the p robab i l i ty o f occur rence o f th is unfavorab le combina t ion i s fa r f rom be ing

negligible.

T h e b u i ld - u p o f

uplift pr ssur

somewhere under the inver t , espec ia l ly a t the

rock-concre te in te r face , whi le the bas in i s opera t ing , i s more the ru le than the

excep t ion . The p ress ure i s genera l ly governed by the ta i lwater level beh ind the bas in ,

an d i t may ga in access th rough th e d ra inage sys tem, which i s it sel f requ i red because

of the nearness o f th e reservo i r o r the w ater tab le in the b ank over look ing the bas in .

I f the requ i red d ep th o f water fo r the jum p is a t the e nd o f the s t i l ling bas in by a n

end s i l l con tro l , a g ravi ty ou t fa ll f rom th e d ra inage sys tem may b e fo und wi th in a

reasonab le d is tance . But the de p th o f t he s t i l ling bas in f loor is more usua l ly governed

by na tu ra l f low condi t ions in the downst ream watercourse and must be se t wel l

be low r iver bed leve l , mean ing tha t g rav i ty d ra inage i s no t poss ib le and a lso tha t

tai lwater pressure may enter through the drainage system, if i t is not isolated. An

independen t d ra inage sys tem wi th pumps to p reven t the bu i ld -up o f p ressure i s o f

course the bes t conce ivab le assura nce aga ins t up l i ft f rom negat ive p ressure f luc-

tua t ions . But pumping i s expensive and no t a lways re l iab le ; i t i s on ly used in the

ex t reme case o f la rge s t ruc tu res opera t ing con t inuously s t il l ing bas in to N o . 3 tunnel

a t Tarbe la a f te r the th i rd se t o f repa i r s) and a t hy dro po wer p ro jec ts where s ta t ion

a t t e n d a n t s a r e a v a i la b l e f o r p u m p m a in t e n a n c e .

Withou t a pum ped or g rav i ty d ra inage sys tem, the up l i f t fo rce under the inver t

a t any g iven po in t a nd t ime can b e near the ta i lwater head . The very unequ al spa t ia l

d is t r ibu t ion o f nega t ive f luc tua t ions a t any t ime over an a rea o f the inver t means tha t

the to ta l maximum up l i f t fo rce under th is a rea i s d is t inc t ly less than the up l i f t

p ressure mul t ip l ied by th e a rea . Russian exper ime nts have y ie lded equat ions g iv ing

the to ta l up l if t fo rce un der a rec ta ngu lar f loor s lab as a func t ion o f the head , sp i l lway

discharge per metre wid th , s lab leng th and s lab posi t ion . Each s lab i s assumed to

ac t independen t ly . These equat ions revea l the considerab le a t tenuat ion o f e f fec tive

mean up l i ft p ressure with s lab leng th and d is tance in the downst ream d i rec t io n)

f rom the s tan d ing wave f ro n t ; i f these equ at ions were to be fo l lowed s t ric tly , i t would

of ten mea n us ing re la t ive ly th in f loor s labs no t t ied in to the foundat io n .

Exper ience howe ver counse ls p rudence . F i r s t ly , the posi t ion o f the wave f ron t

is no t accura te ly known, an d may move . Secondly , ins tabi l ity co nd i t ions o ther than



s i tua t ions d ins tab i li te , au t res qu e ce l les resu l tan t du desequ i l ib re d e la sous-press ion

aval pa r les f luctu ation s negatives, peuvent s etablir . Leur proba bil i te est plus faible

mais e l les son t suscep t ib les d e p rodu ire des e f fo r ts d a r racheme nt p lus e leves .

tt L in jec t ion ins tan tanee d une f luc tua tion posit ive sous une por t ion s ign i fica tive

du rad ier la faveur d un jo int o u d une f i ssure ouver te qu i fe rai t comm uniquer le

reseau de d ra inage n oye avec I in ter ieur du bass in n es t pas inco ncevab le ; non p lus

v2

tt l in jec t ion da ns les memes cond i t ions d une surpress ion ega le v i tesse au

2

g

voisinage d e la paro i ) qu i se deve loppera i t su r une sa i ll ie acc idente l le face au

couran t , causee p ar la v ib ra t ion d une da l le ou I epauf ru re d un jo in t . I y a d o n c

une incer t i tude su r la va leur la p lus fo r te que peu t a t te indre I e f fo rt d a r rachement .

Assu je t t i r le rad ier pour res is te r au p lus severe des deux cas de charge c i -apres

const i tue , semble- t -i l , une p recau t ion min imale

a

bass in v ide, p le ine sous-press ion ava l app l iquee s ous la to ta l ite de l ouv rage ;

6

bass in suppose p le in , p le ine sous-press ion ega le

a

la va leur quadra t ique

v2

moyenn e des f luc tua t ions de p ress ion m acro tu rbu len tes , so i t 0,12-(V

=

vitesse

a

l en t ree dans le bass in ) app l iquee sous la to ta l i te d e I ouvrage.

2

g

Si la fondat ion p resen te un e cohesion suf f i san te , des ancrages pass i fs o u ac t i f s

appor te ron t une pa r t essen tie lle d e la resis tance necessa i re ; da ns le cas con t ra i re

i l

faudr a epa iss i r le rad ier e t mobi l i se r s i poss ib le le po ids des p iedro i t s .

Pour con t recar rer le p rocessus d a r rachem ent p rovoque p ar les f luc tua tions d e

pression macroturbulentes, les dispositions constructives c i -apres son t recomm an-

d e r

a

munir tous les jo in ts d e con t rac t ion de lames d e tanchei te b ien s i tuees et b ien

enrobees;

hj

exclu re tou t exu to i re d e d ra in en p iedro i t a l in te r ieur du bass in , mem e dans

la zone t theor iquem ent denoyee jus te I amont du f ron t du ressau t (cer ta ins

pro je teurs nord-amer ica ins on t m ent ionne le compor temen t sa t i s fa isan t d exu to i res

p laces dans un seu il den te l o r igine du bass in ) ;

c augmenter au tan t que fa i re se peu t la su r face des da l les e lementa i res du

rad ier ;

d so l idar iser ces da l les par tenons , bo i tes de c isa i llement e t a rm atures a u

t ravers des jo in ts ;

ej

minimiser le nombre des su r faces de repr ise e t les ep ing ler ;

/ I

s i un reseau de d ra inage es t ind ispensab le , le p lacer une d is tance confor -

table I m 1 s m au moins) des paro is moui l lees pour re ta rder son con tac t

acc iden te l avec I ecou lement macro tu rbu len t en cas d usure par abras ion ou cav i-

ta t ion .

Da ns le meme ordre d idees , on observera que I e l imina t ion de tou t revg tement

en be ton (c f . evacuateur du bar rage de Pa loma au Chi l i qu i , depu is .

a

ete revetu)

sous le motif d une quali te exceptionn elle du rocher da ns lequel le bassin a Pte

preexcav e serait aventur eux. Tou t rocher , si bon soit- i l, est f issure, si bien q ue le

processus d a r rachem ent par sous-press ions mo mentane ment desequ i l ib rees par les

f luc tua t ions d ynamiqu es (e f fe t de co in ) se ra i t par t icu l ie rement e f ficace e t des t ruc t i f

en I absence d e revPtement protecteur .



those caused by nega t ive pressure f luc tua t ions and the downst ream upl i f t pressure

may a r i se . This i s unlike ly , but they a re l iable to pro duc e higher upw ard forces on

the s labs . I t i s not inconce ivable tha t a pos i t ive pressure f luc tua t ion could be

t ransmi t ted m omentar i ly und er a s igni f icant por t ion of the inver t through a geologi -

ca l jo int or open c rack be tween the wate r - f i l led dra inage sys tem and the ins ide of

the bas i n; or tha t in the same way, an upl i f t pressure equa l to V2/2 g the ve loc i ty

near the wet ted sur face) bui ld ing up on a for tui tous projec t ion in to the cur rent

caused, say, by a vibra t ion of a s la b or a spa l led jo int ) could pene t ra te in to the

s t ruc ture . This leaves us with an uncer ta inty as to the highes t ma gni tud e of the force

t rying to l if t the s lab. The min imum precaut ion w ould seem to be to des ign the inver t

to wi ths tand the more severe of the two s i tua t ions

:

a full dow nst ream upl i ft pressure ap pl ied o ver the whole a rea of the f loor wi th

the bas in empty, or .

h Full upl i ft pressure equa l to the mean sq uare of the macroturbu lent pressure

f luc tua t ion 0 .12 V2/2 g , wi th V be ing the in le t ve loc i ty) appl ied und er the who le

basin, with the basin ful l .

I f there is enou gh cohes ion in the found a t ion, p la in or pres tressed ancho rs can

cont r ibute a subs tant ia l par t of th e necessary s t reng th; o therwise the inver t must be

made th icker and i f poss ible he ld in place by the s ide wal l s .

Var ious

constructional arrangements

c a n be r e c omme nde d t o oppose up l i f t

da ma ge t o t he f l oo r f r om the se m a c r o tu r bu l e n t p r e s su re f l uctua ti ons

a All cont rac t ion jo ints sho uld be f i tt ed with proper ly loca ted an d emb edd ed

seals.

h There sho uld be no dra in openin gs in the tr a ining wal l ins ide the bas in even

abov e the theore t ica l wate r l ine ups t ream of the s tandin g wave . However , dra in

out le t s in a denta ted s i l l a t the beginning of a s t i l l ing bas in have proved to be

satisfactory.

c Keep the a reas of the f loor s labs as la rge as poss ible .

d Conne c t s l a bs by me a ns o f dow e l s , she a r ke ys a nd r e inf o r c eme n t a c r oss t he

joints.

e Keep hor izonta l cons t ruc t ion jo ints to a minimu m, wi th d owels ac ross them.

f j

I f drai nag e is real ly necessary, keep i t well away I m to 1.5 m at least) f rom

the wet ted sur faces s o tha t abras ion or cavi ta t ion wear wi l l not ma ke i t access ible

to t he m a c r o tu r bu l e n t f l ow .

In the sam e conn ec t ion, it must be remarked tha t leaving the basin unl ined as

a t the spi l lway a t Pa loma dam in Chi le which i s concre te l ined by now) on the

argument tha t the rock i s of except iona l ly good qua l i ty would be hazardous .

However goo d a rock might be , i t a lways conta ins c racks so tha t the process of

des t ruc t ion by upl i f t pressures mom entar i ly unb a lanced becaus e of dyna mic f luc tua-

t ions wedge e f fec t ) would be par t icula r ly e f fec tive and des t ruc t ive in the abs ence

of any protective l ining.



Vibration

Dans le phenomene de dissipation d knergie par macroturbulence, les compo-

santes pulsatoires preponderantes (celles de plus grande amplitude) ont des frequen-

ces comprises entre 0 et

10

Hertz. Cette caracteristique fait que certains elements du

bassin d amortissement, tels que les dalles du radier et les dents ou piles eventuelle-

ment portees par ce radier, risquent de vibrer en resonance [ 3] (cf. mesures faites

sur les dalles des bassins des tunnels d irrigation de Tarbela, avant la solidarisation

et l ancrage de ces dalles). Le deplacement vibratoire des dalles ouvre des contacts

en profondeur et fait saillir les arCtes des joints, ce qui favorise les sous-pressions

dynamiques et facilite les arrachements.

La prevention contre les vibrations implique, elle aussi, le choix de dalles

massives, solidarisees par des armatures traversant les joints et par des tenons de

boites de cisaillement. L ancrage dans la fondation est a prescrire chaque fois qu il

est possible.

Enfin, ces fluctuations de pression peuvent induire des phenomenes de fatigue

dans certaines structures (ancrages notamment) difficiles a evaluer.

Cavitation

La pression peut devenir momentanement infkrieure a la pression atmosphe-

rique en un point donne du ressaut du fait des fluctuations de pression macrotur-

bulentes, avec comme consequence I apparition de cavitation. Le phenomene est

cependant contrarie par I intense aeration de l ecoulement, consecutive aussi a la

macroturbulence. Les dents et obstacles incorporks au bassin dans certaines configu-

rations sont particulierement exposes a I erosion de cavitation. L extremiti. du

coursier et la frange amont du radier sous la partie anterieure du ressaut sont des

zones tres sensibles car les vitesses elevees de I ecoulement torrentiel sont au contact

du fond (sauf dans certaines configurations avec marche ou deflecteur au raccorde-

ment coursier-radier). Des erosions par cavitation sont donc frequemment observees

dans les bassins d amortissement. Bien que moins brutales et spectaculaires que les

arrachements de dalles par sous-pression, elles sont neanmoins la cause de repa-

rations reiterees. Les eliminer parait une gageure, etant donnee la nature de

I ecoulement dans le ressaut. Les dents noyees, style Rehbock ou U Bureau of

Reclamation (bassin Type 111) sont particulierement exposees sauf si les vitesses

d entree sont inferieures a 15-18 m/s ; on ne peut que retarder leur degradation en

les realisant avec des betons speciaux ou en les protegeant par blindage [120 121 1221.

Abrasion

Une derniere cause de dommages pour les bassins d amortissement est I abra-

sion. Avec les evacuateurs de surface le risque d abrasion par des sediments apportes

par le flot deverse est inexistant ou differe jusqu a I epoque lointaine oh la sedi-

mentation de la retenue atteindra le seuil de I evacuateur. Les sediments apportes

sont dangereux dans la mesure oh il s agit d elements roules sur le fond ou

d elements en suspension contenant une fraction significative de particules dures de

la taille d un sable fin ou moyen (grains de quartz anguleux par exemple).

I1 arrive que le bassin soit endommage par une abrasion causee par des

sediments de fond (alluvions, deblais) provenant du lit

a

I aval immediat de I ou-



Vibration

I n t he m a c r o tu r bu l e nc e me th od o f e ne r gy d is s i pat i on , t he dom ina n t pu l sa t i ng

com pone nts those wi th the grea tes t amp l i tude) have frequenc ies be tween

0 a n d

10 Her tz . This means tha t some par t s of the bas in l ike the inver t s labs and any

def lec tor s or spl i t te r s i t might ca r ry a re in danger of r esonant v ibra t ion [23] cf.

measurements on s labs in the Tarbe la i r r iga t ion tunne l bas ins before they were

s t rengthened and anchored) . Vibra t iona l movement of the s labs opens in te r faces in

de p th , a nd t h r ow s u p t he c o r ne r s o f t he j o in t s, e nc our a g ing dyna mic up l i ft a nd t he

lif t ing of the slab.

Vibra tion p revent ion a l so requi res mass ive s labs , conn ec ted toge ther by re infor -

c ing ba r s a c ros s t he j o in ts a n d /o r she a r boxe s . T he y shou ld a lw a ys be p inne d t o t he

founda t ion where poss ible .

Las t ly , these pressure f luc tua t ions can produce fa t igue in some s t ruc tures

espec ia l ly rock ancho rs) tha t i s d i f f icul t to es t imate .

Cavitation

Pressure may momentar i ly become suba tmospher ic in a par t of the hydraul ic

j ump be c a use o f t he se ma c r o tu r bu l e n t p r e s su r e f l uc tua t i ons c aus ing

cavitation

This

i s however opposed by the very high degree of ae ra t ion of the f low, aga in caused

by the ma croturbu lence . Def lec tor b locks an d other obs tac les in some bas ins a re very

e xpose d t o c a v i t a ti on e r os ion . T he e nd o f t he c hu t e a n d t he ups t r e a m l i p o f t he ba s in

under the leadin g edge of the s tandin g wave a re par t icula r ly sens i t ive a reas because

the high ve loc ity turbulent f low is in in t imate contac t wi th the bot tom except in

some c onf igur a ti ons w i th a s t e p o r buc k e t be tw e e n t h e c hu t e a n d ba s in ) . Ca v i ta t i on

eros ion i s there fore a f requent occur rence in these s t i l l ing bas ins . Al though less

sudden an d spe c tacula r than up l i f ted s labs , i t i s never the less the caus e of r epea ted

damage . I t would hardly seem po ss ible to e l imina te th i s dam age comple te ly because

of t he na tu r e o f t he f l ow in t he ba s in . Subme r ge d b loc ks o f t he R e hboc k o r U S

Bureau of Re c lamat io n bas in Typ e 111) type a r e par t icula r ly a t r i sk for ve loci t ies

exceeding

15-18

m /s ; it i s on ly poss ib le t o s l ow d ow n the da m a ge by us ing spe c i al

concrete o r s tee l l in ings

[ I ~ o 21 1221.

Abrasion

T he l a s t c a use o f da m a ge i s abrasion With sur face spi l lways , the r i sk of abras io n

f rom sediment ca r r ied by the f low is nonexis tent or a t wors t wi ll not o ccur for a long

t ime , unti l the rese rvoi r has s i l ted up to s il l leve l. Bed load an d sus pen ded sedim ent

i s dangerous inasmuch as i t conta ins a s igni f icant propor t ion of hard par t ic les the

s ize of f ine o med ium ra ined san d e.g. , angu la r quar tz gra ins) .

Some ba s ins a r e da ma ge d by a b r a s ion f r om be d l o a d a l luv ium, r ubb l e) f rom

the river chann e l jus t be low t he d am [34].This wi l l happen i f the bas in i s too shor t



vrage

~341

C est le cas d un bassin trop court ou ma1 profile, favorisant la formation

de courants de retour sur le lit de la riviere non protege a la sortie du bassin. Des

sediments abrasifs et des materiaux de chantier laisses sur le radier avant la mise en

service, des pierres jetees par des visiteurs, peuvent ainsi rester pieges a I interieur

du bassin et provoquer des usures considerables, plus particulierement lorsqu il y

a un seuil de sortie prononce. Une distribution dissymetrique accidentelle du

courant torrentiel sur le coursier d entree est toujours une circonstance aggravante

a l egard de I abrasion car elle concentre I usure sur certaines portions des surfaces

mouillees.

Pour se premunir contre I abrasion par sediments pieges la configuration doit

Ctre telle que le bassin soit auto-nettoyant, c est-a-dire que les sediments presents

anterieurement ou apportes occasionnellement de I amont ou de I aval soient

rapidement expulses. La satisfaction de cette condition se verifie aisement sur modde

reduit

[85]

Mais les dispositions elaborees sur modele ne sont pas toujours entie-

rement transposables sur le prototype. Des pieges cailloux ont ete parfois places

a la sortie du bassin.

Si le courant deverse est charge en permanence de sediments abrasifs, I usure

du bassin est inevitable. L experience montre (barrage de San Men Xia sur le Fleuve

Jaune) que I usure de surfaces planes en beton ordinaire paralleles au courant est

assez faible, mCme avec des teneurs elevees en sable abrasif (50 kg/m3), tant que la

vitesse V de ce courant est infkrieure 10 m/s. Au-dessus de cette valeur, la vitesse

d usure croit comme V3, c est-a-dire tres vite. Les vitesses superieures a 10 m/s se

rencontrent communement I entree des bassins d amortissement et persistent sur

une certaine distance I interieur. De plus, le caractere tourbi llonnaire de l ecou-

lement dans le corps du ressaut est un facteur d aggravation a I egard de I abrasion.

Les betons et revCtements speciaux mis au point jusqu a ce jour retardent l usure

par abrasion sans jamais la supprimer. De toutes manieres, leur utilisation pour un

bassin d amortissement serait dispendieuse en raison de I etendue des surfaces

traiter, sauf evidemment pour de petits ouvrages.

Les trois processus d endommagement des bassins d amortissement decrits

precedemment par sous-pression, cavitation et abrasion peuvent se combiner, le

developpement de I un etant susceptible de donner naissance a un autre. La

consequence est une acceleration des degradations. C est pourquoi le bassin d amor-

tissement est un ouvrage particulierement vulnerable.

I1 convient donc d ajouter au projet des dispositions qui permettent une

reparation rapide si des degit s serieux so nt detectes. La difficulte la plus commune

est celle de la mise hors d eau du bassin. Pour obtenir la contre-charge aval ntcessaire

pour maintenir le ressaut a I interieur de la structure, le radier est presque toujours

cale tres bas par rapport au niveau aval. Sauf en cas d etiage absolu une bouchure

est necessaire pour isoler le bassin du cours d eau. Cette bouchure sera rapidement

mise en place si elle consiste en elements de batardeau appuyes sur des piles et

manipules depuis une passerelle. Elie risque de coQter cher.

Si I evacuateur est appele a servir souvent et de faqon prolongee, une bonne

precaution consiste compart imenter longitudinalement le coursier et le bassin pour

faciliter une intervention locale en periode d utilisation.



or badly shaped, so that there are back-currents over the unprotected river bed at

the basin outlet. Abrasive sediment and construction debris left on the basin invert

before it is first filled or rocks thrown in to the basin by visitors can be trapped inside

the basin and cause considerable wear, especially where there is a sharp outlet sill.

Stilling basin covers and fences may be necessary to prevent rocks from being thrown

into the basin. Accidental asymmetric distribution of the turbulent flow on the inlet

chute is always an aggravating circumstance for abrasion because it concentrates

wear on certain areas of the wetted surfaces.

For protection against abrasion from trapped sediment, the basin must have a

self-cleaning shape, so that sediment left in place or washed in from time to time

from upstream or downstream is quickly expelled. This can be easily checked on a

scale model [SS]. In actual field application self-cleaning is hard to achieve. To

prevent movement of the downstream bed into the basin, traps at the end of the basin

may be required.

If the flow always carries abrasive sediment, wear is inevitable. Experience

shows San Men Xia dam on the Yellow River) that there is little wear on flat

concrete surfaces parallel to the flow even with high abrasive sand loads

50

kg/m3)

provided the velocity V is less than 10 m/s. Beyond this, the rate of wear increases

as V3, in other words very quickly. Velocities in excess of 1 m/s are commonly

found at the inlets to stilling basins and persist for some distance inside. The

turbulent flow within the jump also tends to aggravate abrasion.

Special concretes and linings developed to date slow down abrasion wear but

never dispense with it completely. In any event, they would be far too costly for a

stilling basin in view of the areas involved, except of course for smaller structures.

Repairs

The three processes by which stilling basins are damaged, ie, uplift, cavitation

and abrasion, can combine, one being liable to cause the other. The net result is that

damage speeds up. This is why the hydraulic jump basin is a very vulnerable

structure.

Because of this, the design

must include arrangements for quick repairs

once serious damage is detected. The most common difficulty is one of dewatering

the basin

The floor is almost always set well below tailwater level to obtain the

counter-head necessary for containing the jump within a structure and unless the

river runs completely dry, some sort of cofferdam is necessary. It can be inserted

quickly if it consists of stoplogs bearing against piers and handled from a gantry.

But it may well be very expensive.

If the spillway is expected to operate often for prolonged periods, a good

precaution is to divide the chute and basin up lengthwise so that work can be carried

out even when it is operating.



3 6 3

Sau ts de ski et nappes deversantes fosses d affouillement

problemes d krosion tapis de rb ep tio n - problemes hydrodynamiques

Suuts de ski

La des igna t ion t sau t d e ski suggere des def lec teurs p laces

a

I 'extremite d'un

c our s ie r . Ce s de f le c t eu r s impose n t un c ha nge me nt b r u t al de d i r e c t ion a u c our a n t

torrentiel

a

sa so r t ie d e l a s t r uc tu r e e n be ton . D e c e t t e s t ruc tu r e pa r t e n t de s je t s qu i

decr ivent une tr a jec toi re I 'a ir l ibre e t tomb ent dan s une por t ion prede te rminee d u

l it . La diss ipa t ion d ' energie se fa i t e ssent ie l lement dan s le volume d ' eau qui ent our e

la sur face d ' impac t . Le def lec teur te rmina l , appe le auss i

cuilldre

est place a u n e

cer ta ine hauteur au-des sus du niveau ava l . Ce t te hauteur , I ' angle d e ti r a l a sor t ie

de l a c u i l l e r e e t l a ha u t e u r t o t a l e de c hu t e son t l e s pa r a me t r e s p r i nc ipa ux de

de te rm ina t ion d e la t r ajec toi re . Lorsqu 'i l y a p lus ieurs je t s , i l e s t par fois poss ible de

les fa i re se percute r d an s leur tr a jec toi re ae r ienne , ce qui co nt r ibue a la dissipation

d 'knergie (voir c i -dessous ~ v ac u a te u rs je t s croises) .

La lame deversante r i sque d ' e t re per turbee par des osc i l la t ions genantes s i

I 'e space l ibre s i tue ent re la f ace infe r ieure d e ce t te lame e t le p lan d ' eau ava l es t

insuf f i sant (v ibra t ion poss ible du bar rage) .

L e s ba r r e s qu i s e f o r me n t pa r de p6 t du r oc he r e r ode ,

a

I 'aval d e la fosse

d'amortissement, peuvent surelever le niveau aval et reduire ainsi I 'espace l ibre

der r ie re la nappe , ce qui peut ent ra iner les problemes d 'osc i l la t ions indes i rables

ment ionnes c i -dessus .

Le premier souc i du proje teur es t en genera l d ' accroi t r e la d is tance ent re

I ' impact et la cuil lere, de faqon

a

mieux proteger la fonda t ion de ce l le -c i cont re

l 'erosion regressive. C e souci est evi dem me nt diff ici le a sa t i s fa i re lor sque la chute

es t pe t i te (H < 50 m) . E n c e qu i c onc e r ne l a pos i ti on d e I 'impa ct pa r r a pp or t a ux

versants e t le f aqonnag e des je t s po ur ob teni r un resul ta t do nn e (devia t ion la te ra le ,

e ta lement , f r ac t ionnem ent , e tc. ) chaqu e s i te cons t i tue un cas d ' espece qu i ne peut

gue r e s 'e t ud ie r a u t r e me n t que su r mode l e r e du i t. C 'e st pour q uo i i l y a un e g r a nde

diversi te d e cuil leres real isees cuil leres sym etr iques ou dissym etr iques, cuil leres

f o r me e s de p l a ns c oupe s ou de su r f a c e s

a

courbure progress ive , e tc . Dans une

s i t uat i on de t e r mine e , on pe u t d ' a il l eu r s t r ouve r un c e r ta i n nom br e d e f o r me s

dis t inc tes do nt les per forman ces hydraul iq ues ne sont pas s igni f ica t ivement d i f fe ren-

tes.

Un cas par t icul ie r es t ce lui des cui l leres p lacees t res bas a l a sor t ie des ga le r ies

de der iva t ion reuti l isees com me evacu a teur . D ans cer ta ines rea l i sa t ions (S idi

Mo ham ed Ben Aou da* en Algerie ) ces cui l le res son t submergees po ur les debi t s

e leves e t fonc t ionn ent a lor s com me un b ass in d ' amor t i ssement (F ig .

9 .

Nappes deversantes en chute libre

L a na ppe de ve r sa n t e e n c hu t e l i b r e non a c c ompa gne e ne s e r e nc on t r e gue r e

qu'avec les vofi tes inclinees vers I 'aval ou

a

parement ava l proche de la ver t ica le .

O n c he r c he pa r f o i s

a

diss iper avant l 'impac t un e par t ie de I' energie d u couran t

evacue . A ce t e ffe t des skpara teurs e t d ef lec teurs son t incorpo res a la cr tede ve r sa n t e

ou places qu e lques m et res en cont rebas d e ce l le -c i ; l es je ts mul t ip les obtenu s pa r

d ivi s ion d e l a na pp e f on t impa c t e n t r e e ux o u su r de s su r fa c e s e n be ton a va n t d ' e tr e

ecernrnent nornrne Es

Saada



3 6 3 Sk i jumps and nappes scour holes erosion aprons

hydrodynamic problems

ki

ump flip buckets)

The terms ski jumps an d flip buckets suggest deflectors at the end of

a chute. These deflectors impart a sudden change of direction on the shooting flow

from a concrete structure. The jets are thrown up into the air an d hit the river channel

at a predetermined spot. Energy dissipation occurs chiefly in the water around the

impact area . This terminal deflector, also known as a bucket, is set above tailwater

level. Its height, lip angle and total head are the main parameters determining the

trajectory of the jet. The jets themselves can also impact, aiding in the dissipation

of energy (see below Intersecting-jet spillways).

The airspace between the nappe and the tailwater has been found to be an

important factor. Should this airspace be too limited, the nap pe can be drawn down,

thus setting up t roublesome oscillating flow conditions (possible dam vibration).

Sediment bars which form the eroded material from the scour holes can raise

tailwater levels thus reducing the a irspace to the nappe. This reduction may give rise

to the undesirable flow oscillation problems mentioned above.

The designer s main concern is usually to have the impact zone as far as possible

from the bucket to protect the foundation against retrogresive erosion. This is

obviously a difficult task for low heads (less than 50 m). As regards the position of

the impact zone relative to the valley banks and the shaping of the jets to skew them,

spread them, break them up, etc., each site is a separate problem sui generis that can

only be properly examined on a scale model. This is the reason behind the great

diversity of flip buckets

:

they may be symmetrical or asymmetrical, they may be

shaped as facets or progressively curved surfaces, etc. One can see various shapes

for the same general situation whose hydraulic performance is not significantly

different.

One special case concerns buckets set very low at the downstream portals of

diversion tunnels subsequently converted to act as spillways. In some projects (Sidi

Mohamed Ben Aouda* in Algeria), these buckets are submerged at high flows and

should then more strictly be termed roller buckets, as they produce a type of

hydraulic jump (Fig. 9 .

Free-falling nappe

The free-falling nappe, without chute, is really found only on arch dams whose

downstream face is overhanging or near vertical.

Some of the energy can be dissipated before the nappe reaches the river.

Splitters and deflectors can be placed on or a few metres below the sill so that the

nappe is divided into smaller jets which impact the adjacent jets or against deflectors

before shooting. This increases the friction area between air and water along the

Recently nam ed

Es

Saada



Fig.

~vacuateur u barrage de Sidi Mohamed Ben Aouda

(appele recemment s Saada) (Algerie).

Spi l lway of Sidi Mohamed Ben Aouda dam

recently named Es Saada) Algeria).

2)

Profil longitudinal de l evacuateur

Spillw ay longitudinal profile.



3)

Section transversale de la tour d entonneme nt.

Cross section of entrance tower

4)

Section transversale des galeries sous remblai.

Cross section of galleries underneath the emban kme nt



Fig. 10

Barrages Hendrik Verwoerd et P.

K.

Le Roux (Afrique du Sud)

Dents separatrices des evacuateurs de surface.

Hendrik Verwoerd and P K . Le Roux dams South Africa)

Splitters of surface spillways.

A-A Coupe verticale.

B-B lev t ti on aval.

(I) Dent separatrice.

2)

Plate-forme deflectrice.

3 ) Tuyaux d aeration.

A-A Vertical section

B-B

Downstream elevation.

I ) Splitter.

2) Deflecting platform.

3) Aeration vent.



Barrage K Le Roux Afn q u e du Sud) Deversolr lrbrc r r e c i icn lr d r t r a l ~ o n h p l l L ~ 1 ~ ~

P Le aux

durn

South

Africa).

nronrmil~d

pillw y

with

splltt r~



projetes. La surface de frottement entre l'eau et l'air ambiant le long de la trajectoire

est ainsi augmentee. La reduction de la portee do nne une mesure de I'efficacite du

frottement. La dissipation n'est significative que si la fragmentation produit un

emulsionnement prononce de I'ecoulement; cela ne se produit guere en pratique

qu'avec les lames minces (moins de a 6 m sur le seuil d'entonnement), c'est-a-dire

pour les petites crues de frequence elevee.

Les dents separatrices (splitters) et tremplins incorpores aux seuils pour nappes

deversantes sur barrages voQtes par D. F. Roberts en Afrique du Sud

[49, 1231

P. K. Le Roux, Hendrik Verwoerd [13] sur le fleuve Orange) repondent

a

ce souci

(Fig. 10). Une dissipation a pp~ ec iab le pres aeration intense est obtenue lorsque la

largeur de la vallee permet d'etaler la nappe transversalement (debit specifique de

projet

a

P.

K. Leroux et Hendrik Verwoerd 60 m3/s/m environ; epaisseur theorique

de la lame

a

la cote d u tremplin 4 m). Des clapets places en positions decalees sur

un seuil deversant (hausses Aubert)

[ I I ]

conduisent

a

un resultat analogue.

Cependant, dan s la plupart des cas, la majeure partie de I'energie cinetique est

encore prksente au point d'impact et se dissipe brutalement dans le volume d'eau

qui entoure ce dernier. Le phenomene n'est pas fondamenta lement different de celui

qui se developpe dans un bassin d'amortissement; la dissipation se fait par l'inter-

mediaire du frottement de macroturbulence et les manifestations caracteristiques

fluctuations de pression dynamique, cavitation, abrasion le cas echeant, sont les

m mes.

La difference essentielle reside en general dans le fait que le volume d'eau

interesse est beaucoup plus grand et les zones de plus forte turbulence moins au

contact des surfaces mouillees. Les situations avec faible volume d'eau sont tran-

sitoires ou exceptionnelles; elles peuvent se rencontrer a la mise en service de

I'evacuateur en I'absence d e preexcavation ou sous l'impact d'une nappe deversante

en presence d'un tapis de reception a faible profondeur.

Fosse

d

amortissement [ 5 93, 94, 961

Le choix d'une restitution par cuillere est base sur cette croyance que la

profondeur et I'extension de la fosse d'amortissement n'augmenteront plus significa-

tivement avec la poursuite de l'utilisation de I'evacuateur, a partir d'un certain degre

de developpement de la fosse.

Des relations ont kt6 proposees par divers auteurs qui donnent la profondeur

max imale sous le niveau aval, d en m, de la fosse d erosion produite par le deversement

d'une lame qui tombe en chute libre depuis un seuil de contr6le sur un materiau

isotrope. Les parametres les plus representatifs sont le debit unitaire, q en m3/ s/m,

et la hauteur d e chute totale, h en m, entre la retenue et le plan d'eau d ans la fosse.

La formule la plus connue est celle de Ve rontse qui don la moyenne de rnesures

faites sur modele reduit

d = 1,9 hO225 q0.54

Signalons egalement la formule de

Martins

qui exprimerait I'enveloppe

a

la fois

d'observations sur modeles reduits et sur 18 ouvrages en service*

Dans la re lat ion de Mart ins [94], h est la denivelee entre la retenue et :

e plan d eau de la fosse d erosion s il s agit d une lam e en ch ute lib re depuis le seuil de contr6le;

a levre term inale de la cuillere deflectrice s il s agit d un evacu ateur avec cou rsier. M artins

observe que dans tous les cas recenses, cette levre est situee quelques metres seulement au-dessus du plan

d eau aval.



t r ajec tory. Th e reduc t ion in the throw is a measu re of the e f fec t iveness of th i s f r ic tion

ef fec t . Diss ipa t ion wi l l only be s igni f icant i f f r agmenta t ion produces a marked

emuls i fying e f fec t ; in prac t ice th i s i s only rea l ly feas ible wi th th in nap pes ( less than

5-6 m head on s il l) , ie , for smal l f lows of h igher f requency.

The spl i t te r s des igned by D.

F.

Rober ts in So uth Af r ica an d f l ip bucke ts bui l t

in to the overspil l s i ll s of a rch dam s in tha t cou nt ry 149, 1231 (P. K. Le Roux, Hendr ik

Verwoerd [13] on th e Oran ge River) mee t the above req ui remen t (F ig . 10). App rec ia -

ble diss ipa t ion i s obta ined in the in tense ly aera ted f low when the va l ley i s wide

e nough f o r t he na ppe t o be sp r e a d s i dew a ys ( spe c if i c d i s cha r ge a t P .

K.

L e Roux

a nd H e nr ik V e r w oer d 60 m3/s .m approx . , theore t ica l n app e th ickness a t spl i t te r level

4 m). Professor Auber t ' s sys tem of s taggered bot tom -hinged ga tes produc es a s imi la r

effect [I I].

In m ost cases however m ost of the kine t ic energy i s st il l ava i lable a t the point

of impac t , an d i s sudden ly diss ipa ted in the sur roundin g wate r . There i s n o fun-

dame nta l d i f fe rence wi th con di t ions in a hydrau l ic jum p; energy is d i ss ipa ted by

macroturbulent f r ic t ion and the charac te r i s t ic concomitant e f fec ts (dynamic pres-

sure f luc tua tions , cavi ta t ion, abras ion) a re the same.

The chief difference is in the fact that a larger receiving volume of water is

involved and tha t the grea tes t turbulence i s not in such in t imate contac t wi th the

wet ted sur faces . S i tua t ions where there i s a smal l volume of wate r a re t r ans ient o r

except ion a l ; they a re som et imes encou nte red o n the f i r st use of the spi l lway where

the re ha s be e n no p r i o r e xc ava t ion o f t he s c our ho le o r a t t he impa c t o f the na ppe

wi th a concre te apron in sha l low water .

Scour holes [s

93 94

96

T he use o f a f l i p buc ke t is ba se d o n t he be li e f t ha t t he de p th a nd a r e a o f t he

scour hole wi ll n ot increase s igni f icant ly wi th cont inu ed use of the spi l lway beyond

a

cer ta in degree of deve lopment .

V a r ious a u thor s ha ve pu t f o r w a r d e qua t i ons t o g ive the maximum depth of the

scour hole d in met res below tailwater level in an i sot ropic granula r mate r ia l ,

produced by a f ree - fa l l ing nappe f rom a cont rol l s i l l . The most s igni f icant para -

meters a re the uni t d i scharge q in m3/s .m an d the to ta l head h in met res f rom the

reservoi r leve l to the w ate r level in th e scou r hole. Th e bes t know n of these e qua t ions

is f rom Veronese which yie lds the average va lue found f rom sca le -model tes t s

d

1.9 h0 5 q 4

T h e artins equ a t ion c la ims to give the enve lo pe va lues of observa t ions f rom

sca le models and 18 ful l - sca le dams*

d 2.3 h

In th e M art ins equat ion [94], h is the difference in height between the reservoir level and

(i)

t he

water level in the sco ur hole for

a

free-falling nappe fr om th e contro l sill or (ii) the lip of th e flip bucket

fo r a spillway with chute. Martins states that in all cases examined this lip is only a few metres above

tailwater level.



D au tr e s r e l a ti o n s s o n t c it ees d an s u n r ap p o r t d e R o b e r t L . G eo rg e

[MI.

T o u t es

s o n t i n d ep en d an t e s d e l a n a t u re d u m a t e r i au d an s l equ e l l a fo s s e e st c r eus ee, ca r

I hy p o t h es e e s t f a i t e q u e l a p ro fo n d eu r f i n al e e s t i n d ep en d a n t e d e ce p a ram e t r e , l a

co h es io n e t la d u re t e p l u s o u m o i n s g ran d es d e ce m a t e r iau ay an t p o u r s eu l e ff e t

d acc ro it r e o u d i m i n u e r l a d u ree d e fo n c t i o n n em en t n eces s a ir e p o u r a t t e i n d re l a

p ro fo n d eu r d eq u i li b r e. L eu r v a l eu r p o u r l a f i x a t io n d u n o rd re d e g ran d e u r e s t

genera lement re connu e par l es p ro je teurs, mCme dans l e cas de cu i ll eres d e l ance-

m en t a I ex tremite d un cours ier d e longue ur apprecia b le , en dep i t d e { inc idence e t

de l a repar t i t ion t ransversa le d u deb i t , d if feren tes de ce l l es f igurees sur l e modele ,

q u i s o n t d es p a ram e t r e s i m p o r t an t s n o n p r is en co m p t e . T o u te fo i s, ce s fo rm u l es n e

don nen t pas d in forma t ion d i rec te sur l e p rof i l de l a fosse e t, par tan t , su r l es eros ions

regress ive e t l a t era les (cou ran t s d e re tour) e t l eurs conse quenc es pra t iques .

D a n s l e m e i l leu r d es ca s , o n p eu t e s p e rer q u e l e p l e i n d ev e l o p p em en t d e l a fo s s e

d amort i s sement sera a t t e in t sans compro met t re ser i eusement l a s t ab i l it e d ouvrages

impor ta n t s , b ien qu e l e ros ion d u l i t et des berges res te incont r6 lee . Cet t e s i tua t ion

favorab le se renc ont re rare men t ; e l l e impl ique I ex i s tence d une val lee l arge en t re

d es v e r s an ts d o u x d e f a i b le h a u t eu r ( s i te t ouver t n . Plus cour am me nt , la va l l ee est

t rop e t ro i t e e t les versan t s son t t ro p ra ides e t t ro p ha u t s (s i tes

tt

d o m i n es n p o u r q u e

l a p ro fo n d e u r m ax i m a l e d o n n ee p a r l e s r el a ti o n s c i-d es su s n e f a s se p as r ed o u t e r u n e

extens ion dangereuse .

~vacuateurs jets croises

I1 est poss ib le d e t i rer par t i de l impact des j e ts t om ban t pa r exe mple d un

d ev e r so i r d e s u r f ace et d u n ev acu a t eu r d e d em i - fo n d p o u r d i s si p e r u n e p a r t i e d e

l energ ie e t redu i re la fosse d eros ion qu i sera i t ob te nue par t i r d un seu l deverso i r

pour un deb i t to ta l cons tan t .

Plus exactem ent , si l on a jou te

a

u n e v a c u a te u r d e d e m i - f o n d d e d e b i t

QI

u n

d ev e r so i r d e s u r f ace d e d eb i t 0 s Q envi ron cro i san t l es j e t s in feri eurs, l a p rofo nde ur

de l a fosse ob tenu e avec les deux ouvrages com bines d e deb i t to ta l 1 ,5 QI n es t p as

au g m en t ee e t m Cme s en s i b lem en t d i m i n u ee p a r r ap p o r t a cel le p rovoque e pa r l e seu l

ev acu a t eu r d e d em i - fo n d p o u r l e d eb i t QI d apres l es essa i s d e Lencas t re rea l ises

pou r le barrage de Al to Lindoso au Por tugal [go,

811

I1 reste tou tefo is

r

etud ier sys temat iquement s ur modele hy drau l ique I in f luence

t r id imens ionnel l e des d i f feren t s paramet res (charges , d i s t ance ver t i ca le en t re l es

deu x evacuateurs , l a rgeur e t nom bre des je t s , rapp or t de s deb i t s des j e ts cro i ses , e tc . ) .

I1 fau t ce pen dan t no ter qu e l es j e ts cro i ses r i squent d augmenter sens ib lement

les p rob lemes poses pa r l a fo rmat ion e t l a re tom bee des em bru ns (sur les berges , l es

l ignes electriques, le poste, les routes d acces, etc.) .

Essais sur modele reduit

Lorsqu e I enjeu le just i f ie, le recours r d es

essais specrfiques sur modPIe reduit

s impose , mCme dan s l e cas des s i t es ouver t s . Ce s essa is on t po ur ob je t , so i t de

fourn i r une m ei l l eure approximat ion des fo rmes e t d imens ions de l a fosse l ib rement

developpee, so i t de determ iner l es p ro tec t ions necessa i res pour l imi ter ce develop-

pement . La grande d i f f i cu l t e res ide dans l a representation des materiaux qui seront

erodes tou t par t i cu l i erement dans ce l l e des mater iaux coheren t s ( rochers heteroge-

nes

a

des degres d ivers d a l tera t ion e t de dure te , tou jours af fec tes p lus ou m oins par



Other equa t ions a re given by Rober t L. G e o r g e ~491.They a re a l l independent

of the type of mate r ia l in which the sco ur hole forms because they incorpora te the

a s sumpt ion t ha t t he f i na l de p th i s i nde pe nde n t o f t h i s pa r a me te r , c ohe s ion a nd

hardness only a f fec t ing the t ime requi red for a s table depth to b e reached . The va lue

of these equa t ions for an order -of -magni tude es t imate i s r ecognized by des igners ,

even in the case of f l ip bucke ts a t the en d of long chutes , despi te the fac t tha t the

angle of impac t wh ich the je t ente r s the plunge po ol a nd t r ansverse dis t r ibution of

the je t wi ll be di f fe rent and a re impo r tant parameter s not taken in to account . The5e

equa t ion s give no di rec t info rmat ion on the p rof i le of the sco ur hole or , of course ,

on an y re trogress ive or s ideways e ros ion back-cu r rent ) or the prac t ica l conse-

quence s thereof .

At bes t , one can hope tha t the f ina l ups t ream deve lopment of the scour hole

wil l be reached wi thou t any se r ious dan ger to the s tabi l ity of m ajor s t ruc tures , even

though d ow ns t r e a m e r os ion o f t he r i ve r c ha nne l a nd b a nks r e ma ins unc on t r o l l e d .

Such a favorable si tuation is rare, i t requires a wide valley between low, gently

s lop ing ba nks . T he val le y i s u sua ll y t oo na r r ow a n d t he ba n ks t oo s t e e p a n d h igh

for the maximum depth given by these equa t ions to be deve loped wi thout a l so

induc ing an a la rming hor izonta l extens ion.

Intersecting jet spillwa~vs

The inte r sec t ion of je t s f rom an overspi l l sec tion an d a mid-he ight spi l lway can

be put to g ood e f fec t to d issipa te par t of the energy an d reduce the extent of the scour

hole which w ould b e c rea ted by a s ingle spi l lway discharg ing a t the same tota l r a te .

Thu s , as sho wn by Lencas t re tes t s for Al to L indo so da m in Por tuga l , if a

mid-he ight spi l lway discharging Ql i s p laced be low a sur face spi l lway discharging

0 .5 Q I so tha t the i r je ts col l ide , the ho le which result s f rom the to ta l d i scharge I

5

Q I )

ne e d be no l a rge r , a n d c a n e ven be s l igh tl y sma l l er , t ha n t ha t w h ic h w ou ld b e s c our e d

by t he d i scha r ge Q I ) of the mid-he ight spi l lway a lone [go 811.

However , sys temat ic hydraul ic model tes t s have ye t to be done to apprec ia te

the full a f fec t of the di f fe rent parameter s heads , vert ica l d i s tance be tween spi l lway

out le t s , width an d n um ber of jet s , d i sch arge ra t io of in te r sec t ing je ts , e tc . ) .

A drawback of th i s a r rangement i s tha t i t can cons iderably increase the r i sks

assoc ia ted wi th sp rays and mis ts conseq uences on banks , tr ansmiss ion l ines,

swi tchyard, access roads , e tc . ) .

Models

Phenomenologica l models a re necessary in impor tant cases , even wi th wide-

va l ley s i tes , to g ive a be t te r approximat ion of the shape and s ize of a f ree ly

deve loping scour hole or to de te rmine the protec t ion requi red to inhibi t deve lop-

ment. The greatest diff iculty resides in prop er

reprerentation o the erodohle materials.

especia lly cohes ive mate r ial s non-ho mog eneous rock of varying wea ther ing and

hardness , which a lways c onta ins a t l eas t some joints ) and som e means of ver if ica t ion

of the model , e .g. , by rep roduc ing a know n pas t even t rue to sca le , would be neede d.



des discontinuites). Exceptionnellement, la reproduction sur le modele d un proces-

sus d erosion grandeur nature reellement observe permet de verifier la validite de

la representation.

Dans le cas des

sites ouverts

w la modelisation complete du lit et des versants

avec un sable ou gravier de finesse appropriee permet d ktablir les dimensions et la

forme de la fosse finale enveloppe. Toutefois des effets d kchelle sont

a

craindre

a

cause de la variat ion de I angle de talus nature1 avec le diametre des particules du

mattriau granulaire. La profondeur maximale s observe sous I impact des jets; sauf

exception elle n est pas en soi cause de preoccupation. Avec une cuillere de

geometrie appropriee et de portee suffisante, l erosion regressive

a

I amont de

I impact est moderee; peu ou pas de protections (murs parafouilles, tapis de gros

blocs) sont necessaires pour assurer la stabilite de la cuillere (notamment pour les

petits debits tant que le jet ne saute pas).

Par contre, les courants de retour sont frequemment la cause d une extension

laterale excessive de la fosse enveloppe. Ces courants evoluent avec I agrandisse-

ment de la fosse, et quelquefois en s intensifiant. Parafouilles, couvertures de blocs

naturels ou artificiels, epis de beton ou de blocs, combinaisons diverses de ces

ouvrages permettent de stopper cette extension. Des indications utiles concernant

le projet de ces protections (profondeur des parafouilles, poids des blocs, pente des

talus des revCtements, etc.) sont tirees des essais.

Les predictions concernant le developpement des fosses dhmo rtissement dans les

vallees troites sont autrement hasardeuses. Le subterfuge de la fosse enveloppe

determinee a I aide d un modele a fond mobile n est plus applicable, car le profil

d equilibre serait atteint apres I enlevement d une quantite considerable de mate-

riaux, enlevement susceptible de mettre en cause I existence d ouvrages importants

et de produire des barres gCnantes dans le lit a I aval. Les si tuations caracterisees

par un rocher de qualite exceptionnelle dont I usure et la degradation seraient

insignifiants malgre une agression prolongee par les pressions dynamiques, la

cavitation et I abrasion, sont aussi rares que les grandes cascades naturelles dont

1 evolution parait figee a I echelle humaine de duree. Cela n a pas empeche les

projeteurs d un nombre de plus en plus Cleve d evacuateurs en site etroit d omettre

deliberement toute protection de la zone de restitution. L explication sous-jacente

est la faible probabilite d utilisation avec debit eleve pendant longtemps; on sait

qu une telle utilisation aurait pour consequence ineluctable des erosions du lit et des

versants mais on prefere at tendre et voir, en se disant que la progression des erosions

sera assez lente pour permettre la mise en place d une protection avant I apparition

d une situation critique. I1 s agit donc de I acceptation deliberee d un risque dit

t

calcule

D

Lorsque l evacuateur est appele a deverser chaque annee des debits importants

dans un site etroit non protege, des erosions considkrables sont inevitables. Un

exemple frappant est celui de l evacuateur principal du barrage de Tarbela

[19

87

88

sur lequel passent chaque annee pendant plusieurs semaines des debits qui

approchent 000 m3/s (capacite maximale 14 000 m3/s; chute 130 m) (Fig. 11). La

cuillere terminale du coursier lance I eau dans un thalweg etroit, lequel s ouvre dans

la vallee d un ruisseau affluent de 1 Indus. Le thalweg et la vallee sont creuses dans

du rocher de nature variable, de geologie complexe, localement assez dur mais

fortement divise. Aucune protection n avait ete realisee,

a

l exception d un para-

fouille sous la cuillere s etendant lateralement de part et d autre de celle-ci. Des



The use of sand or gravel of appropriate fineness for a complete model of the

river channel and valley flanks at a

wide valley site

will yield the maximum final

size and shape of the scour hole. As the angle of response varies with particle size,

scale effects are important in this type of investigation. Maximum depth occurs at

the point of impact of the jets; this is not usually a cause for worry in itself. With

a bucket of appropriate geometry and throw, retrogressive erosion back from the

impact point will be moderate; little or no protection cut-offs, large blocks) will be

necessary to protect the bucket especially for small flows when the jet does not

jump).

Back-currents however are frequently the cause of excessive sideways extension

of a fully developed scour hole. The pattern of currents change and may intensify

as the hole grows. Cut-offs, boulders, concrete blocks, concrete or rock spurs, and

various combinations thereof, can stop such growth. Useful design information on

such protection dep th of cut-off, weight of blocks, lining batter, etc.) can be drawn

from such tests.

Predictions on the

development of the scour hole in narrow valley sites

are much

more hazardous. The ploy of determining final scour hole size with a mobile bed

model ceases to apply, because the equilibrium profile would be reached after

removal of a considerable quantity of material, liable to completely undermine large

structures and produce serious blockages in the river downstream. Conditions where

there is rock of exceptionally good quality that would be hardly affected by wear

or damage despite prolonged attack by dynamic pressures, cavitation and abrasion

are as rare as the large natural waterfalls whose development appears to be arrested

on the human time scale. This has not prevented designers of an increasingly large

number of spillways in narrow-valley sites from deliberately omitting any protection

in the impact zone. The implied explanation is the low probability of any extended,

heavy discharge whose inevitable consequence would be erosion of the channel and

banks; they prefer to wait and see, on the argument that erosion will be slow enough

for suitable protection to be provided before the situation becomes critical. This is

a deliberate, calculated risk.

If the spillway is required to discharge high flows every year at an unprotected

narrow-valley site, substantial erosion will be inevitable. striking example is the

main spillway at

Tarbela dam [19 87, 88 which operates for several weeks every

year at nearly

8

000 m3/s design capacity 14 000 m3/s, head 130 m) Fig. 11). The

flip bucket throws the water into a narrow valley opening into the valley of a small

tributary stream to the Indus. In both valleys, the geology is complex with highly

variable rock, locally quite hard but quite finely divided. No protection was provided

except for a cut-off extending sideways under the bucket. There has been considera-

ble erosion representing several million cubic metres in a few seasons since first

operat ion 1974), seriously endangering the bucket. Massive rollcrete protection



erosions considerables atteignant un volume de plusieurs millions de m3 en quelques

saisons se sont developpees depuis la mise en service (1974), compromettant

serieusement la stabilite de la cuillere. Des protections massives en beton compacte

(rollcrete)

1681

completees par une carapace en beton arme ancree ont ete mises en

place depuis lors; leur volume total est de l'ordre de 700 000 m3.

La determination des

protections

qui paraissent necessaires des le debut de

I'exploitation ou qui le deviennent pa r la suite est malaisee. Le projeteur ne dispose

m@me as de I'outil imparfait que constitue le modele fond mobile puisque la fosse

d'amortissement admissible est generalement loin d'atteindre la dimension de la

fosse d'equilibre en materiau meuble. Les laboratoires proposent des modeles

realises en tout ou partie avec des materiaux de faible cohesion (sable et chaux, sable

et argile, sable-craie et ciment) censes representer le rocher et par consequent donner

des indications sur I'extension de I'erosion au terme d'un temps don ne de fonc-

tionnement. La modelisation fidele de rochers de differentes duretes, et plus

particulierement celle des discontinuites est malheureusement loin d'ttre maitrisee.

Dans ces rochers, le r61e preponderant des discontinuites (joints, diaclases, fractures,

failles) dans le processus d'erosion, a cause de leur sensibilitk aux fluctuations de

pression dynamique, fait que les resultats fournis pa r un modele cohesif doivent tre

consideres avec reserve, a moins que I'on ait pu etalonner le modele lors des

premiers deversements du prototype pour prevoir le developpement ultime de la

fosse (Kariba).

Le jugement joue donc un r61e important dans le projet des protections en site

etroit. L'idee directrice est que la dissipation d'energie doit se faire dans un volume

d'eau au moins egal 1,5 fois celui du bassin ressaut qui serait necessaire pour

le mtm e debit et la meme chute, un volume largement superieur etant bien entendu

a rechercher. L'obtention de ce volume peut conduir e a une excavation prealable

du lit et des versants, preferable une excavation incontr6li.e par le flot deversant.

I

est souhaitable cependant que la surlargeur de la fosse d'amortissement par

rapport la nappe ou aux jets ne soit pas excessive, afin de contrarier la formation

de courants de retour. Le modele parois fixes donne l'information nkcessaire cet

egard.

Les protections destinees stabiliser la .fi)sse d amortissement consistent en

revttements en beton arme, tapis de blocs naturels ou artificiels ou combinaison des

deux. Les revttements en beton arme resistent beaucoup mieux que le rocher la

degradation causee par les fluctuations de pression dynamique a cause d e leur plus

grande homogeneite. Mais, dans la pratique, ils ne sont guere utilises que pour

proteger les terrains sur lesquels il est facile de les fonder ou de les appuyer,

c'est-a-dire les rochers de qualite mediocre a tres bonne, sinon leur epaisseur

deviendrait prohibitive.

Les tapis de blocs ne conviennent que pour les surfaces horizontales ou

faiblement pentees od le risque de sous-cavation est moins eleve, ce qui reduit

considerablement leur domaine d'application.

La protection concerne le fond ou les parois, ou les deux. Le cas typique de

protection du fond est celui des tapis de reception pour nappes deversantes,

generalement au pied aval de barrages vo0tes. Or les exemples sont nombreux de

tapis ruines ou fortement endommages des les premieres utilisations. I y a d onc lieu

de s'interroger sur la nature et I'ampleur des sollicitations auxquelles ces tapis sont

soumis.



plus a t ied-back reinforced-concrete l ining

[68]

have been found necessary , a to ta l

v o lu m e o f t h e o r d e r o f

700

m3.

I t i s no t easy to de te rmine the

protection

necessary a t the s ta r t o f opera t ion o r

becomin g necessary la te r . The des igner do es no t even have the imper fec t too l o f the

mobi le bed model , because the la rges t scour ho le tha t can be accep ted i s usua l ly fa r

less tha n the s ize o f the f ina l ho le in loose mater ia l . Labora to r ies o f fe r m odels bu i l t

whol ly o r part ly wi th mater ia ls o f low cohesion sand an d l ime, sand an d c lay ,

sa n d /c h a lk a n d c e m e n t ) c l aim e d to r e p r ese n t r o c k a n d th u s g ive i n f o rm a t io n o n th e

ex tension o f e ros ion a f te r a g iven t ime of opera t ion . But the p roper model l ing o f

rocks o f d i f fe ren t hardnesses , an d m ore impor tan t ly , o f d iscon t inu i t ies , i s unfor tu -

na te ly fa r f rom be ing a sc ience . The p reponderan t ro le o f d iscon t inu i t ies in such

rocks joints, f ractures, faults) in the erosion proces s, because of their sensitivity to

f luc tua t ing dynamic p ressures , means tha t the resu l t s f rom a model mater ia l must

be app roach ed wi th cau t ion , un less it has been poss ib le to ca l ib ra te the model a f te r

the f i r s t sp il l ing has tak en p lace , to p red ic t u l t imate de ve lopm ent , as was the case

a t Ka r ib a .

Engineer ing judgem ent there fore p lays a major par t in des ign ing p ro tec tion in

nar row-val ley s i tes . The gu id ing idea i s tha t the energy must be d iss ipa ted in a

vo lume of water ha l f as la rge aga in as the vo lume tha t would be requ i red in a

h y d r a u l i c j u m p f o r t h e sa m e f lowra te an d head , a nd p referab ly la rger . F ind ing th is

vo lume may mea n excavat ing in to the r iver channel a nd banks , as be ing p referab le

to uncon tro l le d sco ur by f low. I t i s however des i rab le tha t the scou r ho le shou ld no t

be much wider tha n the nappe o r je ts , o therwise back-cur ren ts may fo rm. model

with f ixed sides will give valuable information on this point .

eans of stabilizing scour hole growth are re in forced-concre te l in ings and /or

layers o f la rge rocks o r a r t i fic ia l b locks su ch as do losse . Concre te l in ings a re much

more res istan t than rock to damag e f rom f luc tua t ing dyn ami c p ressures because o f

the i r g rea te r un i fo rmi ty . But in p rac t ice , they a re near ly a lways conf ined to p ro-

tec t ing a reas where they have a good foundat ion and back ing such as rock o f

modera te to very g ood qual i ty , o therwise they have to be p roh ib it ively th ick .

Blocks a re on ly su i tab le fo r hor izon ta l o r gen t ly s lopp ing sur faces where they

would no t be u ndercu t , which g rea t ly limi ts the i r f ie ld o f app l ica t ion .

Pro tec t ion may be requ i red fo r the bo t tom an d / or s ides . Typ ica l o f bo t tom

pro tec t ion i s the concre te apron , usua l ly be low arch dams. But there a re many

examples o f such ap rons be ing des t roye d o r se r iously da mag ed r igh t f rom the s ta r t ,

a n d o n e m u s t l o o k a t t h e t y p e s a n d m a g n i tu d e s o f f o r c e s t o wh ic h th e a p r o n i s

exposed .



La surpression permanente

a

I'aplomb de I'impact peut atteindre une valeur

egale la hauteur de chute en l'absence de coussin d'eau amortisseur (Fig. 12). Elle

decroit tres rapidement quand on s'eloigne de la zone d'impact de sorte qu'un effort

de poingonnement concentre est applique sur le tapis de protection. Plusieurs

auteurs, Cola, Lencastre, Hausler, George [30 56 58 79 491 ont tente d'etablir sur

sur modele reduit des relations entre la surpression permanente, la hauteur de chute,

le debit unitaire dans le sens transversal, I'incidence du jet sur le tapis, la distance

au point d'impact et I'epaisseur du coussin d'eau. Quelques mesures sur prototype

ont ete publiees. Les resultats presentent une assez forte dispersion; ils mettent

cependant en evidence l'influence preponderante de I'epaisseur du coussin amortis-

seur present sur le tapis. Cette epaisseur doit Ctre considerable pour que la sur-

pression n'atteigne pas le fond (45 m selon Hausler dans le cas d'un debit unitaire

de 100 m3/s/m tombant de 100 m).

La surpression permanente, si elevee soit-elle, ne pose pas a

pr or

de probleme

structure1 insurmontable; le tapis est en general pose sur le rocher et si des effets

de poutre sont

a

craindre du fait d'un tassement local de la fondation il suffit

d'ajuster en const?quence I'epaisseur de beton et la quantite d'armatures .

En dehors du cas particulier d'un courant charge de sediments abrasifs, la

sollicitation la plus dangereuse provient des sous-pressions. Celles-ci peuvent

s'etablir lorsqu'une fissure du rocher, ou I'interface be to dr oc he r communique avec

la zone d'impact. La surpression permanente se propage lateralement sans diminuer

dans la region ou elle n'est plus equilibree par une surpression egale sur le fond de

la fosse. Elle developpe un effet de verin susceptible d'arracher des volumes de

rocher compris entre les discontinuites naturelles de la fondation et/ou de soulever

le tapis de protection.

Le phenomene est aggravk par les fluctuations de pression dynamique pro-

duites par la macro-turbulence tres forte de I'ecoulement dans la region de l'im-

pact

[63].

Selon Lencastre

[79]

I'amplitude de ces fluctuations au point d'impact

atteint 2,8 fois la surpression permanente en ce mCme point si I'epaisseur du coussin

amortisseur est faible (inferieure a 11,4 fois I'epaisseur du jet). Le mCme auteur a

trouve que dans les conditions particulieres de ses essais, la surpression permanente

et les fluctuations de pression dynamique au point d'impact devenaient negligea-

bles si cette epaisseur etait superieure

a

5 fois l'epaisseur du jet. De nouveaux essais

devraient tre onduits pour mieux analyser le phenomene; I'influence de la hauteur

de chute notamment semble ne pas avoir ete suffisamment etudiee.

On voit que le mecanisme de rupture preponderant au fond d'une fosse

d'amortissement est analogue

a

celui decrit pour expliquer la destruction du radier

des bassins d'amortissement. Le risque de vibration des dalles elementaires et de

fatigue du beton et des armatures par contraintes alternatives n'est pas non plus

negligeable, sauf si la couche tampon atteint une epaisseur suffisante pour que la

surpression et les amplitudes des fluctuations soient reduites de maniere significa-

tive.

Puisqu'ils ont pour but d'empCcher que la fosse d'amortissement atteigne la

profondeur d'equilibre a laquelle la surpression d'impact et les fluctuations de

pression dynamique ne sont plus significatives, les tapis de protection sont etablis

a une cote relativement elevee. MCme en I'absence de coussin amortisseur ils peuvent

resister

a

des deversements prolonges s'ils ne sont pas soumis a des sous-pressions.

Les dispositions constructives preconisees pour les radiers des bassins d'arnortisse-



In the impact zone, the dynamic pressure may be equal to the total reservoir

head if there is no cushion of water to soften the load Fig. 12), but it decreases

rapidly farther away so that the net effect is a concentrated load on the apron. Cola,

Lencastre, Hausler, George and others [30,

56 58, 79 491

have attempted

experimentally to find the relationships between steady pressure, head, discharge

per unit width, jet angle with the ap ron, distance from point of impact a nd standing

water depth. Some measurements from completed dams have also been reported.

There is quite a high degree of scatter in the results although they all agree as to the

importance of the depth of the water cushion on the apron.

A

considerable depth

may be needed to prevent the pressure reaching the bottom Hausler reports 45 m

for 100 m3 /s . m width for a height of 100 m).

This dynamic pressure, however high, should not raise an insurmountable

structural design problem; th e ap ron usually overlies rock and even if it has to span

over a localized depression in the foundation, it is simply a matter of making it

thicker, with more reinforcement.

Leaving aside the particular case of abrasive sediment load, the most dangerous

factor is uplift pressure if a fi ddure in the rock, or the rock/concrete interface,

communicates with the impact zone. This pressure propagates outwards without

loss, and where it is not counterbal anced by the falling jet above, it may act like a

hydraulic jack capable of lifting the apron off its foundation and/or of displacing

whole blocks of rock between natural joints.

This situation may be aggravated by fluctuating dynamic pressures caused by

the high macroturbulence in the impact zone [63] Lencastre

79

reports values

2.8 times higher than the average pressure in this zone if the layer of cushioning

water is shallow less than 1.4 times the jet thickness), but both the average pressure

and the fluctuating pressure became negligible at the point of impact when the water

depth was more than 15 times greater than the jet thickness, under his particular test

conditions. More experimental research is needed. The influence of the height of

the jet in particular does not seem to have been sufficiently investigated.

Thus the most imp ortant type of damag e to a plunge pool is similar to what was

described to explain the destruction of t he floors of hydraulic jump stilling basins.

The risk of vibration of the slabs an d fatigue in the concrete an d reinforcement under

these alternating stresses is also significant except if there is a sufficient depth of

water to substantially reduce the magnitude of the pressure and the amplitude of

the fluctuations.

Concrete aprons are set at a relatively shallow level, precisely because their

purpose is to prevent scour down to a stable depth where the steady pressure and

pressure fluctuations would cease to be significant. Even if there is no cushion of

standing water, they can successfully withstand prolonged spilling provided they are

not exposed to uplift pressures. The same constructional arrangements as for stilling

basin floors therefore apply sealed joints, dowels and shear keys, and de ep anchors



Fig. 11

~v ac ua teu r r incipa l du ba r rage de Ta rbe la (Pak is t an ) .

Tarbela dam service spillway Pakista n).

A)

Profil en long suivant l 'axe du coursier de 1'Cvacuateur principal.

Section along axis of service spillway chute.

(1) Retenue normale (472,75 m).

I ) Normal pool level 472.75 m).

(2) Mur bajoyer .

2) Guide wall.

(3) Ar tede la cuillere El. 372,lO m.

3) Bucket lip. El 372.10 m.

4) Mu r parafoui l le .

4) Protection wall.

(5)

Galer ie d e drainage t ransversale basse .

5) Lower transverse drainage gallery.

(6) Tubes piezometriques.

6) Standpipe piezometers.

(7) Ga ler ie de drainage longi tudinale .

7)

Longitudinal drainage gallery.

(8) E xtensometres en forage a points multiples.

8) Multiple point borehole extensometers.

(9) Voile d'injection.

9) Grout curtain

(10) Radier du chenal avant fonct ionnem ent de

10) Ground level before spillway operation

I 'evacuateur El. 356,85 m.

El. 356.85 m.

(1 1) 7 vann es segmen ts 15,25 17,69 m.

11) 7 sector gates 1 5.25

x

17.69 m.

(B) Fosse de reception de l 'evacuateur principal Vue en plan.

Service spillwa y plunge pool lan view.

( I ) Cui l lere de l 'evacuateur .

I ) Spillway bucket.

(2) Mur de confinement la tera l complet exe-

2) Fully confining dyke 1979-1980

cute en 1979-1980.

(3) Beton arme ordinaire .

3) N ormal structural concrete.

(4) Massif d'enrochements. 4) Rockfill.

(5) Zones de drainage.

(6) Beton compacte au rouleau.

5) Drainage zones

6) Rollcrete.



Barrage e Tarhela T1,{klstarl).L~. lcu llt.ur ri l u e

arhela

d rn

Pa kis fan ) Sprllvwoy



Fig. 12

Surpression perrnanente sur un tapis de protect ion sous une nap pe deversante .

Permanent a dditional pressure over the apron surfnce below a free-falling jet.

1) A h Surpression permanente .

(2)

H ~ ~ a i s s e u ru coussin d eau amort is-

seur.

3)

y

= Distance horizontale depuis le centre

de l impact.

D apres

R

Cola :

Si H

>

7,43 B.

Ah max

7,43

Vo2/2g

B/H.

Ah

A h

max x e - j U 4 H

I ) Ah Addition al permanent pressure.

(2)

H Thickness of water cushion.

3)

y Horizontal distance from center of im-

pact area.

After

R.

Cola

If H > 7 .43 B.

Ah max 7 .43 Vo /Zg x B / H .

Ah Ah max

x

e '

I.



ment s ' app l iquen t donc

a

ces tapis etancheite des joints, monolithism e, ancra ges

profo nds po ur prevenir les vibrations (et pour equilibrer des sous-pressions residuel-

les) [114]. L'epaisseur des dalles et les quantites d 'armatures et d 'ancrages doivent

Ctre cons iderablement augmentees

sous I ' impact e t a cour te d is tance autour de

celu i-ci . Com me la sur face concernee es t generalement l imitee , la depense entra inee

par ce renforcement local n 'est pas prohibi t ive . O n peut a jouter un drainage d e

I 'in ter face b et od ro ch er a condi t ion q ue les exutoires so ient elo ignes de la region

des surpressions.

La secur i te suppleme ntaire app or tee par u n couss in d 'eau amor t is seur n 'es t

s ignif icat ive qu 'a par t i r d 'une cer ta ine epaisseur de ce couss in . Comme indique

precedemment, les essais sur modkle et ies mesures sur prototype, dont les resultats

ont e te publ ies a ce jour , sont encore insuff isants pou r qu 'on puisse proposer une

relation generale entre tous les parametres concernes. I1 semble que la surpression

permane nte e t les fluctuat ions dynamiqu es associees, su r le tap is a l ' endroi t de

l ' impact , ne so ient d iminuee s de faqon notable qu 'a par t i r d 'un e epaisseur de l 'o rdre

de 20 de l a chu te .

Pour ob tenir le couss in am or t is seur sans t rop excaver le l it , un contre-barrag e

formant seui l de contr6 le es t par fo is cons tru i t l 'aval (bar rage de Vouglans,

France)

111,

271 I1 convient toutefo is de ne pas reduire excess ivement le volume

d 'ai r au-dessous de la nappe dkversante , af in d lemp cher es osci l lat ions de cette

nappe. C e phenom ene d 'oscil la t ions peu t aussi resul ter d 'une m ontee accidentelle

du n iveau aval causee par I 'ed ificat ion d 'une bar re d e sediments a la sor t ie de la fosse

d'amortissement.

Les

protections late rales devraient Ctre limitees

a

celles nkcessaires pour eviter

l 'e rosion par le courant sor tant de la fosse d 'amor t is sement ou les courants de re tour

impossibles a supprimer. Une telle l imitation signifie l 'absence d ' impact direct sur

les versants, par tout ou I 'epaisseur de la couche ta mp on serai t negligeable; e l le

implique souven t l' execution d 'une preexcavat ion dan s le p ied des versants .

La turbulence associee aux c ourants d e sor tie ou d e re tour es t cons iderablem ent

moindre que cel le presente da ns la zone d ' impact . S i les parois se t rouvent a une

dis tance suf f isante de cet te zone, les f luctuat ions d e press ion dynam ique au xquel les

les protections s eront soum ises seront do nc tres attenuees. S ' il s 'agit de revetem ents

ou m urs en beton ver ticaux ou for tement incl ines , une sous-pression re la t ivement

faib le peut cepen dant suf f i re pour provo quer leur basculement . Une ass ise confor ta-

ble et des ancrages au rocher sont les moyens d 'assurer la s tabilite. La situation la

plus diff icile est celle dans laquelle les murs lateraux ont aussi pour fonction de

soutenir le versant. Dans tous les cas, la preservation de I ' integrite de leur bord

inferieur est une preoc cupa tion ma jeure. Lorsqu'un tapis de reception est present,

la fosse d 'amor t is sement es t prat iquement cuvelee e t la tenue des protect ions

la terales ne peut se d issocier de cel le du tapis . La s i tuat ion co ntra i re suppose qu e

la fosse d 'amortisseme nt est laissee libre de se creuser a la faveur des deversements

jusqu 'a ce que la couche tam pon at te igne une epaisseur suff isante pou r que I ' appro-

fondissement dev ienne extrCmement lent . La prudence co mm ande alors de donne r

aux protections la terales des avant la mise en serv ice de I ' amenagement une

profondeur super ieure de p lus ieurs metres

a

celle de la fosse f inale, ce qui im pliqu e

des excavat ions del icates en t ranchee. Pour l imiter leur profond eur , o n peut envi-

sager de ra lent ir le creusem ent nature1 de la fosse par d ep6t de b locs a p ar t i r d 'un

cer ta in degre d 'eros ion; mais cet te so lu tion es t beauc oup moins sure e t souleve des

dif f icul tes prat iques souvent insurm ontables .



to prevent vibration and resist any residual uplift pressure) [ 141. Th e sla b t hick ness

a n d to n n a g e o r r e inf o rc e m e n t a n d a n c h o r s t ee l m u s t b e m o r e su b s t a n ti a l a t a n d

arou nd the po in t o f i mp act ; s ince th is invo lves on ly a re la t ive ly l imi ted a rea how ever ,

the ex t ra cost i s no t p roh ib i t ive . Dra inage can be p rov ided a t the rock /concre te

in te r face p rov ided the ou t le ts a re wel l away f rom t he a re a o f h igh p ressure .

The ex t ra p ro tec t ion p rov ided by a subm erged apro n i s on ly s ign i fican t i f the

water cush ion i s deep enough . As a l ready ment ioned , model tes ts and fu l l - sca le

measurements repor ted to da te a re s t i l l too incomple te to der ive any genera l

re la t ionsh ip be tween a l l the fac tors invo lved . I t would app ear tha t there i s no

apprec iab le reduct ion in the combined s teady and f luc tua t ing p ressures if the dep th

of water i s less than a round 2 per cen t o f the head .

A smal l ta i lwater dam o r weir i s one way of ob ta in ing a water cush ion wi thou t

the need fo r dee p excavat ion Vouglans dam , France) [ I I ,

271

C a r e m u s t b e t a k e n

however no t to reduce excessive ly the a i rspace undernea th t he na ppe to p reven t

osc il lat ing flow condi t ions . In th e sam e way , considera t ion shou ld be g iven to the

r isk o f sed iment bars fo rming downst rea m w hich migh t cause an u ndu e r i se in the

tailwater level.

ide protection

should be kept to the minimum necessary to prevent erosion

by the cur ren t emerg ing f rom the sc our ho le and t he inev i tab le back-cur ren ts . Th is

m e a ns t h a t t h e n a p p e o r je ts m u s t n o t im p in g e o n th e b a n k s wh e r e t h e d e p th o f wa te r

is insuff icient; cuts into the bank are often necessary.

The tu rbu lence assoc ia ted wi th back-cur ren ts and the f low leav ing the scour

ho le is considerab ly less than in the im pact zone . I f the s ides a re fa r eno ugh aw ay ,

the f luc tua t ing dyn ami c p ressures on th e s ide p ro tec t ion wi ll be g reat ly a t tenuated .

However, with vert ical or battere d concrete w alls or l inings, a relatively low pressure

o n th e r e a r f a c e m a y b e e n o u g h to c a u se t h e m to t o p p le . A l a rg e f o o t in g a re a a n d

rock anchors will provide stabil i ty .

A

more d i f f icu l t s i tua tion i s where the s ide wal ls

a lso shore u p the ban k . In a ny even t , p ro tect ion o f the low er edge i s the ma in i ssue .

If s ide p ro tect ion i s combined wi th a concre te ap ron , the sco ur ho le i s a lmost fu lly

c o n ta in e d a n d th e s t a b il it y o f t h e s id es a n d a p r o n c o m b in e d in to t h e sa m e p r o b le m .

The opposi te s i tua t ion i s where the sc our ho le i s a l lowed to dev e lop f ree ly dur ing

sp i llage un t i l the de p th o f water i s su f f ic ien t fo r fu r ther deepe n ing to p roceed very

slowly . In th is case , i t i s wise fo r the s ide p ro tec tion bu i l t a t the sam e t ime as th e

d a m to b e se v e r a l m e t r e s d e e p e r t h a n th e f i n a l s c o u r h o l e d e p th , wh ic h m e a n s

awkward t rench in g work . In o rde r to l imi t the dep th o f these wal ls , i t i s conce ivab le

to t ry to s low dow n the ra te o f deepen in g o f the sco ur ho le by t ipp ing in blocks once

it has reached a cer ta in dep th ; bu t th is i s a mu ch less rel iab le so lu t ion an d may of ten

invo lve insu rmountab le p rac t ica l p rob lems.



Les protections laterales en blocs de rocher ou de beton ne conviennent que

dans le cas (traite au debut de ce sous-chapitre) des fosses d'amortissement en site

ouvert. Elles sont utilisees pour stabiliser des pentes relativement douces a l'interieur

de la fosse et les berges proprement dites a distance prudente de la zone d'impact.

3 6 4

Essais

sur

modele

~ e f

9 ]

Comme indique precedemment, les parties amont et intermediaire des eva-

cuateurs de surface, seuils frontaux, lateraux ou circulaires, chenaux d'approche,

entonnements, puits, coursiers a I'air libre ou en souter rain, n'exigent pas systemati-

quement d'essais sur modele, sauf s'ils comportent des elements don t la configu-

ration s'eloigne resolument de precedents eprouves. Lorsque ces parties d'ouvrage

sont modelisees, c'est generalement a I'occasion de I'etude des conditions de

restitution pour lesquelles la totalite de I'evacuateur de surface est generalement

representee. C'est pourquoi les reflexions exprimees dans les lignes suivantes sont

limitees a la

modelisation des ouvrages de restitution.

Le dimensionnement purement hydraulique des

bassins

a

ressaut

requiert des

essais sur modele dans le cas d'une configuration differant notablement de celle des

ouvrages catalogues. Sinon elle ne presente guere qu'un interCt de verification.

Si un modele est realist', il doit Ctre exploite pour fournir aussi des informations

sur I'amplitude des fluctuations d e pression dynamique en divers points des parois

mouillCes fin du coursier d'approche, radier et partie basse des piedroits. L'experi-

mentateur dispose maintenant de moyens adequats, tant pour I'enregistrement de ces

fluctuations (capteurs electro-piezometriques) que pour I'exploitation des enregis-

trements (determinat ion automatique des parametres caracteristiques moyennes,

ecart types, distributions, spectres de puissance,...).

Par contre, le modele reduit est indispensable dans le cas des

cuill res et nappes

deversantes, avec fosse d hmort issement.

La definition des cuilleres susceptibles de donner aux jets la trajectoire, la

division et I'ktalement souhaites ne peut se faire qulexpCrimenta ement. Le modele

permet en plus de mesurer les efforts exerces sur la cuillere et de determiner le debit

(generalement petit) au-dessous duquel cette cuillere maintient un ressaut sur le

coursier (la valeur de ce debit est plus forte pour les valeurs croissantes que

dkcroissantes).

L'estimation des dimensions f inales de la fosse d'amortissement en site ouvert,

a I'aide d'un modele totalement affouillable, a dkja Cte mentionnee. L'objet principal

de I'essai est alors de verifier si I'erosion regressive est susceptible de compromettre

a terme la stabilite de la cuillere de lancement et si des barres gCnantes se forment

a I'aval.

Dans le cas d'une vallee etroite, la determination realiste de la fosse naturelle

d'equilibre impliquerait la modelisation du rocher et de ses discontinuites avec un

materiau de cohesion appropriee

[67]

Des progres impor tants sont encore faire

dans ce domaine. Le modele reduit reste cependant un outil de travail du projeteur.

Les essais sont commences avec un fond totalement affouillable et repetes avec des

materiaux presentant quelque cohesion. Si des barrieres imperatives sont imposees

a I'erosion, vers le bas, I'amont et lateralement, elles sont incorporees au modele,

de preference apres l'essai sur fond totalement affouillable. Les conditions

d'ecoulement au contact des parois fixes sont alors observees (absence ou non de



Rock or concre te b locks fo r s ide p ro tec t ion a re on ly feas ib le in the case o f

wide-va l ley s i tes ment ioned a t the beg inn ing o f th is sec t ion . They are used to

s tab i l ize re la t ive ly gen t le s lopes ins ide the scour ho le and up the banks to a

comfor tab le d is tance f rom the impact zone .

3.6.4. Model tests Ref . [9 ]

I t has a l ready been sa id tha t m odel tes ts a re no t a lways needed fo r the upst ream

an d central parts of surface spil lw ays frontal si l ls , side inlets or circular si lls ,

approach channels , in le t shapes , shaf ts , chu tes and tun nels) excep t where they d i f fe r

widely from well-know n types. W hen m odels ar e buil t this is generally taken a s a

g o o d o p p o r tu n i ty t o e x a m in e c o n d i t io n s a t t h e d o w n s t r e a m e n d , f o r wh ic h th e w h o le

sur face spi l lway is comm only represe n ted . Th is is why the fo l lowing paragraphs a re

conf ined to the te rmina l s t ruc tu re.

The pure ly hydrau l ic des ign o f

hydraulic jump stilling basins

only requ i res

model tests if the configuration is signif icantly different from what has been done

in the past . Otherwise i t only serves to check the design.

If a model i s bu i lt , i t must be run in such a way a s to y ie ld in format ion o n the

ampl i tude o f the dynamic p ressure f luc tua t ions a t var ious po in ts on the wet ted

sur faces lower end o f the chu te , f loor and the foo t o f the s ide walls . Eng ineers now

have the equ ipment fo r record ing these f luc tua t ions p iezoe lec t ric ce ll s ) an d fo r

ana lys ing the records au tomat ic de te rmina t ion o f charac te r is t ic paramete rs means ,

s tandard dev ia t ion , d is t r ibu t ion , po wer spec t ra a nd so fo r th ) .

A

sc a l e m o d e l i s e s se n t i a l o n t h e o th e r h a n d w i th Jlip

buckets and nappes

impinging into a scour hole

Deta i led des ign o f bucket s hape s tha t ang le , d iv ide , impact o r sp read the je t a s

requi red can on ly be d on ne by exper iment . The m odel wi ll a l so measu re loads on

the bucket and de term ine the usua l ly smal l ) d ischarge be low which a s tand ing wave

will form on th e bucke t this cri t ical f lowrate will be higher when the discha rge is

increasing, lower when i t is decreasing) .

Est imat ing the f ina l d imensions o f the sco ur ho le a t open-va l ley s ites by means

of a fu ll mobi le -bed m odel h as a l ready bee n m ent ioned . Th e ch ief ob jec tive o f the

test is then to chec k that retrogressive eros ion is not l ikely to enda nger th e stabil ity

of the bucket of form bars across the r iver channel.

At nar row-val ley s i tes , rea l is t ic de te rm ina t ion o f th e s tab le scou r ho le means

tha t the model must reproduce the rock and i t s d iscon t inu i t ies , us ing a model

material wi th the appr opr ia te cohesion [67] I t has a l ready been s a id tha t rea l p rogress

in this area is st i l l awaited. But the scale model is st i l l a useful tool. Tests should

begin wi th a b ed mater ia l o f fe r ing no res is tance aga ins t scour , and sub sequen t runs

made with a sl ightly cohesive material . I f there are any well-defined barr iers to

eros ion a t the bo t tom, s ides o r upst ream edge o f the scour ho le , they shou ld be

included in the model, preferably af ter the f irst test with cohesionless bed material .

Flow condi t ions a t the f ixed s ides can then be investiga ted whether o r no t



courants de retour). Les vitesses, pressions et fluctuations de pression dynamique

sont mesurees aux points significatifs; les resultats fournissent une indication

precieuse sur le potentiel d erosion auquel le rocher ou I ouvrage de protection

devront faire face. On peut en tirer une prevision sur les chances de tenue du rocher

non protege (chances faibles en general) ou d un revitement de type donne. La

profondeur de la

couche tampon et I extension laterale de la fosse comptent parmi

les parametres essentiels de I essai.

Si les protections envisagees concernent uniquement les c6tes de la fosse

a

I exclusion de l aval et du fond, leur limite infkrieure doit se trouver partout

largement au-dessous de I intersection du fond mobile final avec les parois fixes qui

modelisent ces protections. Le fond mobile final est celui obtenu par I incorporation

des parois fixes au modele vierge totalement affouillable.

La

mesure des vitesses le long des parois permet aussi d evaluer le risque de

transport solide plus ou moins grossier et le risque d abrasion qui en resulte

(notamment si le fond de la fosse n est pas revi tu). Ce risque peut Etre limite par

la construction de parois de protection verticales moins exposees I abrasion, mais

qui, par contre, peuvent poser des problemes de stabilite delicats lorsque ces parois

jouent le r61e de soutenement du pied des rives (ancrages profonds necessaires).

3 7 PROTECTION CONTRE

LE GEL

Les glaces peuvent endommager les vannes et bloquer leur ouverture. Seul le

chauffage permanent des elements vulnerables (joints d etancheite, drains, reni-

flards, guides, rainures) peut rendre les vannes utilisables a tout moment en cas

d urgence.

Les fuites provoquent un amoncellement de glace susceptible de devier

I ecoulement ou d entraver le bon fonctionnement des cuilleres en saut de ski. Les

embruns en gelant peuvent aussi provoquer des accumulations de glace redoutables

pour les lignes. C est pourquoi la dissipation d energie s effectue parfois en sou-

terrain comme aux barrages de Mica Creek et de Portage Mountain (Canada)

[59

150

1541

On peut aussi eviter le blocage en chauffant le tablier des vannes c6te aval

protege par une insulation. Dans certains cas, on injecte de I air comprime par des

tuyaux perfores places

a

une certaine profondeur sous le niveau de I eau et qui, par

barbottage, transporte vers la surface I eau plus chaude et evite la formation de glace

contre le tablier de la vanne. On peut aussi injecter directement I eau profonde plus

chaude ou I eau de refroidissement des alternateurs pour eviter la formation de glace

contre les vannes. Les piles peuvent it re egalement protegees du gel par chauffage

electrique des barres d acier d armature

[XI



back-currents appear). Current velocities, pressures and dynamic pressure fluctua-

tions are measured at significant points and yield valuable information on the

erosion potential which the rock or lining must withstand. One can predict the

likelihood of the unprotected rock remaining undamaged the probability is usually

very low) or the utility of a given type of lining material. The depth of standing water

and the sideways extension of the hole are two essential parameters for the test.

If the hole is to be lined only at the sides not at the bottom or downstream end),

the concrete should extend downwards to a level just below the final depth of the

scoured bed on the fixed-side model. The fixed sides representing the lining must

be in place before subjecting the movable bed material to scour for the final depth

to be a true estimate.

Measurement of velocities along the sides also helps in evaluating the risk of

more or less coarse solids being entrained and resulting abrasion especially if the

bottom of the hole is not lined). This risk can be controlled by building vertical

linings that are not so exposed to abrasion, but the problem may become more

complex if these linings also serve to shore up the banks deep anchors are nessary).

3 7

PROTECTION AGAINST ICE

Ice can damage gate components, causing them to jam, and the only solution

affording permanent emergency availability is to heat vulnerable parts such as seals,

drains, vents, grooves and guide rails.

Leakage down spillways can cause a buildup of ice which can divert flow or

diminish the efficiency of ski-jumps and flip buckets. The freezing of mists and

sprays has an equally adverse effect on transmission lines and building roofs, and

it is for both these reasons that spillways sometimes discharge underground, as it

is the case at Mica Creek and Portage Mountain in Canada

[59 150 1541.

Jamming due to ice buildup can also be prevented by heating the downstream

side of the gate leaf itself with insulation to prevent heat loss to air), or by releasing

compressed air from perforated tubes a certain distance beneath the water surface,

the air bubbles entraining warmer water to the surface near the gate leaf. Alterna-

tively, warmer water taken from deeper in the reservoir, or generator cooling water,

can be pumped to near the gates. Concrete piers can also be protected by electrically

heating their reinforcement bars [75].



4.

EVACUATEURS D E F O N D

E T D E D E M I F O N D

4 1 CONSTITUTION - PRINCIP LES CARACTERISTIQUES

BUTS RECHERCHES *)

Les ouvrages consideres dans ce chapitre sont les pertuis, conduits ou galeries

equip de vannes, fonctionnant en charge sur tout ou partie de leur longueur et

destines a evacuer ou restituer I'eau de la retenue dans la riviere a I'aval du barrage.

Dans les sections

3 4

et

3.5

la mise en charge de I'entonnement et d'une certaine

longueur du coursier des evacuateurs de surface a ete mentionnee. Bien qu'il n'y ait

pas de critere strict de classification, le terme evacuateur de demi-fond ou de fond

s'applique plus particulierement dans ce chapitre aux ouvrages fonctionnant sous

une charge qui est la hauteur complete du barrage ou une fraction importante de

cette hauteur, et dont le debit represente la capacite totale d'evacuation de l'ame-

nagement ou une portion notable de cette capacite. Quelques indications seront

donnkes cependant concernant les ouvrages en charge destines

a

restituer de petits

debits.

Suivant la capacite d'evacuation, les charges, le type de barrage, la frequence

d'utilisation, les problemes de restitution aval et l'etat des progres technologiques,

les moyens adoptes sont tres varies.

Les progres realises, en particulier dans la technologie des vannes, ont permis

l'utilisation de pertuis de fond de grande section et sous forte charge pour I'eva-

cuation de gros debits de crue. Cette possibilite presente des avantages certains. Un

inconvenient peut etre que la capacite de ce type de pertuis est proportionnelle

a

la racine carree de la charge, de sorte que lorsque le regime des debits n'est pas bien

connu,

l

peut tre necessaire d'associer l'evacuateur de fond un evacuateur de

surface, afin de mieux s'assurer contre les risques de debordement. D'autre part, les

conditions severes dans lesquelles peuvent fonctionner les grands evacuateurs de

fond exigent un equipement hydromecanique parfaitement fiable et apte

a

regler le

debit evacue; elles exigent egalement une bonne connaissance des conditions de

resistance aux ecoulements

a

grande vitesse des materiaux de construction utilisks

dans les pertuis.

Les buts auxquels peuvent repondre les pertuis de fond et de demi-fond dans

les barrages peuvent etre enumeres comme suit

a maitrise et l'kvacuation des crues;

a vidange du reservoir pour l'entretien du barrage;

a maitrise du niveau de la retenue lors du premier remplissage;

'abaissement rapide du niveau du reservoir en cas d'anomalies;

I'evacuation des sediments;

a derivation provisoire du cours d'eau pendant la construction du barrage;

a realisation d'un creux preventif dans la retenue avant I'arrivee d'une crue.

*) Ref. [ l l

21 27 32 1361.



4

ORIFIC E SPILLWAYS

4.1. CO MPO NEN TS LEADING CHARACTERISTICS OBJECTIVES (*)

This Chapter considers orifice or submerged spillways, ie, gated sluices and

iunnels discharging downstream of the dam. Surface spillways with pressure flow

conditions at and for a short distance behind the inlet are discussed in sections 3 4

and

3 5;

although there is no well-defined criterion for demarcation, the term orifice

spillways is taken here to mean high-head outlets set at the bottom of the dam or

at some substantial fraction of the dam height below water level, and whose

discharge capacity represents all or a substantial proportion of the total discharge

capacity of the dam. Notwithstanding this definition, some remarks will also be

made on submerged outlets of smaller size.

There are a variety of different arrangements of orifice spillways to suit

discharge capacity, head, dam type, frequency of operation, downstream conditions

and the available technology.

Recent progress, with gates in particular, now makes it possible to have very

large bottom sluices under very high heads for river flood discharge. There a re some

undisputed advantages. But one drawback may sometimes be that discharge capa-

city varies as the square root of the head, so that if the pattern of river flow is not

well documented, it may be necessary to provide a surface spillway as well for

greater insurance against overtopping. The severe conditions under which large

high-head spillways sometimes have to operate also demand a very high degree of

reliability and control from the hydro-mechanical equipment ; the designer must also

know the properties of the materials used in the sluices to resist high velocity flows.

Bottom outlets and high-head sluices may be required to serve any of the

following services

i) control and discharge surplus inflow, ii) draw down the

reservoir for dam maintenance, iii) control reservoir level at the critical time of first

filling, iv) draw down the reservoir rapidly in an emergency, v) sediment flushing,

vi) deliver water for project purposes, vii) discharge river flow during the

construction of the dam, and viii) flood prereleases:

( )

Ref.

[I 1 21 27

32

1361.



En regle generale , les deb its reserves sont relat ivement faibles et son t pou r cet te

ra i son res t i tues par un ouvrage spec ia l .

Q ue lque s exemples dbuvr ges import n ts permet tent de f ixer les ordres de

grandeu rs des poss ibi li tes e t des rea l isa t ions par r ap por t a ces buts.

Le r6le essent ie l des per tuis es t l ' evacua t ion des c rues , comme ceux du

bar rage-voi i te d e Kar iba en Zamb ie-Zimba bwe ou les six per tuis de 8 ,5 m x

9 l

m

debi tent

9

500 m3/s sous une charge d e 33 m (Fig . 13) . L 'evacua teur de c rue d u

bar rage-voi i te de Cabora-Bassa

[ i 1 6 1 1 9 1

(F ig . 14) en M ozam bique es t cons t i tue

e s sen t ie l le me n t de hu i t pe r t ui s d e de mi - f ond e qu ipe s de va nne s s e gme nt s de 6 m

x 7,8 m, debi tant au to ta l 13 100 m3/s sous une charge de 82 m.

L es c inq pe rt u is d e f ond du ba r r a ge po ids d e O h do a u Ja p on d e 5 m x 5,6 m,

de b i t a n t a u t o t a l 3 800 m3/ s sous un e c ha r ge de 58 m son t c onqus pou r pe r me t t r e

une exploi ta t ion e f f icace de la r e tenue po ur le cont r6le des c rues. Le pertuis de fo nd

pr inc ipa l en ga le r ie d u bar rage en te r re de M 'Jara [I171 a u M a r oc e s t p re vu d a ns l e

mCme but avec une vanne segment de 6 ,2 m x 6,6 m pouv ant debi te r 400 m3 /s

sous une charge de 73 m.

Le bar rage voi i te de Sa inte -Croix

[ I

(F ig . 15) en F rance com por te deu x per tuis

de f on d de 4 ,5 m

x

4 m d ' un de b i t t ot a l de 1 100 m3 / s sous une c ha r ge de 72 7

m .

Le bar rage voi ite de La Bar the [ I ] e n F r a nc e c om por t e de ux pe r t u is d e f ond d e 3 ,5 m

x 3 ,3 m c a pa b l e s , sous une c ha r ge de 59 m, d ' un de b i t de 2 x 350 m3/s . Ce s per tuis

rempl issent les fonc t ions d ' evacua tion de c rues , de vidange pou r I ' ent ret ien e t de

vidange pour une decharge rapide eventue l le .

Les per tuis de fond du bar rage a c on t re f o rt s de K ha shm e l G i r ba a u S ouda n ,

c ompor t a n t s e p t pe r t u is d e 7 m x 7 m, sont conqus pour se rvi r comme evacua teur

de c rues pr inc ipa l e t permet t re le passage d e c rues a bas n iveau p ou r I ' evacua tion

de g r a nde s qua n t i t e s de s e d ime n t s

[ I ] ] .

Le debi t maximal des per tuis es t de

7 700 m3/s sou s une charge de 32 m (Fig. 16). Les six per tuis d u bar rage a contrefor ts

de Rose i res (F ig. 16) au Sou dan sont conqus pour jouer le m me 61e 6 pertuis d e

6 m x 10,5 m pouvant debiter

7

500 m3/ s sous une c ha r ge d ' e nv i ron 35 m

[ l l ] .

L'evacua teur d e c rues princ ipa l d u bar rage a cont re for t s .de Jup ia (F ig . 16) au

Bresil

[ I l l

es t cons t i tuk de 37 per tuis de fond de 10 m

x

7,5 m pouvant debi te r

45 000 m3/s sous une charge d e 19 m. Ce t te d ispos i tion a e te adop tee en par t ie p our

permet t re la der iva tion d e debi t s tr es impor tants pe nda nt la coup ure e t l a der iva t ion

de la r iv ie re en phase de t r avaux.

Un exemple d e per tuis impo r tants prevus pour co nt r6le r le premier r empl issage

d 'une re tenue es t ce lui

d u

bar rage a voi i tes mul t ip les de Manicouagan 5 (Danie l

J o h n s o n ) [37] a u Ca na da . D e ux pe r t u i s de 4 ,4 m x

3 ,35 m e qu ip t s de va nne s

segments ont e te cons t rui ts pou r permet t re I 'evacuat ion d e 000 m3 /s sous une

charge de 75 m mais devant pouvoi r fonc t ionner sous une charge de 150 m. Les

per tuis ont e te bouche s apres le r empl issage de la r e tenue .

Pour la r es t i tu t ion d e debi t s en ava l du bar rage , en deh ors d e la per iode des

crues , on a souvent r ecours r des robine ts

a

I 'extremite de conduites forcees

permet tant un reglage des d ebi t s p lus f in que ce lui poss ible avec d e grandes vannes .

O n p e ut c it er e n ex e m p le le ba rr ag e po i ds d e G r a n d C o u l e e a u x ~ t a t s - ~ n i sui est

equipe d e 40 condu i tes de res t i tu t ion, de 2 ,6 m d e diametre , u t i li sees po ur le cont r6le

des debi t s e t ayant un e cap ac i te to ta le de 6 370 m3/s . Les cond ui tes sont equipees



Compensa t ion wate r r e leases , des t ined to mainta in a spec i f ied f low in the

downst ream watercourse , a re usua l ly smal l and a re provided through a spec ia l

out le t .

A few examples taken f rom major dams wi l l g ive a genera l idea of what has

be e n d on e t o da t e i n t h i s a r e a.

The main purpose of s lu ices i s d i scharging excess inf low l ike those a t Kar iba

a r ch d a m on t he Z a m bia - Z imba bw e bor de r w he r e t he s ix 8 .5 m x 9.1 m sluices

discharge 9 500 m3/s u nde r a he ad of 33 m (Fig . 13). Th e spi llway a t Cab ora Rassa

[ I

16

1191 in Mozambique (Fig. 14) consists basical ly of eight middle- level sluices

wi th radia l ga tes measur ing

6

m x 7.8 m, for a to ta l d i scharge of 13 100 m 3/ s und er

a 82 m he a d .

T he f ive bo t t om ou t l e ts a t O hd o g r av i ty d a m in J a pa n me a sur e 5 m x 5.6 m

for a to ta l d i scharge of 3 800 m3/s un der a 58 m head . They a re des igned for e f f icient

r e se r vo i r ma na ge me nt f o r f l ood c on t r o l pu r pose s . T he ma in bo t t om ou t l e t a t

M Ja r a [ I 171 e a r th da m in M or oc c o i s de s igne d f o r t he s a me pur pose bu t h a s a s i ng le

6.2 m

x

6.6 m radia l ga te capab le of 400 m3 /s und er a head of 73 m.

Sa inte Croix [ I I ] (Fig. 15) a r c h da m in F r a nc e ha s tw o 4 .5 m x 4 m b o t t o m

sluices for a to ta l of 100 m J/s und er a 72.7 m h e a d . T h e B a r t h e [ I I ] a r c h da m in

France has two bot to m ou t le ts , measur ing 3 .5 m

x 3.3 m, cap ab le of twice 350 m7, s

under a 9 m he a d . T he f unc t i ons a r e sp i l lw a y , d r a w dow n f o r ma in t e na nc e , a nd

rapid drawdown in emergenc ies .

T h e seve n 7 m squa r e bo t t om ou t l e ts a t K ha sh m E l G i r ba bu t t re s s da m in t he

Sudan provide the main spi l lway, some r iver f loods be ing discharged a f te r drawing

down the rese rvoi r to remove la rge quant i t ies of s i l t

[ I I ~ .

M a ximum c a pa c i t y i s

7

700 mJ/ s und er a 32 m head (F ig . 16). Th e six

6

m

x

10.5 m d eep s luices a t Rose i res

but t ress dam in the

Sudan (Fig . 16) , capable of 7 500 m3/ s unde r a

head of

approximate ly 35 m, per form the same func t ion [ I l l .

Th e main spi l lway a t Jupia bu t t ress dam in Braz il [ I 11 comp r ises 37 de ep s luices

measuring 10 m x 7.5 m a nd i s capab le of 45 000 m3 /s under a he ad of 19 m (Fig . 16) .

This a r rangement was ad opte d par t ly to h and le the very la rge r iver flows dur ing the

construction per iod.

An example of la rge deep s luices for cont rol l ing the f i r s t - f i l l ing opera t ion i s

Manicouagan (Dan ie l Joh nson ) [37] mul t ip le -a rch da m in Ca nad a . Tw o s luices

measuring-4.4 m x 3.5 m and cont rol led by radia l ga tes were bui l t to d ischarge

1000 m3 / s unde r a 75 m he a d bu t a l so t o be c a pa b l e o f ope r a t i ng unde r a he a d o f

150 m. These sluices were eventually plugged af ter the reservoir ha d bee n f i l led for

the first time.

Compensa t ion wate r in non- f lood seasons i s of ten provided through pressure

pipes and va lves , because of th e f iner cont rol tha n wi th la rge ga tes . An exam ple i s

the Gran d C oule e gravi ty dam in the

U S A

which has 40 pipes of 2 .6 m diam eter wi th

a total cap ac i ty of 6 370 m3/s . Ring sea l ga tes cont rol the o ut f low. Ano ther m ore

recent example i s the Aldeadavi l la a rch dam in Spa in wi th two 2.5 m diameter

hollow- je t valves discharging a to ta l of 300 m 3/s und er a 120 m h ead (F ig . 17) .



Fig. 13

Barrage de Kariba (Zambie-Zimbabwe) Coupe sur evacuateur en pertuis.

Kariba dam Zambia -Zimbab we) ection through onfice spillway.

1 )

Six pertuis en charge, chacun de 8,5

9, l m2, contrBle par u ne van ne wagon.

(2) P rofil du jet p our le reservoir a 475,80.

(3) Profil du jet pour le reservoir a 494,90.

(4) Niveau aval minimal 382,17 (283 m3/s).

(5)

Niveau aval maximal 404,13 9 627 m3/s).

6) Retenue normale.

(7) Retenue minimale.

(8) Fosse d erosion.

I ) S ix orifices, 8,5

x

9 1 m 2each, controlled

b y

fixed wheel flat gate .

2) Jet profil for reservoir at 475.80.

3) Jet pro filf or reservoir at 494.90.

4) Min imum tailwafer level 382.17 283 m3/s).

5)

Max imum tailwater level 404.13 9 627 m3/s).

6) Normal water level.

7) Minimum water level.

8) Scour hole.



arraged

ar lba {Ztmh ~

u L.-/ .afrr

Kan ha d rn [ Z ; t n b o h w p - ~ ~ i ~ ? tb ~ a .



Fig. 14

Bar rage de Cabora Bassa (Mozambique ) ~v ac ua teu r e de rn i -fond

coupe longi tudinale .

Cabora Bassa dam Moza mbiqu e) Mid-depth orifice spi l lway

longitudinal .section.

( I ) vanne de ga rde 6 ,00

x

15,50 m2.

(2) vann es segments 6,O 7,8 m 2.

Debit total = 13 100 rn3/s.

Cha rge max ima le

=

85 m.

(3) Retenue normale ( R N ) .

(4) Plus hautes eaux (PHE).

(5)

Niveau d exploi tat ion minim al .

I )

guard gate

6.00 x

15.50 m2.

2)

8 radial gates

6.0 x

7 , 8 m 2 ,

Total capacit .c =

13 100

m 3 / s .

Maximum head = 85 m.

3)

Normal water level

4 )

Maximum water level.

5) Minimum operating level.



Fig. 15

Barrage de Sainte-Croix (France) ~v ac ua te ur e fond coupe longi tudinale .

Sainte-Croix dam France) ottom spillway ongitudinal section.

(1) Deux vannes segments de 4

4 5

m 2

1)

Two sector gates, 4

x

4.5 m2 each, capable

capacite totale 1 100 m3/s sous la cote d e la

together of 1 m3/s below reservoir El. 477

retenue 477.

2) Vanne d entret ien type wagon

4,00 x 7 90 m2.

3) Retenue max ima le .

(4) Niveau aval minimal .

(5)

Niveau aval maximal .

(6) Dents s tparatr ices .

2) Maintenance gate fi sed wheel gate

4 .00 x 7.90 m2.

3)

Maximum reservoir El.

4) Minimum tailwater El.

5) Maxim um tai lwater El.

6) Splitters.



Fig

6

Barrages

a

con t re fo r t s Coupe su r tvacua teu r de fond .

Buttress da ms Typical section o f bottom spillway.

A )

Niveau minimal a I aval.

Min imum downstream water level.

(B) Niveau maximal

a

I aval.

Max imu m downstream water level .

(1) Barrage de Kashm el Girba (Soudan)

7

pertuis, vann es de 7 x 7 30 m .

Kashm e l Gi rba dam Sudan) 7 sluices with 7

x

7.30 m gates.



2) Barrage de Jupia Brts il) 37 pertuis, vannes de 10 x 7,30 m.

Jupia dam Brazi l)

7

sluices with 10 x 7 30 m gates.

3) Barrage de Roseires Soudan ) 5 pertuis, vannes de x 10,50

m

Roseires da m Suda n) sluices with

x

10 50 m gates.



de vannes

a

opercule*. Un autre exemple de construction plus recente est celui du

barrage vofite de Aldeadavilla en Espagne equipe de deux robinets a jet creux de

2,5 m de diametre pouvant debiter au total 300 m3/s sous une charge de 120 m

(Fig. 17 .

4 2 C R CTERISTIQUES GENER LES DES PERTUIS

On peut distinguer, d une part, les pertuis de grande capacite d evacuation et,

d autre part, les pertuis ayant essentiellement pour objet le reglage fin du debit

restitue en aval.

4 2 1 Pertuis de fond de grande capacite d kvacuation

Les pertuis peuvent Ctre situes dans un barrage en beton ou dans une galerie

independante. Dans un cas comme dans I autre la vanne de contr6le peut Ctre placee

vers I amont, vers I aval, ou a un point intermediaire dans le conduit. Le choix

depend des dispositions generales des ouvrages du barrage, des caracteristiques des

ecoulements et des dispositions adoptees pour la restitution des debits en aval.

Lorsque la vanne est situee vers I aval ou a un point intermediaire, le conduit en

amont de la vanne est souvent blinde en t61e d acier pour isoler le beton du barrage

de la pression amont regnant dans le conduit. Un blindage en acier est egalement

prevu

a

I aval de la vanne pour ameliorer la resistance des parois

a

la cavitation

lorsque les vitesses sont tres elevees et la resistance

a

I usure lorsque les eaux sont

chargees en sediments.

D une faqon generale, les pertuis de fond comprennent deux vannes, une vanne

de conrr6le

du debit et une

vanne de garde

Le choix du type des vannes, examine

ci-apres, conditionne la disposition des ouvrages.

Pour maintenir les parois en pression, le pertuis en amont de la vanne de

contrble est toujours plus ou moins convergent, avec une forme d entonnement a

I extremite amont. La vanne de garde peut se situer en amont ou en aval de la forme

d entonnement; lorsqu elle est en aval, on peut prevoir un batardage supplementaire

en amont de la

forme d entonnement.

Le pertuis en aval de la vanne de contr6le peut Ctre blinde sur tout ou partie

de la longueur aval du pertuis compte tenu des vitesses d ecoulement, de la presence

ou non de sediments dans l ecoulement, et de I introduction ou non d air dans

I ecoulement contre les parois. Les besoins a cet egard ne sont pas prkcisement

definis; les projets sont bases surtout sur l experience des prototypes et des re-

commandations sur ces points sont presentees dans la section

4.4.

Les pertuis de fond de grande capacite d evacuation sont souvent construits

sans grille de protection contre les dkbris Des debris sous la forme d arbres, de

branches, de feuilles, etc., peuvent Ctre attires, en quantites importantes, par

I ecoulement des pertuis de fond. La faqon la plus simple de se debarrasser de tels

debris est de donner aux pertuis des dimensions suffisantes pour les laisser passer

et de mettre en place des vannes de contrble a effacement total conques pour Etre

*)

Ring seal gates

,

Vannes a opercule, cf. Glossaire de termes relatifs aux barrages (Bulletin31

de la CIGB 1977), page

52.



4 2

GENER L CH R CTERISTICS OF SLUICES

In discussing submerged outlets a distinction must first be made between those

providing a very high discharge and those providing fine control capacity.

4 2 1 arge bottom outlets

Large bottom outlets can be provided within the body of the concrete dam or

in a separate tunnel o r conduit.

In

both cases the controlgate may be at the upstream

or downstream end or at some intermediate point as determined by the general

arrangement of the dam flow conditions and arrangements at the discharge end.

When the gate is at the downstream end o r at some intermediate position the

waterway ahead of it is usually steel-lined to protect the dam concrete against the

full hydrostatic head inside the sluice. Steel lining is also placed for some distance

behind the gate to improve cavitation resistance at very high flow velocities and wear

resistance if the water carries a significant amount of sediment.

Broadly speaking a bottom outlet requires two gates the

main controlgate

and

a maintenance gate . Gate type as discussed below governs the general arrangement

of the structure.

The sluice ahead of the control gate usually narrows down from the carefully

shaped inlet to keep the pressure positive. The maintenance gate may be at any

position along the inlet section but when it is at the downstream end stoplog grooves

may also be provided upstream of it.

The sluice behind the control gate may be steel-lined for all or part of its length

to suit flow velocities solid load if any and whether or not there is a film of air

entrained along the walls. There are no clear rules and designs are usually based

squarely on past full-size experience; recommendations appear in section 4 4

Large bottom outlets often have no debris screens trashracks). Trees branches

leaves etc. may be sucked in in large quantities and the easiest way of dealing with

this problem is to make the sluices large enough not to jam and design the gates to

open and close even with debris in the sluice. Where the sluice is large as compared

with the size of the debris no screen is used and the inlet shape is designed to

prevent blockages.



manaeuvrees en presence de debris eventuels. Pour des pertuis de grandes dimen-

sions par rapport aux dimensions des debris, on se passe de grille et on adopte une

forme d entonnement facilitant aux maximum le passage des debris.

En cas de doute, on adopte une grille de grande hauteur comportant la plus

grande ouverture entre barreaux compatible avec les dimensions du pertuis et on

calcule sa resistance pour un risque d obstruction totale. I1 faut egalement envisager

des dispositifs de degagement des vases et des debris en cas de risque eleve

d obstruction (jet sous pression, alimentation en eau claire des fuites voir sec-

tions 4.5 et 4.6 ci-apres). Neanmoins, compte tenu des valeurs de l entr axe des

barreaux normalement adoptees, l obstruction totale est peu probable et ainsi,

certains projeteurs prennent arbitrairement une perte de charge de 6 12 m pour

le calcul des barreaux.

4.2.2. Pertuis de restitution avec reglage fin du debit

Pour la restitution, sous forte charge, de debits pouvant Ctre faibles, on fait

appel differents types de robinets situes le plus souvent a l extremite d une

conduite metallique speciale. La vanne de garde peut etre une vanne plate ou un

robinet-vanne. En raison des faibles dimensions des passages d ecoulement, les

entrees de ces pertuis de fond sont generalement pourvues de grilles. Ces organes

peuvent Ctre associes dans certaines conditions des pertuis de grande capacite

d evacuation pour assurer le degagement des vases et des debris.

I

faut avoir en

memoire qu il existe des exemples de pertuis qui ont ete mis hors d usage par

I obstruction des grilles et des conduites par des debris et des vases.

4.3. TYPES ET DISPOSITIONS DES VANNES

Les vannes de contrble du debit des pertuis de grande capacite peuvent Ctre des

vannes segments ou des vannes plates; generalement on adopte les vannes plates

comme vannes de garde.

Pour les pertuis destines

a

un reglage fin des debits, differents types de

robinets-vannes places normalement en bout de conduite sont utilises conjointement

avec des vannes ou des robinets de garde.

4.3.1. Vannes de contr6le des pertuis de fond

de grande capacite d evacuation

Dans l evolution de la conception des grands pertuis de fond, la tendance est

d utiliser de plus en plus frequemment des

v nnes segm ents

pour le contrble du debit.

Le gros avantage de la vanne segment dans les installations

a

forte charge est de ne

pas nkcessiter de rainures qui constituent une source de cavitation par les decolle-

ments de l ecoulement qu elles entrainent.

Les vannes segments ont ete experimentees avec succes pour toutes les charges

jusqu a une centa ine de metres apres la mise au point des etancheites frontales. Des

vannes segments avec dkcrochement du radier permettant une application de

l etancheite par deplacement de la vanne, ont Cte experimentees sous des charges



When in doubt, however, a screen is provided; it is very high and has the largest

clear area compatible with the size of the sluice. It is designed structurally to resist

forces from total blockage. Means must of course be provided for removing silt and

debris if there is a serious risk of blockage pressure jets, clear water feeding the

seepage paths, see sections 4.5 and 4.6). For the usual bar spacing for trashracks,

complete blockage is almost impossible and some designers use an assumed and

arbitrary differential head of 6 to 2 m

4 2 2

Compensation outlets

Where fine control is required for small flows under high heads, various types

of valve are employed, usually at the downstream ends of steel pipes.

A

sluice valve

or gate may provide closure for maintenance purposes. Because of the small size of

the flow passage, they are usually screened. In some cases they may also be

combined with the large bottom outlet for discharging silt and debris. It must be

remembered that there have been cases of sluices rendered unserviceable through

screen blockage and conduits blocked by debris and silts.

4 3 G AT E S AN D VAL VES

Control gates for large bottom outlets may be radial or vertical-lift type;

vertical-lift gates are usually used for maintenance gates.

For fine-control outlets, various types of sluice valve, usually at the lower end

of the pipe, are used with a maintenance gate or valve ahead of them.

4 3 1 Bottom outlet gates

The trend in

t h e

design of large bottom outlets is toward a more frequent use

of radial gates for flow control. The great advantage where high heads are involved

is that they d o not need gate slots which disturb the flow and give rise to cavitation.

Radial gates have been tried successfully at all heads up t about 100 m once

efficient front seals had been developed. Gates with

an

offset at the bottom forcing

the seal into place as the gate moves, have been tried at heads of more than 100 m,

sometimes with offset aeration systems, but there is no conclusive evidence so far.



Fig.

17

Barrage d3Aldeadavi la Espagne) Coupe sur v idanges de fond.

Aldeadavila dam Spain) ect ion through bottom outlets .

I ) Niveau des plus hautes eaux.

I )

Maximum water level.

2) Retenue normale .

3 ) ~ c h e l l e n metres .

4 )

2

vannes a jet creux.

= 2,50 m;

H

113,65 m.

300 m3/s.

2) Normal water level.

3) Scale metres.

4 )

2 hollow-jet valves.

2 . 5 0 m ; H 1 1 3 .6 5 m .

Q 300 m3/ s.



depassant

1 m , vec

des systemes d aeration du decrochemcnt,

m ai s

sans

qiie I on

puisse encore conclure

s u r

I intkrCt de la methode.

Des vannps

pa ate.7

ont ete utiPis6es comme vannes

de

contrble

d u

debit s us des

charges allant

mCme

jusqu i 200 m (Mauvoisin en Suisse),

mais

leur utilisation doit

rester exceptionnelle et leur fon ctionnemen t prolong6 i ouverture partielle ne doit

pas etre normalement tolere. La vsnne plate pr be nt e evidemment I interEt d ctre

moins encornbrante qu une vanne segment qu il est parfois d ifficile

de

loger

convenablement.

L utilisation

de

vannes plates pour le contrtile des debits ux ouvertures

partielles demande

des

precautions particulieres des que la charge eslt elevee.

On

peut considerer q ue

jusqu ri 2

r de charge environ, p e u

de

problemes

de

cavitation

se posent,

mais

au-delh le hon fonctionnement

depend de

la mise au point

de

formes

particulieres des rainures

et

des parois germettant des mises en prcs~ion u des

entrees d air dans l ecoulement 1141. Des exemples de vannes

plates

de rtglage

du

debit existent iusqu a des charges de

60

m (evacuateur

de

Kariha

33

m : vidange

de PK

Le Roux 60 m (Fig. 18); vidange intermediaire de Mica 60 m [84 98,

991.

Les vannes

plates de

grandes dimenbians capables de rkgler le debit sous

des charges

superieures

i

6 m son1 plus rares. Au barrage de Serre-Ponqon France)

les

deux

vidanges sont tquipkes de vannes plates chenilles de

2,60

x 5,20 m Z pouvanr

evacuer chacune

600

m i / s sous 124 m

de

charge, mais leur duree d e fonctionnement

reste tres

l i r n i t t e

(rnanceuvres de contrdle annuelles).

Au

barrage de Colbun (Chili)

deux va nne s plates glissantes de 2,5 x

3,7 m ont

installees dans le bouchon du

tunnel de db ivat ion provisoire: e l l e s sont capables de dehiter jusqu 8 730

m3 s

sou5

une charge d e 1 8

m ;

elles ont ronctionnk

de faqon

ininterrornpue

pendant

324 joucs



Vertical lift gate s

have been used as control gates under heads of up to 200 m

Mauvoisin in Switzerland), but they must remain rare instances and prolonged use

at partial openings must not be a normal occurrence. This type of gate does of course

have the advantage of taking up less space than a radial gate in sometimes congested

areas.

The use of vertical-lift gates for flow control at part ial openings requires special

precautions un der high heads. U p to about 20 m, one can imagine that there would

be few cavitation problems, but beyond this head, efficient operation requires

special shapes for the slots and sluice to keep the flow at positive pressure and admit

air into it

1141.

There are instances of such control gates at heads of up to 60 m

Kariba spillway, 33

m ; P

K Le Roux bottom outlet, 60 m Fig. 18); Mica

intermediate outlet, 60 m

184 98 991.

Large vertical-lift gates capable of operating

at partial openings under heads in excess of 60 m are more rare. At Serre Ponqon,

France, two outlets have 2.60 m 5.60 m caterpillar gates an d can each discharge

600 m3/s under 124 m head, but they are opened for only short time annual check).

At Colbun dam in Chile, two sliding gates measuring 2.5 m 3.7 m are fitted in the

diversion tunnel plugs and are capable of 730 m3/s total discharge under a head of

108 m uninterrupted operation for 324 days with flows between 50 and 690 m3/s

under heads u p to 100 m. No cavitation problems were detected neither in the armor

nor in the concrete.



Fig. 18

Barrage P. K. Le Roux (Afr ique du Sud) Vidange de fond

et details de la vanne plate de reglage.

P.

K.

Le Roux dam South Africa) Bottom olitlet

and details of control slab gate.

(a) Disposi t ion de la v idange de fond.

Layout of bottom outlet.

(1) Vanne de service-entre t ien.

I ) Maintetzance gate.

(2) Vanne de service.

2) Service gate.

3) Vanne plate 2,30

x

2,60 m2.

3) S lab gate 2.30 x 2.60 m2.

4)

Deflecteur. (4) Splitter.

(5)

Cham bre des vannes .

5) Outlet house.

(6) Ga leri e d acces.

6) Access gallery.

(7) Conduit de vent i la t ion vers la p i le de po nt .

(7)

Ventilation to bridge pier.

(8) Tapis epaisseur mini 3,O rn

8) Apron 3.0 m mini thickness.

9) Plus hautes eaux.

9 )

Mavim~rmwater level.

(10) Niveau aval correspondant .

10) Corresponding tailwater level.

(1 1) N iveau d u tapis El. 1082 a 1098,6.

11) Aprot ~ evel I082 to 1098.6 El.



b) Disposition de la vanne plate

Layout of slab gate.

A) Coupe en elevation.

B) Coupe A-A.

1) Transition de la section circulaire a rectan-

gulaire.

2) Deflecteur.

3) Vanne plate.

4)

Logement de la vanne.

5) Cylindre hydraulique.

6) Chemise en acier inoxydable.

A)

Sectional elevation.

B) Section

A-A.

I ) Transition from circular to rectangular sec-

tion.

2) Splitter.

3) Slab gale.

4 )

Gate housing.

5) Hydraulic cylinder.

6) Stainless steel lining.



avec des debi ts var ian t d e 50 a 690 m3 /s sous des charges a t te ignant I00 m. Aucun e

erosion d e cavitation n a ete observee sur les blindages ou su r le beton.

Pour reduire I impor tance des problemes hy draul iques crees par les ra inures des

vannes p la tes g l is san tes en pos i t ion d ouver ture par t ie lle , des vannes minces en acier

massif , dites dalle s d acier

D

ont e tk proposees pour les bar rages de

Victoria (Sri Lanka) largeu r 3 m, hau teu r 4,l m , charge sur le seuil

9

m,

epaisseur 270 mm

;

Alicura (Argentine) largeur 2,2 m, haute ur 3,2 m, charge sur le seuil 18 m,

epa i s s eu r 260 mm ;

Em osson (Suisse) large ur 1,l m, haut eur 1,8 m, charge sur le seuil 15 m,

epaisseur 120 mm .

Les forces vers le bas ou vers le haut ag is sant sur une vanne pour une forme

de seui l , de cou teau e t un e geometr ie de ra inures donnee s , a ins i que les v ibra t ions

eventuel les du tab l ier d e la vann e, do ivent Ctre analysees pou r d i f feren tes ouver tures

et condi t ions de fonct ionnement (v i tesse de manceuvre , charge) . Des e tudes sur

modele peuvent , e t souvent do ivent , e t re rea l isees dans ce but , a ins i que pour

I elimination d un eventuel vortex a m ont (cf . chap. 4.7).

4 3 2 Vannes de garde des pertuis de fond de grande capacite

La vanne d e ga rde do i t pouvo i r coupe r l e debi t des pe r tui s en cha rge . On adop te

normalem ent une vanne p la te (wagon, cheni l le , a g l is sement) s i tuee p lus ou moins

lo in en am ont d e la vanne d e contr6 le , su ivant la d ispos i t ion du per tu is . El le peut

Ctre p lacke en am ont ou en aval de la forme d en to nnem ent d u per tu is ; on peut

adop ter une vanne par per tu is ou un e vanne po ur p lus ieurs per tu is , su ivant le degre

de secur i te accepte po ur les ouvrages .

Les vannes de gard e qui peuvent Ctre remontees comp letement au-dessus d e la

re tenue e t inspectees per iodiqueme nt presenten t un avantage sur le p lan de I en-

tretien.

Cer ta ines vannes de garde sous car ter ne peuvent Ctre inspectees qu i I abr i d u n

clapet ob turant le car ter une fo is la vanne levee . Dan s ce cas , le c lapet proprem ent

d i t , manceuvre par u n ver in p lace da ns une chamb re la tera le , ne peut e t re en tre tenu

s i I on ne d ispose pas d un au tre moyen de batardage per iodique p lace a l amont

de l a vanne de ga rde .

4 3 3 Vannes des pertuis destinees un reglage fin

des debits restitues

Les robinets a jet creux divergen t places

ri

l ex t remite d une condui te forcee sont

les plus communement uti l ises pour le reglage f in des debits resti tues sous forte

charge . Par exemple , au bar rage d e Glen C anyon (USA), quatre robinets a jet creux

de 2 ,4 m de d iametre permet ten t de res t i tuer 420 m3/s sous une charge de 162 m ;

au bar rage de Botchac (Yougos lav ie) i l y a deux robinets de 2 ,8 m de d iametre

capables chac un de d ebi ter 128 m3/s . Les vannes p la tes g l is san tes e t les vannes

ri

jet creux cylindrique )) sont egalement acceptables pour le mCme service.

Parmi les differents types d e robinets , celui qui ten d a Ctre le plus repandu est

le robinet a jet creux a c6ne f ixe e t a manchet te cy l indro-conique. I est de



An a t t emp t has been made t o r educe the hyd rau l i c p rob lems caus ed by the ga te

s lo ts a t par t ia l openin gs by propos ing so l id s tee l s lab gates for Victoria da m in

Sri Lan ka width 3 m, height 4.1 m, head on s il l 94

m,

thickness 270 mm), Alicura

dam in Argent ina {width 2.2 m, height 3.2 m, head on s il l 118 m, and thickness

260 mm ) and Em osson da m in Switzerland width 1.1 m, height 1.8 m, head o n sill

155 m, an d thickn ess 120 mm ).

The downpul l o r up l i f t forces ac t ing on a gate of g iven seal and hous ing

geometry and the ga te leaf v ibra t ions should be analysed a t var ious part ia l open ings

and op erat ing condi t ions . Mode l inves tigat ions can be used for these purposes as

well as for the elimination o f any upstre am vorticies cf . section 4.7.) .

4 3 2

Maintenance gates for high capacity bottom outlets

Th e main ten ance gate on a bot tom out le t mus t be ab le to c lose agains t the fu ll

f low. I t will usually b e a vertical- l ift typ e f ixed roller , s l iding, caterpillar) at varyin g

dis tances ahead of the contro l gate as d ic ta ted by s lu ice type. I t m a y b e a t t h e

ups t ream o r downs t r eam e nd o f the ga te in le t t r an s i t ion ; t he r e may be o ne ga te pe r

s lu ice or one for severa l s lu ices dependin g on t he r isk fac tor.

The bu lkhead type o f ga te wh ich can be r emoved comple te ly and s to r ed above

the maximum reservoir opera t ing level has a main tenance advantage.

Som e main tena nce gates can a lso be inspected in the opera t ing cha mbe r just

above the s lu ice by c los ing a hor izonta l f lap gate seal ing the op ening in the t op of

the s lu ice l iner jus t below th e m ain tena nce gate hous ing wh en the gate i s in the fu l ly

open position. However, in this case the f lap gate i tself is not accessible for

main tenance unless there is another bulkhead gate ups t ream.

4 3 3

Gates and valves for fine control

Conical ho l low je t valves a t the end s of pressure p ipes are com monly used for

f ine contro l under h igh heads . At Glen C anyon d am USA), four 2 .4 m d iamete r

hollow je t valves ca n d ischarge 420 m3/s unde r a head of 162

m.

At Botchac

Yugoslavia) , two 2.8 m valves have a unit capacity of 128 m3 /s . High pressure s lide

gates and jet f low gates are also used for f ine control.

Th e type of ho l low jet valve that tends to be in mos t widespread use is the

Howell-Bunger valve with f ixed cone and moving cylindrical s leeve. Construction



construction assez simple et permet d'obtenir un jet annulai re pas trop disperse si

un capuchon est ajoute. condition que le debit soit restitue

a

I'air libre, il ne pose

pas de probleme particulier de cavitation. La vanne

a

jet creux developpee par le

US Bureau of Reclamation

,

qui est caracterisee par un c6ne ou pointeau mobile,

est moins frequemment installee bien qu'elle donne satisfaction.

Les vannes de garde en conduite peuvent Ctre des robinets papillons, des

robinets spheriques, des vannes plates, etc. Le robinet spherique est muni d'une

etancheite d'entretien.

4 4

CAVITATION BLINDAGES ENTRETIEN

(cf. chap.

5

et

6

Les ecoulements a grande vitesse posent des problemes de cavitation lies aux

materiaux employes, a la forme des ouvrages,

a

la nature des surfaces et aux

possibilites d'aeration.

La mise en vitesse rapide de I'ecoulement sous la vanne d'un pertuis de fond

entra ine le long des parois des vitesses d'ecoulement elevees avec une couche limite

tres mince.

I

est usuel de prevoir un blind ge en acier d'une longueur en principe

suffisante pour permettre la formation d'une couche limite compatible avec la nature

des surfaces en

beton en aval. Toutefois, des methodes de definition manquent et

les longueurs tres variables adoptees sont basees surtout sur l'experience. Pour les

fortes charges, au-dela de

40

m, de grandes longueurs de blindage sont souvent

utilisees. Des phenomenes de cavitation en -aval de blindages ont ete cependant

observes et pour y remedier des dispositifs permettant des introductions d'air ont

ete amenages. Pour des charges depassant

80

m i l parait necessaire d'envisager, soit

le blindage de l'ensemble du pertuis aval, soit,

a

partir d'un certain point, I'arrEt du

blindage et I'introduction d'air dans l'ecoulement contre les parois en beton.

L'utilisation de vannes segments comme vannes de contr6le et I'adoption de

rainures de formes speciales pour eviter les difficult dues a la cavitation ont ete

evoquees ci-dessus. Les risques de cavitation lies aux rainures des vannes de garde

sont moins aigus et peuvent Ctre attenues par I'emploi de formes de rainures profilees

devenues classiques

[i41

Un blindage en t6le d'acier inoxydable permet d'ameliorer la resistance

a

I'abrasion par les sediments fins qui peuvent tre evacues par les pertuis de fond.

Toutefois, en cas d'usure, le remplacement du blindage est difficile et on peut Etre

amene a utiliser un revCtement en mortier a base de resines, en beton de fibres

d'acier, ou

a

base d'autres produits speciaux, presentant l'avantage de permettre une

reparation rapide des surfaces krodees. Dans le cas de pertuis destines

a

une

evacuation normale de sediments, le probleme des moyens d'entretien et des

possibilites d'acces pour les travaux d'entretien doit Ctre examine avec une attention

particuliere.

Des pertuis de fond devant assurer I'evacuation de graviers exigent un revEte-

ment special qui peut Ctre un pavage en blocs de granit, mais avec une limitation

assez basse de la vitesse d'ecoulement maximale.



i s qui te s imple an d i t g ives a good hol low je t wi thout to o much dispers ion i f a hood

is provided. I t does not suf fe r f rom cavi ta t ion problems provided i t d ischarges in to

f ree space . The U S Bureau o f Rec lamat ion cyl indr ica l hol low je t va lve a l so has

exce l lent opera t ing charac te r i s t ics . In th i s valve, the n eedle m oves to prov ide sea t ing.

For pi pe main tenanc e , but te r fly valves , ro ta ry sphere) valves , s lu ice va lves an d

ga tes , e tc . a re provided. The spher ica l va lve has a maintenance sea l .

4 4 CAVITATION STEEL LINING MAINTENA NCE Se e a lso Cha p t e r s 5 a nd 6

H igh- spe e d f l ow ma y i nvo lve c a v i t a t i on p r ob l e ms de pe nd ing on ma te r i a l s ,

sha pe s , su r f a c e fi n i sh a n d a e r a t i on .

The rapid acce le ra t ion of the f low under a h igh-head ga te causes high f low

veloc it ies a long the s ides a nd f lo or of the s lu ice wi th a very th in bou nd ary layer . I t

i s usua l to provide a st l l in ing f o r suc h a d i s t a nc e so a s t o pe r mi t g r ow th o f a

boun dary layer com pat ible wi th the f in i sh of the unl in ed concre te tha t fo l lows. But

there is no so un d des ign rule a n d the var iety of d i f fe rent lengths used i s based

squa r ely on e xpe r ie nc e . L ong l i n ings a r e o ft e n f ou nd w i th h igh he a ds be yond 4 m .

T he r e ha s ne ve r the l e ss be e n c a v i t a t ion be yond t he e nd o f t h e l i ning a n d me a n s o f

a dmi t ti ng a i r ha ve be e n p r ov ide d a s a r e me dy . For he a ds i n e xc es s o f 80 m, i t w ou ld

se em ne ce s sa ry e i t her t o l i ne t he w ho le s l u i c e be h ind t he ga t e o r a dmi t a i r i n to t he

f low in c on t a c t w i th t he c on c r e t e su r fa c e a t t he po in t w he r e t he l i n ing s t ops .

Ra d i a l c on t r o l ga t e s a nd spe c ia l s l o t sha pe s t o a vo id c a v i t a t ion p r ob l e m s ha ve

a l ready been ment ioned. Cavi ta t ion r i sks f rom maintenance ga te s lo ts a re less

c r i t ica l and may be a t tenua ted by the now convent iona l procedure of s t r eam- l ining

the s lo ts [14]

A stainless-steel l ining wil l improve resistance against abrasion from si l t t ra-

ve ll ing throug h th e bot tom s luice . I f wear does o ccu r however , the l in ing i s d i f f icul t

to replace an d a res in-based m or ta r , s tee l f ibre concre te or o the r spec ia l lin ing, may

be p r e f er r ed , a s ha v ing t he a dva n t a ge o f e na b l i ng e r ode d su r f ac e s t o be r e pa i r e d

qu i ck ly. T he p r ob l e m of ma in t e na nc e a n d a c c e s s f o r ma in t e na nc e o f s l u i c e s t ha t

habi tua l ly ca r ry sedim ent mu st be given spec ia l a t tent ion.

Bot tom s luices discharging grave l mu st have spec ia l l in ings , eg , grani te s labs ,

but the maximum ve loc i ty must be kept qui te low.



4.5. PROTECTION CONTRE LES CORPS FLOTTANTS, ~ c f 57]

De s c or ps f l o tt a n ts a f f l ua n t e n g r a nd e qua n t i t e pe uve n t p r ovo que r I obs t r uc tion

de per tuis de fo nd m unis d e gri l les . Le problem e es t par t icul ie rement im por tant s i

les corp s flot tants peuvent s accu muler

r

l a su r f a c e de I e au de va n t l e pe rtu i s d e f ond

et on pe ut avoi r interCt dan s ce cas prevoi r un per tuis de sur face bien e tudie pou r

les evacuer . D aut res moyens d e prevent ion consis tent prevoi r une gr il le d assez

gr a nde ha u te u r e t e v i te r de p l a c e r l e s pe rtu i s t r op p r e s d u l it d e l a r iv i er e . On pe u t

aussi arrCter les corps f lottants

a

I a ide d une dr6 me suf f i sammen t res is tante , mais

ce disposi t i f n evi te p as les co rps en t ra ines

tt

e n t r e de ux e a ux

D

On pe u t c i t e r

l e xe m ple d u b a r r a ge d e Pa l a gne d r a ( Sui s se ) oh , e n 1978, une c r ue c a t a s t r oph ique

provo qua I obtura t ion comp le te de l evacuateur , d e la pr ise d eau e t des vidanges ,

ent ra inant le deversement sur le bar rage (c f . J . Bruschin, S . Bauer , P . Del ley,

G . T r u c co tt T he ove r topp ing o f t he Pa l a gne dr a da m , Water Power , Jan . 1982).

En pays f ro id, la glace peut s accumuler d evant les van nes ; des per tuis spec iaux

sont souvent prevus pour evacuer les glaces , prea lablement f rac t ionnees e t guidees

pa r u n br ise-glace .

De s va nne s c om por t a n t d e s t ab l i e rs de sc e nda n t s o u c l a pe t s pe r m e t te n t de

passer les glaces sou s une charge n exceda nt pas 2 m d epa isseur , so us reserve que

ces vannes res tent manceuvrables (voi r cha p. 3.7 c i -dessus Protec t ion cont re le ge l ) .

On Ieve comple tement les vannes quand le debi t c roi t t rop vi te (per iode des

emb ic les) . Les bass ins d amor t i ssement doivent Ctre plus profo nds e t ne com por te r

ni obstac le ni den ts suscept ibles d Ctre e ndom mage es p ar les glaces [59 1501

4 6

PROTECTION CONTRE L ENGRAVEMENT

Da ns l e c a s de pe r tu i s de s t i ne s a de s v ida nge s d e se d im e nt s pa r I e ff et de s

c our a n t s de de ns i te ou pa r de s c ha sse s n ivea u ba s de l a r e t enue , de s p r e c a u t ions

par t icul ieres doiven t Ctre pr ises p ou r proteger ces per tuis co nt re I obst ruc t ion par

les sediments.

Le bar rage d l r i l E md a en Alger ie et le bar rage de Geb idem en Suisse const i-

t ue n t de s e xe m ples oh de s d i spos i ti ons spe c ia l e s on t e t e a dop te e s a cet egard. A lril

E m da l e s p r ise s de s pe r tu is d e va c ua tion de s c our a n t s d e de ns i t e son t m unie s de

gr i lles e t sont placees la te ra lement s ur les parois d un per tuis de grand es dimens ions

qui peu t Ctre ouver t episod iquem ent p our d egager les pr ises d es per tuis la te raux e t

qui pe ut Ctre ba ta rd e po ur permet t re des vis ites d ent re t ien.

Au ba r r a ge d e Ge b id e m q u i do i t pe r m e t t re d e va c ue r de s g ra v ie r s, on a e nv i sa ge

qu un de p6 t pu i s se se f o r m e r de va n t I en t re e de s pe r tu is a va n t I ope r a t ion d e c ha sse .

Ce s pe r tu is son t don c m uni s d un m a sque e n be ton de va n t I e n tr ee , pour e v it e r que

l e de p6 t a ya n t pene t re I i n te r ie u r du c o ndu i t pu i sse ve n ir a u c on ta c t du p l a f ond

du pe r tu i s . E n ou t r e , de s a l im e n ta t i ons e n e a u c l a i r e son t a m e na ge e s e n a va l du

m a sque po ur pe r m e t t r e l e de ga ge m e nt du p i e d du c 6 ne de m a te r ia ux a ya n t pe ne t r e

da ns le per tuis e t pou r co mpen ser en e au c la i re les fui tes d e la vanne a f in d evi te r

l a f o r m a t ion d un bouc h on d e vase c om pa c te [as]



4.5.

PROTECTION AGAINST FLOATING DEBRIS Ref [57]

An abundance of floating debris can block inlet screens. The problem is critical

if it can accumulate at the water s surface in front of the deep sluice and it may be

useful to provide a special surface discharge chute. Other means of prevention

include high screens and keeping the deep sluice above river bottom. Strong trash

booms will stop floating debris but not waterlogged material just below the surface.

The example of Palagnedra dam (Switzerland) is self explanatory on this matter

in 1978, a catastrophic flood led to a complete jaming of the spillway, the pressure

tunnel intake and both bottom outlets, with overflow on the dam (cf. J Bruschin,

S.

Bauer, P. Delley, G. Trucco c The overtopping of the Palagnedra dam

D

Water

Power, Jan. 1982).

Ice which can build up in front of gates in cold climates in often broken up by

ice breaker boat and guided to special openings through which it is discharged.

If still operable in frozen conditions (see section

3.7.

Protection against ice

D ,

vertical lift or flap gates will allow discharge of ice in a nappe u p to 2 m thick. When

the quantity of ice to be discharged increases too rapidly, as in case of ice jams, the

gates are raised to their full height to completely clear the opening. In this case,

however, stilling basins must be deeper and have no splitters or obstacles which

could be damaged by the blocks of ice [59 1501.

4 6

PROTECTION AGAINST SILTATION

It is worth taking special precautions to protect sluices designed for discharging

sediment through density currents or flushing operations at low reservoir level to

protect them against becoming blocked.

Iril Emda dam in Algeria and Gebidem dam in Switzerland are examples where

special arrangements have been provided. At the first, the sluices tapping the density

currents are screened and emerge at the sides of a larger sluice that is periodically

opened to clean the side screens and that can be fitted with

stoplogs for maintenance

purposes.

At Gebidem dam, where gravel has to be discharged, there was considered to

be a possibility of a deposit forming in front of the sluice inlets before flushing.

A

concrete screen was therefore built in front of the inlets to prevent the deposit inside

the sluice building up to the roof. Clear water can also be admitted behind the screen

to attack the toe of the deposit and counteract leakage under the gate, which might

otherwise allow a plug of compact mud to form [85].



4.7.

PROTECTION CONTRE LES VORTEX

Lorsque la charge sur l'entonnement d'une vanne de demi-fond ou d'une grande

vanne de surface ouverte partiellement devient insuffisante, il peut se former un ou

plusieurs vortex ayant pour conskquences la reduction du debit et des a-coups de

pression et vibrations dangereux.

On peut supprimer ces vortex par l'etude sur modele reduit de consoles ou

colliers speciaux disposes autour des piles ou par l'ajout de voiles de dispositions

variees (poutres horizontales, murs guideaux verticaux ou subhorizontaux, grilles,

dalle de couverture) ou par des injecteurs disposes a partir des zones d'eau

morte

[I33

ou enfin par des systemes de succion de la couche limite comme par

exemple celui etudie pour le barrage de Piedro de Aguila (Argentine) [MI.

4.8.

OUVRAGE DE RESTITUTION AVAL, DISSIPATION D ENERGIE (cf.

section 3.6)

Deux aspects particuliers des ecoulements des pertuis de fond caracterisent les

problemes de restitution aval

1

une forte concentration de debit dans la largeur;

2) la possibilite de fonctionnement sous une gamme de charges tres variees.

Par exemple, la concentration maximale de debit a la sortie des pertuis de

l'evacuateur de Cabora Bassa est d'environ 270 m3/s/m sous une charge

de

8 m;

a Khashm el Girba ou la concentration en debit est au maximum 160 m3/s/m, les

pertuis doivent fonctionner sous une charge maximale de l'ordre de 35 m et sous

une charge minimale de quelques metres seulement lorsque la retenue est abaissee

en saison de crues pour assurer la chasse des sediments deposes dans la retenue.

Aux barrages voQtes de Cabora Bassa, de Kariba et de Sainte-Croix, on tire

avantage de I'ecoulement en pertuis pour reduire le plus possible la dimension des

ouvrages de restitution, en adoptant un niveau minimal de retenue pour l'exploi-

tation des vannes et en calant les orifices assez bas pour que l'impact des jets dans

le lit de la riviere soit suffisamment eloigne du pied du barrage afin d'eviter les

dangers d'affouillement. Aux barrages voiites de Morrow Point aux ~ t a t s - ~ n i st

de Cambambe en Angola ou des evacuateurs en pertuis du

meme type ont ete

adoptes mais ou la charge de fonctionnement est plus faible, des bassins importants

de reception et de dissipation des jets ont ete construits au pied des barrages.

Au barrage de Khashm el Girba la restitution s'effectue au moyen d'un tremplin

qui fonctionne partiellement noye aux gros debits. Au barrage de Roseires ou les

pertuis de fond assurent le meme r61e qu'a Khashm el Girba, on a prevu un bassin

plus profond, mais assez court, permettant une dissipation par ressaut hydraulique

a tous les debits.

Comme dans tous les evacuateurs, le choix entre une restitution libre ou une

dissipation dans un bassin avec ou sans dispersion est etroitement lii aux disposi-

tions des ouvrages, aux conditions topographiques et geologiques, aux conditions

de fonctionnement, etc.



4 7 PROTECTION AGAINST VORTICIES

When the head above the entry of a partially opened deep surface spillway gate

of mid-height spillway gate is insufficient, a vortex can be created, reducing flow

and causing dangerous gate vibration and surge.

Vorticies can be eliminated by performing a scale-model study of special collars

or blocks around piers, by adding different types of flow-guiding surfaces hori-

zontal beams, vertical or subvertical training walls, grilles, cover slabs, etc.), by

injecting water from still zones

[133]

or by boundary layer suction systems such as

that studied for Piedro d e Aguila dam in Argentina

[24].

4 8

TERMINAL STRUCTURES AND ENERGY DISSIPATION

See Section 3.6.)

There are two special aspects connected with the terminal discharge of flow

from bottom outlets

I) A highly concentrated jet discharge per unit width.

2 Operation under a high range of different heads.

For example, the maximum discharge per unit width from the Cabora Bassa

spillway is approximately 270 m3/s.m under a head of 82 m; at Khashm el Girba

where the maximum discharge is 160 m3/s.m, the sluices must operate under

a

maximum head of some 35 m and a minimum head of a few metres only when the

reservoir is drawn down in flood seasons to flush accumulated sediment.

At the Cabora Bassa, Kariba and Sainte-Croix arch dams, advantage is taken

of the orifice-type flow to keep the terminal structures to a minimum, by operating

at low reservoir level and setting the orifices low enough for the impact zone in the

river channel to be far enough away from the dam to prevent under-mining. The

Morrow Point arch dam in the USA and Cambambe arch dam in Angola have the

same type of orifice spillways but operating under a lower head, and large stilling

basins had to be built.

At Khashm el Girba dam, the flip bucket is partially drowned at large flows.

At Roseires dam where the deep sluices serve the same purpose as at Khashm el

Girba, the stilling basin is deeper but quite short, providing a hydraulic jump for

energy dissipation at all discharges.

As with all spillways, the choice of free jet or stilling basin with o r without

dispersion is closely tied with the overall dam design, topography, geology, opera-

ting conditions, etc.



5. PROBLEMES PARTICULIERS

DES

ECOULEMENTS

A GRANDE VITESSE

5 1 CAVITATION CONSIDERATIONS GENERALES

EXEMPLES CARACTERISTIQUES *)

Les conditions favorisant I apparition du phenomene de cavitation sont souvent

reunies dans les ecoulements

a

grande vitesse turbulence elevee associee a une

pression statique faible ou moderee. Les coursiers des evacuateurs de surface a partir

d une denivelee de 40 a

50

m au-dessous du niveau de retenue et leurs cuilleres

deflectrices, les chenaux a la sortie des evacuateurs de fond (cf. 4.4) comptent

parmi les parties d ouvrages les plus exposees. La cavitation est presente egalement

au sein de I ecoulement macroturbulent dans les bassins

a

ressaut et fosses

d amortissement; elle est particulierement intense au contact et dans le sillage des

obstacles incorpores a certains types de bassins.

Les dom m ges c uses p r l c vit tion aux structures de confinement des

ecoulements a grande vitesse sont frequents avec les barrages de plus en plus hauts

et les evacuateurs de capacite de plus en plus grande realises au cours des dernieres

decennies. En se limitant aux evacuateurs de surface on peut citer comme exemples

ceux des barrages de

Hoover, USA;

Glen Canyon, USA [7,155].

Karun, en Iran, dont la moitie inferieure du coursier et la cuillere ont ete

serieusement erodes

a

plusieurs reprises [I621 (Fig. 1);

El Infernillo, au Mexique, ou la cavitation a creuse des trous de plusieurs

metres de profondeur dans les coudes de raccordement entre puits inclines et

galeries de derivation;

Keban, en Turquie, endommage superficiellement pres des joints transver-

saux entre dalles du coursier [3];

Mica, au Canada;

Bratsk, URSS;

Yellowtail, USA, oh la cavitation a creuse un trou de plus de

2

m r I aval

du coude vertical de I evacuateur en tunnel [ 7 2 0 ] (Fig. 19);

Guri, Venezuela, oh la cuillere submergee du deversoir de premiere phase

a

etk serieusement endommagee par cavitation au niveau de I arCte du tremplin

[29].

*) RCf. [40, 54, 74 76 114,

125 1561.



5

PARTICULAR PROBLEMS

WITH HIGH-VELOCITY FLOWS

5 1 CAVITATION GENERAL CONSIDERATIONS TYPICAL EXAMPLES *)

Cond i t ions con ducive to cav i t a t ion are af t en combine d in h igh-veloci ty f lows

:

high tu rbu lence associa ted wi th low or moderate s t a t i c p ressure . Surface sp i l lway

chutes ex tend ing 40-50 m below reservo i r l evel and thei r t e rminal f l ip bucket s , an d

out le t channel s f rom h igh-head sp i l lways see para . 4.4) are amongs t the m os t h ighly

exposed s t ructures . Cavi ta t ion a l so occurs in the macro turbu len t f low in hydrau l i c

jump s t i l l ing bas ins and scour ho les ; i t i s par t i cu lar ly in tense a t and beh ind the

obs tac les bu il t in to so me types of bas ins .

Cavitation d m ge to s t ructures des igned to conf ine h igh-veloci ty f low i s

f requent wi th the h igher da ms a n d l arger sp i l lways being bu i l t over recen t dec ades .

T ak i n g o n l y s u r f ace s p il lw ay s a s an ex am p l e , s u ch cav i t a ti o n d am ag e h as o ccu r r ed

at

H o o v er d am , U SA .

G l e n C a n y o n d a m ,

USA

[7 1551.

K aru n , I r an , w h ere t h e b o t t o m h a lf o f t h e ch u t e a n d b u ck e t w ere s e r i o u s ly

e ro d ed o n s ev e ra l o ccas i o n s

[162]

Fig .

I .

El Infern i l lo , Mexico , where cav i t a t ion scoured ho les severa l met res deep

in the bend jo in ing the inc l ined shaf t s to the d ivers ion tunnel s .

K eb an , T u rk ey , w h ere s u p e r f i c ia l d am ag e o ccu r r ed n ea r t h e j o in t s b e t w een

ch u t e s l ab s p e rp en d i cu l a r t o t h e f l o w [3].

M i c a, C a n a d a .

Brat sk , USSR.

Yel lowtai l , USA, where cav i t a t ion produ ced a ho le more tha n 2 m d ee p

downs t ream of the vert i ca l bend in the tunnel sp i l lway

[7 20]

Fig.

19 .

Guri , Venezuela , where the f i r s t -phase sp i l lway bucket was ser ious ly

d am ag ed b y cav i t a ti o n a t t h e s u b m erg ed l i p

[29].

*) Ref. [40 54 74 76 114 125 1561



Fig. 19

~vac uate ur n tunnel du barrage de Yellowtail (~ t a t s - ~ n i s )

Disposition generale et details de l aerateur.

Spillway tunnel of Yellowtail dam USA)

General layout and details of aerator.

A) Rainure d akration.

B) Zone peu endommagee.

(C)

Zone tres endommagee.

D)

Rainure en fer

a

cheval.

E) Poche d air.

A) Air trough.

B )

Area of minor damage.

C) Area of major damage.

D ) Horse-shoe trough.

E )

Air cavity.

(F)

Detail de la rainure d akration le long de

F)

Detail of air trough along axis of invert.

I axe du radier.



5.2. DIMINUTION DES

D E G R D T I O N S

PAR CAVITATION

5.2.1. Fini de surface necessaire;

ses limitations pratiques vieillissement du beton

D a n s le s e c ou l e me n t s a gran de vi tesse sur face libre, l a pression s ta t iqu e es t

generalement faible . Lorsque les f i le ts l iquides sont a peu pres para l le les e t proches

de I ' hor iz on ta le , s a me sur e e s t donne e pa r l a p r o f onde ur d ' e a u ; su r un c our s ie r p l a n

incline el le est reduite pa r I ' incl inaison (p, y,

x

c os

a

y, : epa isseur d e la ve ine

l i qu ide n or ma le me n t a u c our s ie r , x angle de celui-ci avec I 'hor izontale) .

Un e convexi te du radie r la f a it d imin uer , une concavi te la fa i t augmen ter . Des

var ia t ions loca les sont auss i causees par les i r r egula r i tes de sur face auxque l les se

supe r pose n t de s f l uc tua t i ons hydr odyna m ique s a s soc i e e s r la turb ule nce . C'est a insi

qu 'au vois inage des i r r egula r i tes e t tout par t icul ie rement dans leur s i l lage , des

p r e s sions suba tmosphe r ique s pe uve n t a ppa r a i t r e m ome nta ne me n t .

Le r i sque d e cavi ta t ion es t s ingul ie rement agg rave lor squ e la v i tesse es t t res

e levee au contac t d es parois , c 'e s t- ri -d i re lor sque la cou che l imi te n ' est pas c om -

p l e te me n t d e ve loppe e [26] Ce t t e s i t ua ti on e s t ma lhe ur e use me n t f r e que n t e da ns l es

evacua teurs d e sur fac e ; sur les cours ie r s , I 'ecoulement pseudopotent ie l per s is te t r es

loin vers le bas avec les lames epa isses e t dans les coudes e t cui l le res la force

cent r i fuge deforme defavo rablem ent le profi l de s vi tesses.

Des experimentateurs americains (J. Ball [l5 161, Henry T. Falvey [40]) et russes

(Galperin [43, 44 45, 461, Oskolov [104, 1051, Rosanov [125], Semenkov

[134, 135,

1361) on t propo se diverses re lat ions qui don nen t po ur un e s ingula r i te i solee su r un

r a d i e r , c a r a c t e r i s e e pa r une d ime ns ion ou un p r o f i l donne s , l e s c ond i t i ons de

press ion e t v i tesse qui sep arent les dom aines d e cavi ta t ion e t non-cavi ta t ion. I1

semb le que leurs mesures a ient e te pr ises en presence d 'u ne couch e l imi te t r es peu

marquee . Les rggl s de ini cor respondantes , amer ica ines ou russes , sont equiva-

lentes , l es secon des e tant un peu moin s severes qu e les premieres . Pour les v i tesses

elevees

(V

> 30 m/s) e t dans I 'e ta t ac tue l de la techniqu e , e l les son t pra t iqu emen t

imposs ibles a respec te r s 'i l s 'agi t d e sur faces de be ton r obteni r apres decof f rage ou

r

l a r egle vibrante . E l les conduisen t

r

meu ler u l te r ieurement les i r regula r i tes . Ce t te

opera t ion es t l abor ieuse e t presente l ' inconvenient de produi re une sur face f ragi le

r cause du dechaussement inevi table d 'une par t ie des agrega ts super f ic ie l s . Le

t ra i tement des a re tes des jo ints d e cont rac t ion es t par t iculie rement de l ica t en ra ison

de le ur f ragil i te . Par a i l leurs , l a qua l i te du f in i r ea l ise se de te r iore rapide men t avec

le temp s p ar sui te d e I 'ac tion des agen ts a tmosp her ique s (ecart s thermiques , ge l) , en

I 'absence m me e toute a t te inte pa r cavita t ion. Les sur faces meulees sont part icul ie -

rement sens ibles

a

c e t ype de de gr a da t i on .

I1 arr ive aussi q u e les ir regular i tes soien t le fait d e concret ion s calcaires

pos te r ieures i l a cons t ruc t ion.

5.2.2. Traitement de surface revttements speciaux *)

La presence d 'une couche l imi te insuf f i samment deve loppee , ca rac te r i see par

de s vi tesses elevees

a

qu elqu es mil l imetres des parois, just if ie I 'application de s regles



5 2

CONTROL OF CAVITATION DAMAGE

5 2 1

Surface finish practical limitations concrete ageing

The static pressure is generally low in free-surface high-velocity flows. When

the streamlines are roughly parallel and near horizontal, the water depth is a measure

of the static pressure, but it is less on

a flat sloping chute p, y, x cos a in which

y, is the thickness of the flow measured normal to the chute, and a is the angle the

flow makes with the horizontal).

A convex floor reduces the static pressure, a concave floor increases it. Local

variations are also caused by surface irregularities to which are added the hydro-

dynamic fluctuations associated with turbulence. Subatmospheric pressures may

appear momentarily near and, more importantly, downstream of irregularities.

The cavitation risk is significantly aggravated where high-velocity flows are in

contact with the concrete surfaces, and the boundary layer is not fully developed

1261. This situation is unfortunately common with surface spillways; the flow down

the chute in a thick water sheet is still pseudopotential far down and centrifugal force

at bends and flip buckets distorts the velocity profile unfavourably.

Experiments in America Ball

[is, 161,

Falvey

1401

and in Russia Galperin

143,

44

45, 461, Oskolov [104, 1051, Rosanov 11251, Semenkov 1134, 135, 1361 have led to various

equations for determining pressure and velocity conditions leading to cavitation or

no cavitation for an isolated singularity on a chute floor, defined by a given

dimension or profile. The tests would appear to have been made with a very

attenuated boundary layer. The

speczjic tions for surf ce finish

produced by the

Americans and Russians on this basis are in fact equivalent, the latter being slightly

less stringent. For high velocities in excess of 30 m/s, the specifications are

practically impossible to follow in the present state of technology if they refer to

as-cast concrete or screeded concrete. Finishing by grinding is essential but this is

laborious and has the disadvantage of weakening the surface because some of the

superficial aggregate is inevitably loosened. Contraction joint arises are particularly

awkward to deal with. In any event, the finish quickly deteriorates with temperature

fluctuations and freeze-thaw, even ignoring attack by cavitation. Grinder-finish

surfaces are particularly sensitive to weather damage.

Irregular surfaces can also be caused by calcium carbonate concretions ap-

pearing after construction.

5 2 2

Surface treatment linings and coatings

*)

Inadequate boundary layer where there are high-flow velocities a few milli-

metres from the wall justifies the measures described in section 5.2.1. for chutes and

*) Ref. [ I 53, 60, 73, 1061



mentionnees sous

5.2.1

aux coursiers et cuilleres des evacuateurs de surface.

L experience montre que le phenomene de cavitation est pratiquement absent sur

un coursier de finition ord inaire si la couche limite interesse toute I epaisseur de la

veine liquide; ce qui signifie que l effet favorable de la diminution des vitesses pres

des parois I emporte sur celui contra ire de la generalisation de la turbulence .

Malheureusement, la couche limite n atteint la surface avant que la vitesse devienne

dangereuse (denivelee 50 m) que dans le cas des veines minces, c est-a-dire des

petits debits unitaires.

Le developpement de la couche limite est accelere par une rugosite plus grande

des parois. C est pourquoi il n y a pas lieu d exiger des parois mouillees par ticu-

lierement soignees dans la partie amont de I evacuateur.

Une rugosite artificiellement accentuee sur une certaine distance dans le

tronqon de forte acceleration a I origine du coursier et don t la hauteur decroitrait

progressivement dans le sens de l ecoulement aurait peut-Ctre des consequences tres

positives a l egard du probleme de la protection contre les erosions de cavitation.

C est une voie qu il convient d explorer, mais qui reste difficile sur le plan de la

realisation pratique.

En relation avec ce qui precede, on conqoit que la presence, dans le profil

longitudinal du coursier, d un tronqon subhorizontal relativement long a I amont du

point situe entre

30

et

40

m au-dessous de la retenue soit une circonstance favorable

dont il convient de tirer parti lorsque la morphologie du site en offre la possibilite.

De meme, des piles longues entre pertuis d entrke, eventuellement prolongees par des

murs guideaux intermediaires, contribuent

a

l acceleration du developpement de la

couche limite par interaction plus prononcee des frottements sur le fond et les c6tes.

D un autre cbte, les crCtes de coq produit es par des piles courtes sont favorables

a I aeration de l ecoulement qui en resulte.

Les revgtements speci ux ont pour but d ameliorer le fini des surfaces et

d augmenter la resistance aux chocs produits par l implosion des bulles de vapeur

en cas de cavitation. Ces deux objectifs sont realises simultanement par le blindage

en t61e d acier.

Le blind ge a pour inconvenients de coiiter cher et de poser des problemes de

scellement dans le beton des radiers. Aucun vide etendu ne doit subsister entre le

beton et la t61e, de peur que celle-ci vibre en resonance avec les fluctuations de

pression dynamique. La vibration produirait une perte d adherence progressive et

des contraintes de fatigue ayant pour consequence ultime I arrachement du blindage.

Celui-ci est generalement reserve a des surfaces limitees particulierement exposees.

Le cas le plus typique est celui de I orifice des Cvacuateurs ou vidanges de fond et

du tronGon de canal immediatement a l aval. L orifice est prudemment place a la

fin d un convergent de sorte que la pression c6te amont reste suffisante pour

empCcher la cavitat ion. De ce cbte, le blindage n est justifie que si I etancheite du

conduit et sa resistance a la pression interieure le rendent indispensable. Le risque

de cavitation commence peu avant l orifice (quelques metres). Du fait de I accele-

ration rapide dans le convergent de sortie, la forme du profil des vitesses reste

defavorable sur une certaine distance (vitesse elevee au contact des parois) en

I absence de pression statique significative. Le blindage s impose chaque fois que

la probabilite d utilisation prolongee avec vitesses dangereuses V 25 m/s) est

elevee, qu il y ait ou non un dispositif d aeration de I ecoulement adjacent a I orifice.

Concernant I extension du blindage dans le canal de sortie, il ne semble pas y avoir

a ce jour de regles precises deduites d une analyse theorique ou de I experimentation.



bucke ts to s ur face spi llways . Exper ience show s tha t there i s pract ica l ly n o cavi ta t ion

on a chute wi th a norm al concre te f in i sh if the bound ary layer extend s throug h the

whole depth of f low and the favourable e f fec t of lower ve loc i t ies near the wal l s

outweighs the cont ra ry e f fec t of genera l ized turbulence . Unfor tuna te ly , the boun-

dary layer wi ll r each the wate r su r face before dangerou s ly high ve loci t ies deve lo p

heads in excess of 50 m) , only wi th th in shee ts of wate r , i e , for smal l uni t d i scharges .

Bou ndary layer growth i s acce le ra ted by sur face roughness . Th is i s why i t i s not

ne c es sar y t o d e m a nd a h igh s t a nd a r d o f su r f a ce f i n ish i n t he ups t r e a m p a r t o f t he

spil lway.

de l ibe r a te ly r ough su r f a c e f o r some d i s t a nc e , w i th t he r oughne ss d imin i sh ing

s teadi ly f rom the to p of the chute m ight be benef ic ia l as r egards cavi ta t ion cont rol .

This i s wor th explor ing, bu t there would be prac t ica l d i ff icul t ies of produ c ing such

a surface.

O n a s imi la r aspec t , i t is r eadi ly und ers tood tha t a r e la tive ly long n ear -hor i -

zonta l sec t ion of chute down to a point 30-40 m be low reservoi r leve l i s f avorable

and should be used when the morphology of the s i te makes i t f eas ible . S imi la r ly ,

long pie r s be tween in le ts , poss ibly ex tending som e way down st ream, wi ll cont r ibu te

to boun da r y l a ye r g r ow th be c a use o f t he i n t e ra c t ion i t p r omote s be tw e en f r ic t ion

on t h e f l oo r a nd s i de s. T he r oos t e r ta i l o f shor t p i e rs , on t he o the r h a nd , i s f a vor a b l e

du e t o a e r a t i on o f t he f low .

pecial l inings are used to im prove sur face f in i sh and increase impac t r es i s tance

a ga inst t he implos ion o f t he va por -f i ll e d bubb l e s p r oduc e d by c a v i ta t i on . Bo th t he se

objec t ives a re met a t one and the same t ime by s tee l l in ings .

teel linings

ha ve t he d i sa dva n t a ge o f be ing e xpe nsive a n d a w kw a r d t o t i e i n to

the c onc r e te . N o e x t e ns ive ga p mus t b e l e ft be tw e e n t he s t e e l a nd t h e unde r ly ing

c onc r et e be c a use t he dyna mic f l uctua ti ng p r e s su r e ma y c a use r e sona nc e so t ha t t he

s teel gradua l ly separa tes fur ther f rom th e concre te an d fa t igue might u l t imate ly tea r

the l in ing away. S tee l l in ings a r e genera l ly conf ined to sm al l a reas a t r i sk . Th e mos t

typica l case i s h igh-head spi l lways and bot tom out le t s p lus the sec t ion of s lu ice

immedia te ly fol lowing. I t is a wise precaut ion fo r the in le t to be a convergent s ha pe

so tha t the ups t ream pressure is a lways high enoug h to prevent cavi ta t ion, in which

case , stee l l in ing is only just i fied by th e need for the s lu ice to remain wtaer t ight an d

capable of wi ths tanding the ins ide pressure . The cavi ta t ion r i sk appears f i r s t jus t

a h e a d

a

few metres) of the or i f ice . Because of the rapid acce le ra t ion in the

converging out le t , th e veloci ty prof i le is unfavorable over som e dis tance high

ve loc it ies a t the w et ted per imete r ) in th e absence of any s igni f icant s ta t ic pressure .

S tee l l in ing is inevi table if the re i s a h igh prob abi l i ty of prolong ed use a t dan gero us

ve loc it ies in excess of 25 m/s , wheth er or not a vent i s provided to ae ra te the f low

near the or i fice. There d o not ap pea r to be any prec ise rules derived f rom theory or

exper im ent to de te rmine th e extens ion of the s tee l l in ing in the out le t cana l , and th is

i s s t il l a mat te r of engineer ing judgemen t . The m ost pru den t appr oac h i s to l ine the

f loor for a minim um dis tance of 50 RH

R H

s the hydraul ic r adius of the or i f ice ) ,



C est encore affaire de jugement. Les regles les plus prudentes prescrivent de

blinder

e radier sur une distance minimale d = 5 0 RH (RH rayon hydraulique de

I ori fice) ;

es piedroits sur toute la hauteur mouillee jusqu a d

= 15

RH, ur la moitie

inferieure jusqu a d

= 3 0

RH.

Comme il s agit d accompagner le developpement de la couche limite jusqu a

la section dans laquelle la vitesse pres de la paroi devient compatible avec l etat de

surface prescrit pour le beton, on congoit que la distance blindee devrait augmenter

avec la vitesse dans I orifice et qu une rugosite croissante du blindage de I amont

vers l aval serait de nature accelerer le processus de developpement. Des essais

devraient Ctre conduits avec comme objectif une formulation plus rationnelle de

l extension du blindage et une meilleure connaissance de I effet de la rugosite.

Une autre utilisat ion restreinte de I acier comme revCtement anti-cavitation se

rencontre parfois dans les cuilleres de lancement et les bassins a ressaut. Les arCtes,

sinon la surface entiere de certaines dents deflectrices ou d obstacles, sont blindees

pour retarder leur degradation. Bien que ces protections soient des pieces d usure,

des progrbs restent faire dans la mise au point d un systeme commode de fixation

permettant de les remplacer rapidement.

L execution du joint beton-acier presente souvent un probleme de continuite

de surface lorsque ce joint est expose a de grandes vitesses. Les effets thermiques,

de retrait ou de vieillissement (epaufrement de I arCte de beton) peuvent ouvrir ce

joint avec pour consequence I arrachement du blindage. Ce dernier doit Ctre

fortement ancre et bien draine pour que la sous-pression correspondant a une partie

plus ou moins grande du terme de vitesse ne risque pas de s introduire derriere le

blindage en le soulevant.

Outre l acier, d autres types de protection ont ete developpes au cours des

dernieres decennies. Leur emploi est pratiquement limite aux reparations, a cause

de leur prix et de la meconnaissance presente de leurs performances a long terme.

Ce sont les resines epoxydiques, les betons avec fibres d acier incorporees et les

resines de polyurethane

*).

Les

resines epoxy iques

sont utilisees occasionnellement sous differentes for-

mes

imple peinture des surfaces de beton exposees;

mpregnation de ces surfaces sur une profondeur de a 3 cm;

reparation des portions erodees I aide de mortier de resine epoxydique.

La peinture et I impregnation ameliorent certes le fini et la resistance des

surfaces de beton, mais dans une mesure beaucoup moindre que la ta le d acier. La

mise en ceuvre de I impregnation est assez delicate et laborieuse; elle exige l asse-

chement prealable du beton sur plusieurs centimetres de profondeur et des condi-

tions de temperature tres strictes [lo]

Les mortiers epoxydiques sont reserves aux reparations localisees. Les resultats

sont quelquefois decevants, notamment lorsque les surfaces traitees sont soumises

*) e lecteur pourra se reporter au bulletin 4 de

la

CIGB < esines synthttiques pour les

revetements de barrages

1982).



and the side walls over the whole wetted height for a distance of 15 RH and up to

midheight for a distance of

3

RH.

Since the object is to accompany boundary layer to a point where the velocity

against the walls becomes compatible with the prescribed concrete surface finish,

it is evident that the lining must be longer for high orifice velocities and that

increasing the surface roughness of the lining in the downstream direction would help

to accelerate boundary layer growth. Tests should be undertaken to arrive at a more

rational formulation of lining length and better knowledge of the effect of surface

roughness.

Another restricted use of steel as anticavitation lining is sometimes found on

flip buckets and in hydraulic jumps. The arrises or even the whole surface of some

baffle blocks or obstacles are faced with steel to delay damage. Although such

protection is normally subject to wear and replacement, progress is still awaited to

develop a convenient fastening system that would allow them to be changed quickly.

Obtaining a smooth joint between the steel and concrete is often a problem

where high flow velocities are concerned. Temperature effects, shrinkage and ageing

may cause the concrete edge to spall and admit water that will tear away the steel

plate. T he lining must be firmly tied-back and well drained to prevent uplift pressure,

representing an appreciable part of the velocity head, jacking the lining off the

concrete.

Other types of protection besides steel have been developed over recent years.

They are nearly always confined to repairs, because of their high price and lack of

knowledge about their long-term performance. These are the epoxy resins, fibre

concrete and polyurethane resins .

Epoxy r sins are appearing, which may be brushed onto exposed concrete or

impregnated to a depth of

1 3

cm. Epoxy mortars may be used for repairs.

Painting and impregnating with epoxy improve concrete surface finish and

resistance, but much less than a steel lining. The impregnation process is laborious

and difficult to apply successfully since the concrete first has to be dried to a depth

of several centimetres and temperature requirements are very stringent [lo].

Epoxy mortar is only suitable for patching. Results are sometimes disappoin-

ting, especially when the repairs are exposed to a wide range of temperatures he

Synthetic resins

for

facings of dams

ICOLD

Bulletin

43 1982.



a

de fortes variations thermiques : les rapie~ages

>

s'epaufrent sur leur pourtour,

les mortiers epoxydiques ayant un coefficient de dilatation thermique different de

celui du beton. Les irregularitks ainsi produites donnent lieu

a

cavitation.

L incorporation defihres dhcier au beton

*)

a pour motivation la constatation

qui a ete faite experimentalement d'un ralentissement de la degradation par cavi-

tation avec I'augmentation de la resistance a la traction du materiau teste. Dans le

cas du beton, cette resistance a la traction est amelioree notablement par la presence

de fibres d'acier. Les fibres ont en outre la propriete interessante

a

I'egard de la

cavitation de rendre la surface du beton moins fragile, par attenuation du fai'enqage.

Elles ont une longueur comprise entre 2 et 4 cm et une section entre 0,05 et 0,16 mm2.

La plus recente reparation du bassin d'amortissement du tunnel no 3 de Tarbela

(1976-1977) a comporte la mise en place sur le radier d'une couche d'usure de 50 cm

d'epaisseur contenant 80 kg/m3 de fibres d'acier, pour ameliorer la resistance la

cavitation et a I'abrasion [28]. La fabrication et la mise en place du beton de fibres

posent certains problemes pratiques, a cause de I'agglutination d'une partie des

fibres en chignons )> et de la tendance de certaines fibres isolees a pointer au fond

de minuscules depressions qui se forment en surface par capillarite au cours du

talochage de finition. Le comportement du beton de fibres a Tarbela semble avoir

ete satisfaisant jusqu'a ce jour (1984) bien qu'il ait ete soumis de faqon prolongee

a des sollicitations de sous-pression et de cavitation simultanement, du fait de la

macroturbulence presente dans le ressaut hydraulique. Le beton de fibres d'acier a

ete aussi utilise pour reparer les erosions de cavitation qui se sont produites dans

les pertuis de vidange des barrages de Libby et de Dworshak aux ~ t a t s - ~ n i sI~o] .

La protection du beton contre la cavitation est egalement recherchee dans une

direction tout a fait differente de celle orientee vers I'amelioration superficielle de

la resistance r la traction, a savoir I'espoir fonde sur les performances de revgtements

minces e lastiques susceptibles d'amortir considerablement les chocs consecutifs a

I'implosion des bulles de vapeur. En realite, ces revetements flexibles sont actuelle-

ment essay pour lutter contre I'abrasion du beton par les sediments, mais comme

I'attaque par impact est aussi presente dans ce dernier phenomene, une solution

satisfaisante pour I'abrasion devrait 1'Ctre dans une large mesure pour la cavitation.

Le materiau de revetement flexible le plus prometteur a I'heure actuelle semble etre

la rksine de polyurethane (voir exemple au

5.3 ci-apres).

Les bulles d'air non dissoutes presentes dans un ecoulement ont un effet

benefique a I'egard de la cavi tation; elles freinent le dkveloppement de pressions

subatmospheriques et, par augmentation de la compressibilite de I'eau, reduisent

considerablement la violence des chocs qui accompagnent I'implosion des bulles de

vapeur.

Des experimentateurs A . Peterka [107, 1081, Russel

[I281

ont etabli qu'une

teneur en air emulsionne de I'ordre de

8

en volume au voisinage d'une paroi

supprime toute attaque de cette paroi par cavitation, meme avec des vitesses de

courant d'eau tres elevees V

>

27 m/s).

*) Le lecteur pourra se reporter au b ullet in 40 de la CIGB Le beton arme de f ibres

))

1982).



edges of the pa tch spa l l of f because of the di f fe rent therm al expan sion of the mor ta r

and under lying concre te . The resul t ing rough sur face i s subjec t to cavi ta t ion.

7h e use of steelf ibr e in concrete i s mot iva ted by the exper imenta l f ac t tha t

cavi ta t ion damag e i s s lowed do wn by increased tens ile s t r ength . Tens i le s tr ength in

concre te i s subs tant ia l ly impro ved by s teel f ibres . The f ibres a l so have the a t t r ac t ive

proper ty of making the concre te sur face less br i t t l e and prevent ing c raz ing. The

fibres are 2-4 cm in length with a cross-sectional are a of 0.05-0.16 mm . Th e latest

repa i r s to the s t i l ling bas in to No . 3 tunne l a t Tarbe la (1976-1977) inc lud ed a 50 cm

wear layer on the f loor conta in ing 80 kg/m3 s tee l fibre to improve cav i ta t ion and

abras ion res i s tance [28].

There a re some prac t ica l d i f f icul t ies in mixing and plac ing f ibre concre te because

the f i b r e s t e nd t o bunc h up a nd i nd iv idua l f i b r e s poke ou t o f sma l l de pr e s s ions

formin g in the sur face by capi l la r i ty as it i s f loa ted. The be haviou r of the f ibre

concre te a t Tarbe la seems to have been sa t i s fac tory to da te (1984) despi te i t s

p r o longe d e xposur e t o s im ul t a ne ous up li ft a nd c a v i ta t i on f r om the ma c r o tu r bu l e nc e

in the hydraul ic jump. F ibre concre te has a l so been used to repa i r the cavi ta t ion

da ma ge i n t he bo t t om ou t l e t s o f L ibby a nd D w or sha k da ms i n t he USA

[ I ~ o ] .

T he r e i s a lso a n o the r a p pr oa c h t o p r o t e c t ing c onc r e t e a ga ins t c a v it a t ion d a ma g e

tha t i s qui te d i f fe rent f rom th e idea of improving th e sur face tens ile s t r ength wi th

hope s be ing p inne d o n t he pe r f o r ma nc e o f thin elastic coating s t ha t migh t c ons ide r a -

bly reduce the impac t caused by the implos ion of the vapor - f i l led bubbles . In fac t ,

such f lexible coa tings a re now be in g t ried to comb at concre te abras ion by sedim ent ,

but a s impac t is a l so a fac tor , a sa ti s fac tory answer aga ins t abras ion sh ould a l so be

la rgely sui table aga ins t cavi ta t ion. The most promis ing f lexible coa t ing a t the present

t im e a p p e a r s t o b e polyurethane resin (see example in section 5.3) .

5 2 3 eration Ref.

[31,

1361

Free a i r bubbles in the f low have a benef ic ia l e f fec t on cavi ta t ion. They o ppo se

the de ve lopm e nt o f suba tm osphe r i c p r e s su re s a n d by i nc re a s ing t he c ompr e s sib i li t y

of the wate r , cons iderably reduce the force of the impac t f rom implos ion of the

vapor - f i l led bubbles .

Ex pe rim en ts (P eterk a (107, 1081, Rus sel [128]) ha ve de m on str ate d t ha t a n

e mul s ion w ith som e

8 Oo

by volu me of a i r near the w et ted sur face e l imina tes a ll a t tack

by cavitat ion, even at very high f low velocit ies in excess of 27 m/s.

Fibre

reinforced

concrete, ICOLD Bulletin

40

1982.



Dans le cas des ecoulements a surface libre qui sont les plus critiques a I'egard

de la cavitation une aeration se produit naturellement par la surface lorsque toute

la section est turbulente et que le niveau de turbulence est suffisant pour que la

tension superficielle ne puisse plus s'opposer aux echanges entre phases liquide et

gazeuse. Comme rappele dans la section 5.2.2,

a

l'origine d'un coursier d'evacuateur

la turbulence est pratiquement concentree dans la couche limite de sorte que

I'aeration naturelle ne commence qu'a partir de l'endroit ou cette couche atteint la

surface.

Le phenomene d'autoaeration de la lame est favorise par de longs coursiers

permettant le plein developpement de la couche limite et a ete utilise pour reduire

le risque de cavitation par le choix de coursiers larges donnant pour les debits

normaux de fonctionnement (crue decennale par exemple) des lames minces (de

l'ordre du metre) des que les vitesses depassent 25 a 30 m/s (evacuateur propose

pour le barrage de Souapiti sur le Konkoure en Guinee). Les crCtes de coq ))

produites par les piles intermediaires dont la partie aval n'est pas profilee aug-

mentent I'aeration naturelle de l'ecoulement.

Dans un chenal pleinement turbulent, la teneur en air emulsionne dans une

section donnee varie considerablement; tres importante en surface, elle peut tre

insignifiante sur le fond. En l'absence d'obstacle ou de dispositif d'aeration, la

teneur moyenne augmente graduellement de I'amont vers

I'aval si le courant est

accelere, en raison de I'augmentation de turbulence.

L'aeration naturelle des ecoulements presentant un risque eleve de cavitation

est rarement suffisante pour assurer la protection necessaire

[25 143 1601.

Quand

cette aeration naturelle commence

a

se developper, la vitesse a souvent atteint un

niveau dangereux et la teneur en air sur le fond reste inferieure a , valeur

minimale admissible pour eviter toute attaque. I1 est cependant judicieux d'aider son

developpement

; es facteurs favorables

a

cet egard sont naturellement les mCmes que

ceux mentionnes

a

la section 5.2.2

a

propos du developpement de la couche limite.

L'utilisation de I'aeration forcee [17 39 118 128 134 135 1471comme moyen de

prevention de la cavitation dans les ecoulements

a

surface libre

a

la sortie des orifices

en charge et sur les coursiers d'evacuateur connait une faveur croissante. Le procede

le plus utilise consiste a creer localement sous la veine liquide et/ou lateralement,

un espace vide d'eau qui communique avec l'air exterieur. La solution est apportee

simplement par une discontinuite du radier et/ou des murs lateraux associee

a

des

conduits d'air amenages dans les bajoyers; elle peut prendre diverses configura-

tions

en radier, rainure large et profonde, marche ou combinaison des deux;

ateralement, rainures, decrochements, puits ou tuyaux, etc. (Voir Fig. 20,

21, 22, dispositifs d'aeration des evacuateurs des barrages de Ust Ilim et Foz Do

Areia et des tunnels d'irrigation de Tarbela).

Une rampe deflectrice est souvent ajoutee pres du bord amont de la disconti-

nuite en radier, pour augmenter la portee de la trajectoire decrite par la sous-nappe.

Ces portees varient de quelques metres a dix metres et davantage [33 71].

La plus grande partie de I'air entrain6 par l'ecoulement est absorbee grfice

a l'emulsion intense qui se produit au voisinage de la sous-nappe a partir d'une

certaine distance depuis

1'arCte de lancement. Les performances d'un dispo-

sitif, exprimees essentiellement par le rapport Qa/Qe (debit d'air sur debit

d'eau) dependent de plusieurs parametres

[54 109 lo

1 1 1

112

I

13 1571

parmi



With free-surface flow, which is more critical than pressure flow as regards

cavitation, there is a natural aeration when the whole section is turbulent to a

sufficient degree for the surface tension not to prevent exchanges between the liquid

and gaseous phases. As mentioned in section 5.2.2, nearly all the turbulence is

concentrated in the boundary layer at the top of a spillway chute, so that natural

aeration only begins once the boundary layer reaches the water surface.

Self-aeration is encouraged when the chute is long enough to permit full

development of the boundary layer; it has been used to reduce cavitation risk by

designing wide chutes so that, at normal flowrates eg, 10-year flood) the flow is only

about m thick once velocities exceed 25-30 m/s proposed spillway at Souapi ti,

Guinea). The rooster tails produced by piers with sharp edges at their trailing edge

contribute significantly to the self-aeration of the flow.

In a fully turbulent channel, the air content in a given cross section varies

considerably; there is a substantial amount at the surface, but may be insignificant

at the bottom. If there are no obstacles or aeration devices, the mean content will

increase gradually from upstream to downstream if the current is accelerated

because of the increased turbulence.

Natural aeration of flows where the cavitation risk is high is rarely sufficient

for adequate protection [25 143 1601. By the time it begins to be effective, the flow

has often reached a dangerously high velocity and there is still less than the

minimum of air at the bottom. But it is nevertheless wise to promote aeration.

Favorable factors are naturally the same as those mentioned before in connection

with boundary layer growth section 5.2.2).

rtzjicial aeration [17 39 118 128 134 135 1471 to prevent cavitation in free-surface

flows leaving pressure sluices and on spillway chutes is coming into increasing favor.

The most widely used method is to create an empty space under or at the side of

the flow, into which atmospheric air is drawn. In practical terms, this is simply a

step or slot with vent pipes through the training walls; for example, the chute floor

might be given a wide, deep slot and/or step, and the side walls might have slots,

steps, shafts or pipes, etc. See Figs 20,21,22, aeration devices of spillways for dams

at Ust Ilim and Foz do Areia and irrigation tunnels at Tarbela).

A ramp is often added a t the upstream edge of the step or slot on the floor to

deflect the bottom of the flow, which may jump from a few metres to 10 m and more

[33 711.

Most of the entrained air is absorbed in the intense emulsification at the bottom

of the flow for some distance of the trailing edge. Performance, expressed essentially

by the ratio QA/QE air rate over water rate), is governed by a large number

of factors [54 109 110 1 1 1 112 113 1571 of which the Froude number of the

air-free flow appears to be an important one, together with a dimensionless



Fig. 20

~vacuateurdu barrage d'Ust Ilim (URSS)

Disposition generale et details des aerateurs

Ust I l im dam spi llway US SR )

General layout and details of aerators.

(A) Poche air sous lame deversante.

A) Ca vity beneath the jet.

(B) Rampe.

B ) Ramp.

C)

Sortie des conduits d'atration (2,2 m2 cha-

C) Air vent outlets 2.2 m Zeach).

cun).

(D) Bajoyer skparateur.

D) Dividing wall.

E ) Admission d'air (10 m2 chacune).

E) Air inlets

10 m

ach).



Fig. 21

~v ac ua te ur u barrage de Foz do Areia (Bresil) Disposition generale et details des aerateurs

Foz do Areia dam spillway Brazil) General layout and details of aerators.

(a) Dimensions principales de I evacuateur.

Main dimensions of spi l lway.

(1) Rarnpes d aeration.

(2) Joints.

3) 4 vannes de 14,5 18,5 m2.

Debit total 000 mJ/s.

I ) Aeration ramps.

2) Joints.

3 )

4 gates

14.5 x

18.5 m2.

Total capacity

1 1

m 3 / s .



ACrateur

=

20 cm.

ACrateur d 15 cm .

ACrateur

3

d 10 cm .

Qa Debit d'air.

A Sortie d'air.

(b) Systkme aeration de l 'evacuateur.

Aeration system of spillway.

Aerator

20

em

Aerator

2

= 15

em

Aerator

3

= 10 em

c )

Principe de I 'admission d'air.

Basic air intake system .

Q a A i r f l o w .

A Air outlet.



Bar ra~ e e oz o

Arela

Brtsil). 6vacuft eur

ric

c ru t n l l r v c r

, I \eL r , irnpe< r i .wr, ~~ ~c> n

k z

o

rela dam Brazi l ) .

Spdlwa~

Chute with uPmtion ramps



P L A N

r m q

T i

S E C T IO N A A

Fig. 22

Barrage de Tarbela (Pakistan ) Tunn el d irrigation no 3

Tarbela da m mgat ion tunnel no

3

Pakistan).

(a) Aerateu r du tune1 no 3 Plan et coupe.

Tunnel no.

3

air trough Plan and section.

(1) Chambre de la vanne de vidange.

I ) Outlet gate chamber.

2) Rainure de batardeau.

2) Existing bulkhead slot.

(3) Coursier en beton.

3)

Concrete chute.

4) Murs en beton existants.

5) Prise d air.

6) Puits d aeration.

7)

Rainure d aeration e n radier.

4 ) Existing concrete walls

5)

Air intake.

6) Air shaft.

7) Air trough.



(b) C oupe sur rainure d aeration e n radier

a

I extremitk du blindage

des pertuis des vannes 3 A et 3 B.

Cross-section of air trough at end of steel liners

of gate orifices

A

and 3

B.

1)

Chambre de la vanne d e vidange

2)

Beton existant.

3 )

Rainure du batardeau.

4) Blindage existant.

(5) Nouvelle Ievre du deflecteur.

6)

Collage epoxy.

(7) Waterstop.

8)

Beton de fibr e d acier.

9) Chamfrein 75 75 mm.

(10) Chamfrein

25

x

25

mm.

(1) O ut let gate chamber.

(2) Existing concrete.

(3) Exis t ing bulkhead s lot .

(4) Existing steel liner.

(5) New deflector lip.

(6) Epoxy bonding agent .

(7) Waters top.

(8) Steel fiber concrete.

(9)

3 x 3

chamfer.

(10)

1

x

I chamfer .



lesquels le plus important est le nombre de Froude d e I ecoulement non emulsionne

ainsi qu un parametre sans dimension qui rend compte de la difference de pression

entre I air exterieur et celui contenu dans la poche formee sous I ecoulement et de

la longueur de cette poche. La relation Qa/Qe f (Qe) peut it re etablie experi-

mentalement pour une configuration donnee du dispositif d aeration. Sur modele

reduit, avant realisation du prototype, on se heurte a une difficulte de

taille qui est

I effet d echelle. A cause de la viscosite et de la tension superficielle de I eau, les

resultats du modele conduisent a sous-estimer les performances du dipositif en vraie

grandeur. La viscosite joue un r8le plus important dans le modele base sur la

similitude de Froude car I epaisseur relative de la sous-couche limite laminaire

y

est

plus forte que sur le prototype.

La

tension superficielle qui s oppose a I entree des bulles

d air dans I ecoulement ne semble plus jouer un r81e significatif a cet egard quand

le nombre de Weber de I ecoulement (We pV2L/o) excede lo6. Pour minimiser

l effet d echelle il faut donc construire un modele a grande echelle de l aerateur

essaye (ou d une partie d e cet aerateur)

[log]

Quelques mesures sur prototype ont ete faites tunnels d irrigation de Tarbela

[~ o I ,eversoir de surface de Foz do Areia [ I I ~ ,131. Elles ont montre que le rapport

Qa/Qe diminue lorsque Qe augmente. Par exemple a Foz do Areia Qa/Qe decroit

de 0,7

a

0,07 quand le debit specifique croit de 10 a 110 m3/s/m [ I I ~ ] Le projet de

I aeration doit tenir compte de cette diminution de faqon que I efficacite a plein debit

reste suffisante.

L efficacite d un dispositif d aeration n est pas

liee qu au rapport Qa/Qe

puisque le parametre determinant est la teneur en air en profondeur, sur le radier

et a la partie basse des piedroits (la partie haute des piedroits beneficie en general

d une aeration abondante apportee par la turbulence de frottement lateral). A

I endroit ou le jet rejoint le radier apres son passage sur le dispositif d aeration, la

teneur est normalement tres superieure aux necessaires. En allant vers I aval les

bulles d air sont attirees vers la surface par le gradient de pression decroissant et

retournent progressivement a I atmosphere. Le phenomene de desaeration s inten-

sifie dans les concavites du radier (deflecteurs) a cause de I augmentation des

pressions hydrostatiques. partir d une certaine distance la teneur en air au

voisinage du radier retombe au-dessous de 8

.

Sur le modele au 1/12 des tunnels

de Tarbela, la presque totalite de I air entraine par une rainure de fond avait rejoint

la surface 30 m a I aval de cette rainure; mais la comparaison ulterieure avec le

prototype a montre que I effet d kchelle avait ete considerable. La determinat ion

de la distance protegee par un seul aera teur est donc encore problematique. 11 faut

attendre des observations systematiques sur les ouvrages en service pour une gamme

etendue d e debits jusqu a la pleine capacite d evacuation.

La technologie de construction des dispositifs d aeration doit faire I objet d un

soin particulier, surtout lorsque ces dispositifs sont places dans les zones a vitesse

elevee. Les materiaux a utiliser, les finis de surface a exiger et les precautions d ordre

structure1 a imposer sont celles recommandees pour les ouvrages soumis

a

des

sollicitations de sous-pression dynamique et de cavitation. Les joints de construc-

tion ou contraction et les arites des rampes deflectrices sont des parties delicates

a cause du risque d epaufrement. Des blindages locaux peuvent tt re installes a

condition d itre solidement ancres. Les regles de finition peuvent itr e moins strictes

en cas d aerdtion forcee.

L Cmulsionnement produi t par les teneurs elevees en air se traduit par une

augmentation correlative de la section mouillee. Sur un coursier

a

I air libre les



parameter for the influence of the pressure differential across the water jet and the

cavity length. The QA/QE f QE) relationship can be determined experimentally

for a given aeration arrangement. When using a scale model before the dam is built,

scale effect is an important problem. Owing to the viscosity and surface tension of

water, model results may underestimate the actual prototype performance. Viscous

effects are due especially to the relatively thicker laminar sub-layer in Froude law

models. Surface tension effects which inhibit the disruption of the water nappe seem

to be considerably reduced when the Weber number of the flow We pV2L/o) is

above

000 000 To minimize scale effects, large-size sectional models may be

used [log].

Measurements at dams Tarbela irrigation tunnels [70], Foz do Areia surface

spillway 1110 1131) eveal that the ratio QA/QE reduces as QE increases. For example,

at Foz d o Areia, QA/QE decreased from 0.7 to 0.07 for specific discharges varying

from 10 to 110 m3/s/m 113). Care should be taken in the design for the aerators to

attain satisfactory performance for the highest spillway discharge.

The efficiency of aeration devices is not governed solely by the QA/QE ratio

because the determining factor is the amount of air in the flow near the floor and

the foot of the side walls the upper part of side walls usually benefits from the

abundant aeration produced by the friction turbulence at the sides). There is usually

more than the required 8 where the water falls back to the floor but farther

downstream, bubbles tend to rise to the surface because of the diminishing pressure

gradient and gradually escape. Air loss is greater at floor concavities deflectors)

because of higher hydrostatic pressures. After a certain distance, the air content may

drop to below 8 . On the 1/12 scale model of the Tarbela tunnels, nearly all the

air entrained by the bottom slot had reached the surface of the water 30 m below

the slot; however, the model results had shown considerable scale effects. The

question of the length of chute actually protected by one aerator is still not well

understood. Systematic observations on operational dams covering a wide range of

discharges up to full capacity must be awaited.

Care is required in the construction of aeration devices, especially those in high

velocity flows. Materials, surface finishes and structural precautions are the same

as those recommended for parts exposed to dynamic uplift pressures and cavitation.

Construction and contraction joints, and the edges of ramps and slots are subject

to spalling and steel fibre concrete lining or small steel liner plates may be useful

provided they are well tied-back into the concrete. Less strict finishing specifications

are acceptable for the concrete boundaries where aeration is provided.

The emulsion produced by high air contents causes a correlative increase in the

cross section of flow. In a free-surface chute, the training walls have to be higher;



ba joye rs do ive n t e t r e su r ha usse s ; da ns l e c a s d ' un e va c ua t e ur sou t e r r a in , I' a ugm enta -

t ion d e sec t ion necessa i re pour evi te r la mise en charg e peut s ' averer cot iteuse . A

Foz d o Are i a, pou r un de b i t e va c ue de 8 5 m3/s e t des vi tesses d ' ecoulement de

I 'ordre de 43 m /s , l e gonfl e m e nt ( bu lk ing) obse rve a u- de ssus de l a p r o f onde u r de

I ' ecoulement san s aera t ion a t te igna i t

8

de c e t te p r o f onde ur . C 'e s t pou r quo i on

peut s e dem and er s i les recherches ne devra ient pas s 'or ienter vers un sys teme

d ' a er a t ion f o r m e d e d i spos it i fs de pe t i t e d im e ns ion e spa c e s de que lque s d i z a ine s de

m e t r es se u le m e nt l e l ong du c ours i e r, de fa qon m a in t e n i r l a t e ne ur e n a ir d e 8

necessa i re sur le fond sans emuls ionner notablement le res te de 1 ' ecoulement .

5 3 ABRASION DA NS LES E V A C U A T E U R S ET VIDANGES

REVETEMENTS S P E C I A U X

5 3 1 Generalites Ref

[I 61

L a pr e se nce d e se d im e nt s c ha r ri e s ou e n su spe ns ion da n s un c our a n t r a p ide

p e u t i t r e

r

I 'o r ig ine d ' une usur e r a p ide d u c ondu i t . Da n s de nom br e ux c a s , c e tt e

usure es t inevi table car on n e conn ai t pas en core d e mater iaux qu i lui r es is tent

durablement , f ac i les

a

mettre en aeuvre et d'un pr ix raisonnable.

Les a rgi les e t s i l t s f ins en suspension ne posent pas en genera l de probleme

ree l lement se r ieux. I1 en va tout aut rem ent avec les sables en susp ension o u roules

c on te na n t d e s g r a ins dur s e t a ng u le ux , a ins i qu ' a ve c

les graviers et galets roules d on t

une f rac t ion no table s ino n la total i te est const i tuee genera lement d e mater iaux

abrasifs.

L e p r ob le m e se r e nc on t r e t 6 t ou t a r d pour l es v ida nge s e t e va cua t e urs de f on d .

Pour les evacuateurs de sur face , il est en general

a

echeance lointa ine , sauf dans le

cas des pe t i tes re tenues rempl ies de sediments des les premieres sa isons .

De ux c a s se r on t d is t i ngue s b i en qu 'i ls so i e n t de m im e na tu r e e t souve n t

assoc ies ce lui da ns lequel les e lements roules sur le fon d jouent le r61e prepon-

derant, et I 'autre dans lequel ce r61e est devolu

la f rac t ion en suspension.

5 3 2 Abrasion par transport solid e charrie sur le fond

Les s i tua t ions preoccu pantes se rencontrent d an s les bar rages const rui t s sur des

to r re n t s de ha u te m onta gne

a

for te pente . Aprks qu 'un cer ta in degre d ' a l luvionne-

ment d e la re tenue soi t a t te int , par fois mi m e des la mise en service de l ' ouvrage , les

v ida nge s et / ou l e s e va c ua te ur s son t a m e n

a

t r ans i te r un debi t sol ide de fond t res

im por t a n t .

Les par t ies d e ces ouvrages les plus exposees i I 'abrasion sont les radiers et la

par t ie basse des piedroi t s . Cer ta ines disposi t ions de proje t sont preconisees pour

d im inue r l ' a m ple ur du phe nom e ne ou r a l en t i r son e vo lu t ion

ado pt io n d e condui ts auss i cour ts que poss ible ( les bar rages vot i tes se

pr i t e n t m ie ux que d ' a u t r e s

a

c e c ho ix ) ;

ut i l i sa t ion d ' agrega ts presentant une res is tance accrue

r

I 'usure par f rotte-

m e nt ( sa b le s e t g r a v ie r s de qua r t z i t e pa r e x e m ple ) ;



with a tunnel spillway, the increased cross-sectional area required to prevent the

tunnel running full may be costly. At Foz do Areia spillway, for a discharge of

8 500 m3/s and velocities of the order of 43 m/s bulking reached about 80 . For

these reasons, one may wonder whether research should not be directed towards an

aeration system consisting of small devices only some dozen metres apart along the

chute, so as to maintain the 8 air content necessary on the bottom without

producing too much emulsion in the rest of the flow.

5 3 ABRASION IN SPILLWAYS AND BOTTOM OUTLETS

SPECIAL SURFACES

5 3 1 General

Ref I 61

Bed load and suspended load in a fast-flowing current can cause rapid wear

of the sluice. In many cases, wear is inevitable because there are as yet no known

materials that will resist for a long time, are easy to use and reasonably priced.

Fine clays and silt in suspension do not generally raise any serious problems.

This is not so however with sands in suspension or rolled along the bottom when

they include hard, angular grains, or gravels and pebbles of which a significant

proportion, if not all, is commonly abrasive.

The problem will appear sooner or later with all bottom outlets and deep

spillway sluices. With surface spillways, the problem will not usually arise until

many years in the future, except in the case of small reservoirs that fill up with

sediment in the first few seasons operation.

Although of the same fundamental type and often combined, a distinction will

be made between whether the bed load or suspended load is the more significant

factor.

5 3 2 Abrasion rom ed load

Worrying situations are found at dams built on fast-flowing mountain rivers.

Once there has been some siltation in the reservoir, or sometimes right from the first

filling, the bottom outlets and/or spillways have to discharge very large quantities

of solids.

The parts most exposed to abrasion are floors and the foot of the side walls.

Design arrangements recommended to control or slow down the problem are

:

keep passages as short as possible (arch dams are best in this respect);

use concrete aggregate with high resistance to friction wear (eg, quartzite

sand and gravel for instance);



elimination des singularites geometriques a l interieur du conduit (coudes,

piles, retrkcissements, elargissements);

revetement des parties les plus critiques.

Les revttements preconises sont les mCmes que pour la cavitation (cf. sec-

tion 5.2.2). L experience montre que les protections mises en place entra inent une

diminution de la frequence et de l ampleur des reparations ptriodiques, sans jamais

apporter de solution definitive.

On peut citer comme exemple l evacuateur d u barrage de Ku Kuan (Fig.

2

construit en 1959-1962 sur le torrent Ta Xia Chi a Tai wan, caracterise par un

charriage enorme de galets et sable de quartzite a I occasion de chaque crue

(typhons). La retenue s est alluvionnee des les deux premieres annees jusqu au

niveau du radier des evacuateurs situes a mi-hauteur du barrage (voOte de 85 m de

hauteur). Toutes les crues sont evacuees depuis lors avec leur transport solide par

4 passes de 9 x 6,6 m2 protegees par un blindage en acier inoxydable en radier et

sur le tiers inferieur des piedroits. Les vannes de contr6le sont des vannes wagons

placees sur la face aval de la voGte, avec des chemins de roulements tres decales vers

I exterieur de la passe pour eviter l impact des sediments. Les jets sortant des

4

passes

sont requs par un cuvelage en beton arme de 80 m de longueur, ancre dans le rocher

par des cribles d acier passifs. Un reseau de drainage existe a l interface beton/

rocher avec exutoire pres du bord aval. L epaisseur du radier qui est de 3,5 m en

moyenne atteint 5 m dans la zone d ttendue limitee situee directement sous l impact

des jets.

Le barrage de Ku Kuan a etC mis en service en 1962. Le blindage des passes

a bien rtsiste a l abrasion. Le radier de la zone d impact a fait par contre I objet de

reparations periodiques. La plus recente reparation (1982) venait apres 8 annkes

d exploitation pendant lesquelles un volume total de 550 lo6 m3 d eau a ete

deverse, la majeure partie avec la retenue proche du niveau maximal (H 80 m).

On estime que 550 000 tonnes au moins de materiaux roules (1 kg/m3 d eau) sont

tombes sur le radier pendant la mtme periode. La presque totaliti. de l erosion

observee etait concentree dans la zone d impact ou s etait formee une fosse de 700 m3

ayant une profondeur maximale de 4,3 m. I1 n y avait aucune indication d une

contribution significative d autres facteurs de destruction, tels que sous-pressions et

cavitation. I aval de I impact, des usures par abrasion se sont developpees en radier

et lateralement mais elles sont encore superficielles et sans commune mesure avec

celles observees sous I impact.

Une couche de beton bitumineux flexible placee sur le fond du cuvelage au

debut de l exploitation a ete rapidement arrachee et n a pas ete renouvelee, le

probleme de son adherence au beton sous-jacent s etant revele insurmontable.

D une faqon generale, la realisation d un revCtement susceptible de resister

longtemps a l erosion et a la cavitation a rarement ete couronnee de succes et

nkcessite encore un minimum d entretien.

5 3 3 brasion par sedimen ts en suspension

Ce type d abrasion se produit seul ou se superpose a l abrasion par materiaux

roules. I est generalement le fait de sables fins

a

tres fins ou meme de silts qui

contiennent une forte proportion de grains de quartz anguleux.



keep passages free from singularities (bends, piers, converging or diverging

transitions);

provide critical areas with special surface finishes.

Linings and coatings are the same as for cavitation protection (see section 5.2.2 .

Experience has shown that such protection reduces the frequency and extent of

periodical repairs but it is never a permanent solution.

An example is the spillway at Ku Kuan dam (Fig. 2) built in 1959-1962 on the

Ta Xia Chi mountain river in Taiwan, which carries enormous quantities of quartzite

sand and pebbles with each flood caused by the typhoons. In the first two years the

reservoir silted up to the lips of the spillways at midheight up the dam (which is an

arch dam 85 m high). Since then, all river floods with their full solid load have been

discharged through the four 9

x

6.6 m 2sluices which have stainless-steel linings on

the floors and the lower third of the side walls. The control gates are fixed roller

types on the dam downstream face with the roller track set well back from the edges

of the sluices to keep them clear of sediment impact. The jets fall into a basin lined

on the bottom and sides with reinforced concrete 80

m

long tied-back into the rock

by means of steel cable. Drains at the rock/concrete interface discharge near the

downstream edge. Average concrete thickness on the basin floor is 3.5 m, increased

to

5

m over the small area where the jets fall.

Ku Kuan dam was commissioned in 1962 and the sluice steel linings have stood

up well to wear. The stilling basin floor has required periodic repairs in the impact

area, the latest (1982) after a period of eight years operat ion when a total of 550 hm3

of water had been spilled, mostly with the reservoir at its top level (80 m head). It

is estimated that at least 550 000 tonnes of bed load 1 kg per cubic metre of water)

fell ont o the concrete in this time. Almost all the erosion was confined to the impact

zone where a pit up to

4.3

m deep and 700 m3 in size was formed. There was no

evidence of any significant contribution from other factors such as uplift or

cavitation. Downstream of the impact zone, there was abrasion wear on the floor

and sides but it is only superficial and very minor compared to the situation in the

impact zone.

A layer of flexible bituminous concrete laid on the bottom of the basin at the

outset was quickly torn away and was never renewed because the problem of

providing a bond with the underlying concrete was found to be insurmontable.

As a general comment the construction of an abrasion and cavitation resistant

lining done to date on a worldwide basis has rarely been successful and still requires

a minimum maintenance.

5 3 3 brasion from suspended load

Abrasion caused by suspended load can occur alone or in combination with

damage from bed load. The problem is usually associated with fine to very-fine sand

or even silt containing a high proportion of angular quartz grains.



l r exemple Le Fleuve Jaune Sanmen xia

Aire d u bassin versant 684 000 km2.

Ap por t l iqu ide moyen annuel (module) 42,3 km3.

Transpor t so l ide en suspens ion

1 6

G t / a n .

Transpor t so l ide en susp ens ion d e ju i lle t

a

octobre 1 ,38 Gt .

~ e n e d r o y en n e a n nu e ll e 38 k g /m 3 .

Teneu r moyenne de juillet

a

oc tob re : 57 kg/m3.

100 0 ,30 m m ;

D

50 0 ,03 m m ;

D 15

0,005 mm.

90 (

y

comp r is la f rac t ion

D <

0,01 mm) son t des gra ins de quar tz ang uleux .

2 e

exemple Atbara (affluent du Nil) Khashm el Girba

App or t l iqu ide moye n annuel 12 km3.

Trans po r t s o l ide en su s pens ion 90 Gt / a n .

Teneur moyen ne annuel le 7 ,5 kg/m3.

don t sab le 52 , silts 28

,

argile 20 .

Granu lom i t r i e du s ab le D 50 0 2 mm ; D 90 0 ,35 mm.

Le r isque le p lus f reque nt d abras ion par t ranspor t so l ide en suspens ion se

renc ontre dan s les mCmes ouvrages que pour le transp ort charrik les vidanges ou

evacuateurs de fo nd ou demi- fond. Da ns ces ouvrages les v i tesses sont en general

e levees e t les teneurs en sed ime nts beauco up p lus for tes que la moyen ne sur tou te

l a hau teu r de l a r e tenue (p lu s du dou b le au ba r r age d e Sanmenx ia s u r l e F leuve

Jaune) , ce qui complique s ingul ierement le probleme de la tenue des paro is .

Selon I experience chinoise

a

Sanm enxia , I usure d un rad ier de nature donn ee

expr imee pa r I epais seur moyen ne e d e la couche empor tee s expr ime par u ne

re la t ion du type

R

avec

V

vi tesse moyenne du courant ;

t teneur en sed iments ;

T du ree d u t i l isa t ion p ou r

V

e t t donnees ;

R H r ayon hyd rau l ique du condu i t ;

k

coe ff i ci en t dependan t du Dso et de la forme des sed iments .

Un parametre impor tan t dont ne t ien t pas compte la re la t ion c i -dessus e tab l ie

pour un condui t rec t i l igne es t la courb ure des f i le ts l iqu ides I usure es t beau coup

plus rapid e da ns les concavitks . S i l y a decollement puis im pact, elle es t considera ble

a I endro i t de l impact . Le phen om ene es t f requem ment aggravk par la cavi ta t ion

apres qu e la sur face moui l lee so i t dev enue i r reguliere .

La previs ion quant i ta t ive d e I usure par a bras ion reste encore t res imparfa i te .

Des observations faites a Sanmenxia , on re t iendra essent ie l lement les poin ts su i -

vants

Pour les vitesses inferieures a 10 m /s et malgre les teneu rs elevees me n-

tionnees ci-ava nt, I usure des paro is d e beton ord inaire et celle des blindages est

insignifiante.

L usure reste negligeable jusqu a 12 m/ s avec des parois en beton de

quar tz i te surdose , a lors qu e l le com mence a se manifes ter avec des b l indages en

acier .



Exam ple ellow River, Sanm enxia reservoir

Drainage a rea 684 000 km2

M e a n a nnu a l i n f low 42.3 km3

Suspe nde d l oa d 1 .6 G t /ye a r

Suspe nde d l oa d i n Ju ly t o O c tobe r 1 .38 G t

M e a n annua l so l i d l oa d 38 kg /m3

M e a n so l i d l oa d , Ju ly t o O c tobe r 57 kg /m3

100 = 0 .30 m m; 50 = 0.03 m m ; 15 = 0.005 mm.

90 inc luding min us 0 .01 mm f rac t ion i s angu la r quar tz gra ins .

Example

2

tbara a Nile tributary) , Khashm el Girba

M e a n a nnua l i n f low 12 km3

Sol id load

:

90 G t /ye a r

M e a n a nnua l so l i d l oa d 7 .5 kg /mi

s a n d 5 2 , silt 28 , clay 20

s a n d so = 0.2 mm, D9 = 0.35 mm.

The most f requent r i sk of abras ion f rom suspended load occurs in the same

st ruc tures as for bed- lo ad dama ge bot tom out le t an d high-head spi llways where

f low veloci ties a re usua l ly high an d wh ere the sol id loa d con tent i s mu ch higher tha n

the average over the whole depth of the rese rvoi r mo re than d ouble the average a t

Sanm enxia dam on the Yel low River ), which grea t ly compl ica tes the problem of

surface wear .

Chin ese exper ience a t Sanmenx ia has shown tha t wear on the f loor , expressed

as the mean thickness e r emoved, i s g iven by an express ion of the type

k V 3 t T

e = -

R H

in which

V

i s the m ean f low ve loc i ty , t i s the sedim ent content , T i s the p er iod of

op erat i on for a given V an d t, RH is the hydrau lic radius, and k is coeff icient

d e p e n d i n g o n

so

a nd se d ime n t sha pe .

An im por tan t parameter tha t i s ignored in the above re la t ionship which re fe rs

to a s t r a ight s lu ice , i s curva ture of the s t r eaml ines . Wear i s much more rapid on

concave sur faces . I f the f low separa tes f rom the sur face and then com es in contac t

with i t again, there wil l be considerable wear at the point of impact . This is of ten

aggrava ted by cavi ta t ion once the wet ted sur face has been roughened in th i s way.

The formula t ion for abras ion wear i s s t i l l f a r f rom per fec t . Observa t ions a t

Sanm enxia show tha t i ) wear of ordinary concre te sur faces an d s tee l lin ings is

ins igni f icant a t ve loc i ties of less than 10 m/s , despi te the high sedim ent contents

ment ioned above , i i) wear is s t il l neglig ible up to 12 m/ s for concre te surfaces

conta ining a high percentage of qu ar tz i te , but begins to ap pea r on s teel l in ings , and

ii i) there are mater ials offer ing reasonable durabil i ty for velocit ies of less than

25 m/s see section 5.3.4) . At higher velocit ies there is at present n o way of providing

ef fec t ive protec t ion wi th s ignif icant amo unts of abras ive sediment beyond

a

few

kg/m3) in the f low.



On dispose de revetements offrant une durabilite raisonnable pour les

vitesses inferieures 25 m/s (voir enumeration sous 5.3.4). Pour des vitesses

superieures et des teneurs significatives (a partir de quelques kg/m3) en sediments

abrasifs et dans l'etat actuel de la technique, on ne sait pas realiser une protection

efficace.

Pour minimiser I'entretien des ouvrages destines transiter des materiaux en

suspension, il convient de

1

minimiser la longueur de ces ouvrages;

2) leur donner une section telle que la vitesse n'excede pas Om/s sur la majeure

partie de leur trace;

3) reserver les vitesses elevees pour les derniers metres la sortie qui seront

pourvus d'un revetement remplaqable ou reparable;

4) ne pas exceder 25 m/s pour ces vitesses elevees;

5) restituer au lit nature1

a

I'aval immediat de la sortie;

6

realiser des ouvrages qui soient facilement et rapidement visitables.

Ces dispositions s'apparentent a celles conseillees a propos de la cavitation. La

deuxieme implique le choix d'un conduit en charge; la quatrihme revient a proscrire

I'utilisation de la vidange ou d e I'Cvacuateur sous des charges superieures a 30 m.

5 3 4 evgtements protecteurs

Ce sont les m mes que ceux enumeres pour la cavitation.

La tcile d acier

reste

le materiau le plus utilist. Sur la foi des resultats obtenus en Chine Sanmenxia,

on pourrait lui preferer le beton de quartzite, mais la meilleure performance de ce

beton n'est pas corroboree par d'autres precedents.

Le radier des passes de fond de Khashm el Girba (Fig. 16) Ctait protCg6 par

un blindage de 12 mm d'epaisseur. Ce blindage a ete perfore par I'abrasion apres

12 annees de service. On a calcule que chaque metre de Iargeur du radier avait

supporte le passage de 8 5 Mt de sable abrasif, la vitesse maximale dans les passes

etant de 21,5 m/s.

La t81e d'acier inox du blindage des pertuis de l'evacuateur de crue de Ku Kuan

a particuIi6rement bien resiste a p r b plus de vingt ans d'exploitation et le passage

de plus de 1,5 km3 d'eau chargee.

La principale difficulte du blindage est celle de l'ancrage des tbles de rechange

dans le beton sous-jacent. On n'a pas encore trouve de solution satisfaisante qui

permette une reparation rapide et fiable, mais une telle solution devrait Ctre degagee

dans un proche avenir.

Les bgtons surdoses

(600 kg/m3) avec addition de

rorindon

et les revetements en

paves de granit

ont ete utilises avec plus ou moins de bonheur pour les surfaces

critiques d'ouvrages de basse chute (Compagnie Nationale du Rh6ne) [ I.

Sanmenxia, les convergents de sortie des pertuis de fond dans lesquels la vitesse peut

atteindre 25 m/s, ont leurs radiers proteges par des dalles vitrifiees (dites dalles de

diabase artificielle) de 2 cm d'tpaisseur postes au mortier. Ces pertuis fonctionnent

en permanence pendant 4 mois par an avec des teneurs qui oscillent entre 63 et

183 kg/m3 (pointes exceptionnelles de

76

kg/m3). Au bout de 5 ans, I'usure

superficielle n'aurait pas excede mm.



In order to keep maintenance to a minimum, structures carrying suspended

loads must

1 be short;

2 be large enough for most of their .length to keep flow velocity to around

10 m/s;

3 produce high velocities only over the last few metres before the outlet where

replaceable or repairable linings can be provided;

4) not allow these high velocities to exceed 25 m/s;

5) discharge back into the river channel immediately behind the outlet, and

6) be easily and quickly accessible for inspection.

These recommendations are similar to those for cavitation control. The second

one makes a pressure conduit inevitable; the fourth means that bottom outlets or

spillways must not be operated at heads of more than 30 m.

5 3 4

urface protection

Surface protection against abrasion is the same as for cavitation.

Steel linings

are still the most widely used. From evidence at Sanmenxia in China, a concrete with

quartzite aggregate might be preferable, but there are no other cases to corroborate

the evidence that it performs better.

The bottom surfaces of the bottom outlet at Khashm el Girba (Fig. 16) were

protected with 12 mm of steel which abrasion wore right through after 12 years

operation. It was calculated that 8.5 Mt of abrasive sand had passed over each metre

of width, the maximum velocity being 21.5 m/s.

The stainless-steel lining to the spillway sluices at Ku Kuan dam have resisted

extremely well after discharging more than 1.5 km3 of heavily laden water over a

period of more than twenty years.

The main difficulty with steel linings is the fixing of replacement plates into the

concrete. There is still no satisfactory solution for quick, reliable repairs, but it will

come eventually.

igh cement contents

(600 kg per cubic metre of concrete) with the addition of

corundum and grani te set ts have been used with varying amounts of success for

critical surfaces at low-head schemes (Compagnie Nationale .du Rhbne)

[92].

At

Sanmenxia, the convergent outlets from the bottom sluices where velocities can

reach 25 m/s had their floors protected with vitrified paving (known as artificial

diabase slabs) 2 cm thick and bedded on mortar. These sluices have been operating

continuously for 4 mouths per year with solid loads ranging from 63 to 183 kg/m3

(with exceptional peaks of 476 kg/m3). There has not been more than mm surface

wear after 5 years.



Comme pour la cavitation, les revetements pelliculaires en

resine epoxydique

pure

et les

mortiers de resine epoxydique

sont utilises occasionnellement et tres

localement pour la reparation de betons erodes. Les ecarts thermiques abregent

considerablement la duree de ce type de revetement. Recemment, de nouveaux

revetements epoxidiques ont ete dkveloppes qui ne sont pas sensibles aux variations

de temperature, presentant un coefficient de dilatation thermique proche de celui

du beton. On a essaye aussi (barrages de Villeneuve et du PCage-du-Roussillon sur

le RhBne, barrage de Vinqa dans les Pyrenees) des mortiers de

brai epoxy corindon

en couche de 20 mm d epaisseur, qui resistent mieux I abrasion que les mortiers

de resine epoxydique cause de leur souplesse plus grande.

L innovation la plus marquante de ces dernieres annees est celle du rempla-

cement, en 1977-1978, du blindage de Khashm el Girba cite plus haut, par un

revetement flexible base de

resine de polyurethane.

Dans le test comparatif mis au

point par la Compagnie Nationale du RhBne, ce produit se distingue par ses

performances remarquables. Le test consiste soumettre une plaque du materiau

essaye l impact, sous un angle de 450, d un jet d eau charge en silice sous une

pression de 0,25 MPa. L echantillon est immerge dans un bac rempli d eau; la duree

de l essai normalise est de 75 mn au bout desquelles on mesure le volume du cratere

d erosion la surface de cet echantillon. En affectant ce volume du coefficient

quand il s agit du verre de reference utilise par la CNR, les volumes mesures avec

d autres materiaux donnent en valeur relative

:

....................................

eton courant , dose 350 kg de ciment/m3

3,SO 4,OO

........................

eton dose 600 kg/m3 avec addition de corindon 0,90 1,00

Mortier de resine epoxydique

............................................................

0,80 0,90

.

Restne epoxy pure

................................................................................

0,22 0,24

Bon granit

........................................................................................

0,55 0,75

Mortier de brai-epoxy-corindon

..........................................................

0,50 0,60

Resine de polyurethane lisse

..............................................................

0,14 0,18

Acier

........................................................................................................

0,04 0,OS

Fonte

......................................................................................................

0,02 0,03

........................................................esine epoxy-urethane-hematite 0,06 0,08

La mise en aeuvre Khashm El Girba a comporte les operations suivantes :

apres arrachement des blindages, sablage du beton et application d une

couche de dressage en mortier de resine epoxydique;

etendage d une couche de mortier de resine de polyurethane de 14 mm

d epaisseur

etendage d une couche d usure de resine de polyurethane pure de 8 mm

d kpaisseur.

L experience a montre que ce revCtement resistait bien l usure; malheureuse-

ment, les chocs des corps flottants immerges (baobabs, bois divers) I arrachent

localement et un entretien suivi s est revele necessaire.

5 4

DEG AG EMENT D AZOTE

A

LA RESTITUTION

D E S E V C U T E U R S ET VIDANGES

Dans les annees 1968-1970 fut decouvert I effet de la supersaturation en azote

des rivieres I aval des evacuateurs de crue, avec des consequences desastreuses sur



As for cavitation, thin-film finishes with neat ep oxy resins and epoxy mortar are

used occasionally for patching eroded concrete. Temperature fluctuations shorten

the lifespan significantly. Recently, new epoxy linings have been developed which

are not sensitive to temperature fluctuations with an expansion coefficient close to

that of concrete) and quite promising.

Pitch epoxy corundum

mortars have been tried

at the Villeneuve and Ptage-du-Roussillon dams on the RhBne, and at the Vinqa dam

in the Pyrenees, in layers 20 mm thick; they are more resistant to abrasion than

epoxy-resin mortars because of their greater flexibility.

The most striking innovation in recent years was the substitution of a flexible

polyurethane resin

for the steel lining at Khashm el Girba dam already mentioned.

In a test developed by the Compagnie Nationale du RhBne, the performance of the

polyurethane resin was remarkably better than other materials. The test consisted

of shooting a jet of water and solid silica onto the sheet of material tested at an angle

of 45 degrees and a pressure of 0.25 MPa. The sample is in a pan filled with water.

The standard test lasts for 75 minutes, after which the volume of the pit eroded from

the surface is measured. Measured volumes from the test were as follows, using a

glass plate as reference, with a coefficient of

Normal concrete, 350 kg cement per cu.m concrete

Concrete with 600 kg cement per cu.m concrete corundum

Epoxy-resin mortar

Neat epoxy

Good granite

Pitch-epoxy-corundum mortar

Neat, smooth polyurethane resin

Steel

Cast iron

Epoxy-urethane-haematite

The work at

Khashm el Girba after removing the steel liner consists of

sandblasting the concrete and priming the surface with an epoxy mortar, spreading

a

4

mm layer of polyure thane resin mortar and finishing with an mm wear coat

of neat polyurethane resin.

The surface has stood up well to wear but unfortunately submerged baobab and

other timber has knocked off patches and repeated maintenance has been found

necessary.

5 4 NITROGEN RELE SE IN SPILLW Y ND OUTLET T ILW TERS

Between 1968 and 1970 the effect of high nitrogen sa turation in waters below

spillways was recognized. This has disastrous effects on fish life downstream and



la vie des poissons et des saumons en particulier [l38]. On a estime en 1970 que pres

de 90 des saumons migrant vers I'aval dans la riviere Snake (USA) ont ete tues

par la sursaturation en azote de l'eau restituee a I'aval des deversoirs.

La saturation en azote ou en realite I'exces d'azote et d'oxygene dissous est dans

la riviere un nouveau barometre de la qualite de I'eau qui doit tre pris en

consideration dans I'amenagement des ressources hydrauliques quand les pecheries

existent. L'experience montre que la supersaturation est une fonction directe du

debit deverse et atteint une valeur asymptotique quand le debit croit.

Pour lutter contre ce phenomene, il faut limiter les deversements en accroissant

la capacite stockee sur la riviere, sous reserve de ne pas noyer les frayeres en amont,

mais cela ne peut suffire a eliminer le probleme.

La restitution des eaux a travers les turbines n'accroit pas la concentration en

gaz dissous, mais la demande d'energie est souvent rkduite a I'epoque des crues.

C'est pourquoi le US Corps of Engineers a etudie la possibilite d'un turbinage

inefficace, produisant peu d'energie sans reduire sensiblement le debit evacue, en

disposant une vanne batardeau a orifices multiples, placee dans les rainures

batardeau, l'amont du pertuis d'entonnement de la turbine et en agissant aussi sur

I'angle des pales de la turbine (Kaplan) de faqon a obtenir un tres mauvais

rendement. Reste a demontrer par des essais long terme que la roue de la turbine

n'en souffre pas.

Un autre moyen consiste a placer un deflecteur sur la doucine de I'evacuateur

de crue de faqon a diriger un debit modere (jusqu'a 4 3 m3/s pour des passes de 15 m

de large au barrage de Lower Granite USA) vers la surface et non vers le fond du

bassin.

Enfin, le dernier moyen de lutte contre ce phenomene consiste a by-passer les

zones de la riviere forte concentration d'azote en transportant par la route les

jeunes poissons dans des camions speciaux lors de la migration vers la mer; la

encore, il reste

a

demontrer que cela n'altere pas I'instinct du poisson adulte lorsqu'il

retourne a sa frayere.



particularly affects salmon [138] In 1970, it was reckoned that nearly 90 of

seawardbound salmon in the Snake River in the United States died of the effects

of the supersaturation in nitrogen of waters discharged from spillways.

This so-called nitrogen oversaturation (which is really an overabundance of

dissolved nitrogen and oxygen) is a new determining factor in the studies of water

quality for hydraul ic projects on rivers where fish play an important role. Experience

has shown that supersaturation is directly related to the rate of discharge, becoming

asymptotic at some level as the intensity of spill is increased.

To help overcome the problem, it is necessary to restrict discharge and increase

the storage capacity upstream, taking care not to flood the spawning grounds

upstream. This is not in itself a solution however.

Turbined waters do not have a higher content in dissolved gases, but this is not

a standard solution since power demand is often reduced during the flood period.

For this reason, the US Corps of Engineers has studied the possibility of inefficient

power generation, producing little power for only a slight reduction in discharge

this involves placing a multi-orifice bulkhead in the stoplog housing upstream of the

power intake and ajusting the runner blades (Kaplan type) to obtain minimum

efficiency. It remains to be proven by long-term testing that the runner does not

suffer from such treatment.

Another method is to place a deflector at some point at the base of the spillway

chute in order to direct a moderate flow (up to 425 m3/s for widths of 15 m at the

Lower Granite dam, United States) to the tailwater surface rather than the bottom.

Lastly, the ultimate solution to the problem is to portage migrating fish around

areas where river water has a high nitrogen content. But here too, it remains to be

proven that the use of specially-equipped trucks will not disturb migratory instincts

and prevent adult fish returning to their spawning grounds.



6 .

ENTRETIEN ET

REPARATION

DES OUVRAGES

D EVACUATION

6.1. ENTRETIEN

En ce qui concerne le genie c ivi l , les evacuateurs ne posent pas de probleme

d'ent re t ien par t icul ie r par rapp or t au bar rage e t ses aut res ouvrages annexes . Le f ini

de sur face exige des par t ies suscept ibles d ' i t r e e rodees par cavi ta t ion necess i te

toutefois plus d ' a t tent ion que les aut res parements de be ton. Un eca i l lage , une

epauf rure causes par les agents a tmospher iques ou l ' impact acc idente l d 'un sol ide

(outi l , echafaudage, pierres) doivent Ctre repares avant que l 'evacuateur soit remis

en service. Les part ies trai tees anter ieurement par meulage exigent une surveil lance

speciale

a cause de leur f ragi l i te plus grande . Les dep6ts ou concre t ions durs

(carbonates) doivent Ctre el imines.

L 'ent re t ien des van nes es t evidemment pr imo rdia l . La mei l leure solut ion es t de

pr oc e de r

a

leurs manaeuvres per iodiques

a

ple ine ou moyenne charge . Toutefois ,

dan s de nom breux cas , les vannes re tiennent l ' eau en perman ence e t leur ouver ture

tempora i re pour une manaeuvre d ' ent re t ien comple te s igni f ie ra i t une per te inad-

missible d'apports regular ises et produirait une crue ar t if iciel le inopportune. Un

systeme de ba ta rdage qui permet te I ' entre tien per iodiqu e de la vann e e t de ses pieces

f ixes es t a lors indispen sable .

Pour redui re I ' entre tien ant i -cor ros ion, la tendan ce es t de remplacer les c ible s

de manaeuvre, tout par t iculierem ent les cgbles noyes, par des pieces massives tel les

que br imbales ou cha ines ga l le .De mi me , I 'u t il i sa t ion d e I' ac ier inox ydable po ur

les pieces f ixes (chemins de roulem ent , p laques d ' app ui des e tanchei tes) submergees

de faqon con t inue devient -e lle genera le .

Les essa is des vannes des evacuateurs , au moins a ouver ture par t ie l le en

fonct ion des c rues acceptables a l 'aval, doivent tre effectues ch aq ue fois qu e cela

est possible. Les inspections et contr6les de securite (vannes et leur mecanisme,

coursiers ou galer ies, cuil leres, fosses d'amortissement ou bassins de dissipation,

e ros ions a l 'aval) do ivent Ctre effectues perio diqu eme nt (voir bullet ins

CIG

n o s

29

et 49).

Les degi ts les plus f reque nts qui necess i tent des rep ara t ions urgentes e t souven t

considerables sont ceux causes par la cavitat ion, I 'abrasion et la dissipation

d'energie. Les part ies d'ouvrages les plus exposees a c e s phe nom e ne s , s e pa r e m e nt

ou en assoc ia t ion, a ins i que le mecanisme des degrada t ions e t les moyens d ' en

a t tenuer les e f fe ts, ont fa i t l' obje t de plus ieurs dev e loppem ents da ns les chapi t res

precedents. Si gran des q ue soien t les precaution s mises en aeuvre, la probabil i te q ue

des dom mag es se pro duis ent n'est jamais nulle, sur to ut si l 'on prevoit des uti l isations



6

MAINTENANCE AND REPAIR

6 1 MAINTENANCE

The maintenance of the spillway civil works raises no particular problems as

compared with the rest of the dam and appurtenant structures. The surface finish

required on parts liable to be eroded by cavitation do however merit more attention

than other concrete surfaces. Flaking or spalling from weather or accidental knocks

from tools, scaffolding, stones, etc. must be repaired before the spillway is reopened.

A

special watch must be made of surfaces finished by grinding because they are more

fragile. Deposits and hard concretions carbonates) must be removed.

Gate maintenance is obviously of the greatest importance . The best solution is

to operate gates for maintenance purposes under full or average head, but in many

cases gates permanently hold back water, and opening them for a complete

maintenance operation would involve unacceptable losses of regulated inflow and

cause an unwanted artificial flood downstream. Some arrangement of stoplogs or

guard gate permitting periodic maintenance of the gate and built-in parts is therefore

essential.

In attempting to reduce maintenance for corrosion, the trend is for eliminating

cable winches, especially where the cables are permanently under water, the prefe-

rence being for

solid members like link rods or sprocket chains. Stainless steel for

roller paths and seal mating surfaces in continuous contact with water is still the

general rule.

Gated spillway trials at least at partial opening, depending upon the acceptable

flow downstream, have to be done whenever feasible. Regular safety inspection

gates and operating mechanisms, chute or tunnel, bucket, plunge pool or stilling

basin, downstream scour) have to be made regularly see ICOLD Bulletin 9 and 49).

6 2

REPAIRS

The most frequent type of damage calling for urgent and often extensive repairs

is that caused by cavitation, abrasion and energy dissipation. The parts most exposed

to one or more of these factors have been discussed in earlier chapters, together with

how the damage is caused and means of attenuating its effects. But whatever

precautions are taken, the probability of damage occurring is never zero, especially

if large flows are discharged frequently. The only hope is that damage from an

isolated flood event will not reach disastrous proportions and there will be time and



frequentes a debit eleve. On conserve seulement I'espoir que les dommages causes

par un evenement de crue donne n'atteindront pas une proportion catastrophique

et qu'on aura le temps et les moyens necessaires pour les reparer avant que survienne

l'evenement suivant. Cette attitude implique que des dispositions soient prises au

stade du projet pour faciliter les reparations.

En ce qui concerne les erosions de cavitation sur les coursiers et cuilleres, une

sage precaution dans les situations a risque eleve consiste a repartir la capacite

d'evacuation entre plusieurs ouvrages independants et

a

laisser a la disposition de

I'exploitant des moyens d'intervention rapide. En regle generale les coursiers et

cuilleres sont accessibles directement en dehors des periodes d'utilisation, en raison

de leur calage au-dessus du niveau aval, ce qui facilite grandement leur inspection

et leur reparation.

L'abrasion pose des problemes similaires dont la solution est egalement rendue

plus aisee si les parties d'ouvrages concernees sont commodement visitables.

Les situations les plus critiques sont celles causees par les dCg2ts consecutifs

aux phtnomenes associes

a

la dissipation d'energie sous-pressions dynamiques,

abrasion et cavitation. Les bassins a ressaut sont particulierement preoccupants a

l'egard des possibilites d'inspection et de reparation en raison de leur position

en-dessous du niveau aval dans la riviere. Sauf en cas d'etiage absolu, ils ne peuvent

tre visites et repares qu'a I'abri d'un ouvrage d'isolement. Les dimensions trans-

versales et les profondeurs d'eau font que cet ouvrage atteint souvent des dimensions

considerables et qu'il faut beaucoup de temps pour le mettre en place. a encore,

le projeteur sera bien avise de repartir la capacite d'evacuation entre plusieurs

bassins independants et, dans toute la mesure du possible, d'installer sur le seuil de

sortie ou a courte distance a l'aval, des piles et un pont pour la mise en place rapide

d'un batardeau de fermeture constitue d'klements preapprovisionnes.

Dans certaines installations prudentes, la dissipation de I'energie se fait en deux

etapes (barrage de Mangla, Pakistan) I'aide de deux bassins successifs dont le

premier est situe juste au-dessus du niveau aval. Ce premier bassin est plus expose

a cause de la hauteur de chute plus grande qui lui est affectee, mais il est plus

facilement reparable.

La difficulte d'inspection et de reparation des bassins a ressaut est parfois un

facteur de choix determinant en faveur de la fosse d'amortissement. Dans le meilleur

des cas, celle-ci peut se developper librement et atteindre son profil nature1

d'equilibre sans necessiter aucune intervention. Si des protections ont ete prevues,

ce sont en general des protections laterales dont la fondation a ete descendue plus

bas que le niveau d'affouillement previsible, de sorte que la necessite de vider la

fosse ne devrait jamais apparaitre. Cependant, si un tapis de reception a ete

incorpore au projet afin de limiter la profondeur d'erosion, la vulnerabilite de cet

ouvrage, beaucoup plus grande que celle des murs lateraux, implique que des

mesures soient prises pour faciliter son inspection et sa reparation, sauf s'il est

apparent ou faiblement submerge en dehors des periodes d'utilisation. Comparti-

mentage longitudinal, construction d'un contre-barrage ou de piles pour batardeau,

comptent parmi ces mesures.

Les travaux d'entretien de la fosse d'amortissement de 6 m de profondeur du

barrage de Kariba valent la peine d'Ctre mentionnes. Cette fosse est inspectee

periodiquement depuis 1962 par des plongeurs et des protections de colcrete sont



resources for repairing it before the next f lood. This attitude implies that suitable

provisions for repair are incorporated at the design stage.

Regarding cavitation erosion on chutes and buckets, a wise precaution in

situations of high risk is to split the total discharge capacity up among different

outlets and provide the dam operator with proper plant for rapid repairs. As a

general rule, chutes and buckets are directly accessible when not in use because they

are well above tailwater level, which greatly facilitates inspection and repair.

Abrasion raises similar problems, the solution to which is also easier if the

relevant areas are easily accessible.

The most critical situations are caused by damage from energy dissipation

dynamic uplift pressures, abrasion and cavitation. Hydraulic jump stilling basins are

particularly worrying because their position below tailwater level makes inspection

and repair difficult. Unless the river is completely dry they can only be inspected

and repaired after being isolated and dewatered. Their widths and depths mean that

the cofferdam or stoplogs are often very large and slow to install. Here again, the

designer would be well advised to split the discharge up between several indepen-

dent basins and, as fa r as possible, provide piers an d a gantry on or just downstream

of the outlet sill where the stoplogs, ready on site, can be easily inserted.

Extra safety is sometimes incorporated by dissipating the energy in two stages

eg, Mangla dam, Pakistan) with two stilling basins, the first being set just above

tailwater level. It is more likely to be damaged by the higher head, but it is also more

easily accessible for repair.

The difficulty of inspecting and repairing hydraulic-jump stilling basins is

sometimes a determining factor in favor of a scour hole. In the best cases the hole

will develop freely and reach a natural stable profile without much encouragement.

Protection, if any, is generally at the sides, extending down to well below the

predicted scoured depth so that there should never be any need to dewater the hole.

But, if there is an apron to limit the depth of erosion, its much greater vulnerability

implies that steps must be taken to facilitate inspection and repair except if it is dry

or just awash when the spillway is not operating. Such measures include longitudinal

compartmentalization, a tailwater dam, or stoplog piers.

The repair works at Kariba are worth mentioning. Underwater inspection by

technically qualified divers has been carried out in the 60 m deep scour hole since

1962, where successful concrete repairs to the upstream sides have been completed



mises en place du cBtC amont selon un programme preetabli. Le nettoyage de la

fondat ion, l installation des coffrages et la pose des enrochements se font aussi avec

l aide de plongeurs. Les forages et les injections sont executes

a

partir de plateformes

flottantes. La mise en service recente de la seconde centrale hydroelectrique sur

la

rive gauche du Zambeze, en reduisant le debit dkverse qui etait en moyenne de

5 km3 par an jusqu en 1981, a reduit considkrablement les problemes d entretien

de la fosse pratiquement stabilisee depuis.



on a regular organized basis, using divers to clean, shutter and place rockfill

underwater, combined with drilling and grouting from floating platforms and depth

charging to deter crocodiles. The second powerstation recently completed on the

opposite bank of the Zambezi has substantially reduced spillage which was

5

km

per year on average up to 1981 and the attendant repairs. The plunge pool has

remained practically unchanged since that time.



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ANNEXE 2/APPENDIX 2

LISTE DES PAYS AYANT

R E P O N D U

A L ENQUETE SUR LES

EVAC UATEUR S

DE CRUE

COUNTRIES WHICH HAVE ANSWERED

THE ENQUIRY ON SPILLWAYS

Afrique du Sud

Algerie

Allemagne (Rep. Fed. d )

Australie

Autriche

Belgique

Bresil

Canada

Chine

Espagne

~tats-Unis

France

Indonesie

Japon

Mexique

Suisse

Tchboslovaquie

Thailande

Venezuela

Zimbabwe

Algeria

Australia

Austria

Belgium

Brazil

Canada

China

Czechoslovakia

France

Germany (Fed. Rep. of)

Indonesia

Japan

Mexico

South Africa

Spain

Switzerland

Thailand

USA

Venezuela

Zimbabwe

Imprimerie de Montl igeon

61400 La Chapel le M ontl igeon

Depbt legal fevrier 1987

No 13149

ISSN 0534 8293

Couver tu re TILT



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The General Secretary / Le Secrétai re Général :AndréBergeret - 2004

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