Extreme flood abatement in large dams with fixed-crest spillways

This study characterises the abatement effect of large dams with fixed-crest spillways under extreme design flood conditions. In contrast to previous studies using specific hydrographs for flow into the reservoir and simplifications to obtain analytical solutions, an automated tool was designed for calculations based on a Monte Carlo simulation environment, which integrates models that represent the different physical processes in watersheds with areas of 150?2000 km2. The tool was applied to 21 sites that were uniformly distributed throughout continental Spain, with 105 fixed-crest dam configurations. This tool allowed a set of hydrographs to be obtained as an approximation for the hydrological forcing of a dam and the characterisation of the response of the dam to this forcing. For all cases studied, we obtained a strong linear correlation between the peak flow entering the reservoir and the peak flow discharged by the dam, and a simple general procedure was proposed to characterise the peak-flow attenuation behaviour of the reservoir. Additionally, two dimensionless coefficients were defined to relate the variables governing both the generation of the flood and its abatement in the reservoir. Using these coefficients, a model was defined to allow for the estimation of the flood abatement effect of a reservoir based on the available information. This model should be useful in the hydrological design of spillways and the evaluation of the hydrological safety of dams. Finally, the proposed procedure and model were evaluated and representative applications were presented

Analysis of the discharge capacity of radial-gated spillways using CFD and ANN - Oliana Dam case study.

The paper focuses on the analysis of radial-gated spillways, which is carried out by the solution of a numerical model based on the finite element method (FEM). The Oliana Dam is considered as a case study and the discharge capacity is predicted both by the application of a level-set-based free-surface solver and by the use of traditional empirical formulations. The results of the analysis are then used for training an artificial neural network to allow real-time predictions of the discharge in any situation of energy head and gate opening within the operation range of the reservoir. The comparison of the results obtained with the different methods shows that numerical models such as the FEM can be useful as a predictive tool for the analysis of the hydraulic performance of radial-gated spillways.

Structural design of spillways and outlet works.

At head of title: Engineering and design.

Spillways for reservoirs and canals /

Mode of access: Internet.

The hydraulic design of rectangular spillways /

"In cooperation with the Minnesota Agricultural Experiment Station and the St. Anthony Falls Hydraulic Laboratory."

Ways and Means for Disposal of Surplus Water in Storage Reservoirs and other Irrigation and Flood Protective Works

In the paper new way of classifying spillways have been suggested. The various types, merits and demerits or existing spillway devices have been discussed. The considerations governing the choice of a design of a spillway have been mention. A criteria for working out the economics of spillway design has been suggested. An efficient surplus sing device has next been described and compared with other devices. In conclusion it has been suggested that the most efficient and at the same time economical arrangement will be a combination of devices. In conclusion it has been suggested will be a combination of crest gate, volute siphons and high head gates. The appendix gives a list of devices used in dams in various parts of the world.

Hydraulics of stepped chutes: experimental-numerical-theoretical study

O estudo de escoamentos turbulentos em descarregadores em degraus tem sido um desafio para os investigadores. A macro-rugosidade do leito, a ondulação da superfície livre, a intermitência da localização da secção inicial de entrada de ar e o escoamento bi-fásico a jusante da secção inicial de entrada de ar fazem com que a caracterização do escoamento deslizante sobre turbilhões em descarregadores em degraus não seja simples. Actualmente, é possível combinar técnicas de medição fiáveis com simulações numéricas e análise teórica. Nesta dissertação, o estudo experimental baseia-se em resultados experimentais obtidos em duas instalações experimentais: a instalação A, do Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC), dotada de um descarregador em degraus com declive de 1V:0.75H e a instalação B, do Instituto Superior Técnico (IST), dotada de um descarregador em degraus com declive de 1V:2H. Uma sonda de ar, um tubo de Pitot modificado e vários hidrómetros permitiram o estudo do escoamento deslizante sobre turbilhões mono- e bifásico ao longo do descarregador em degraus da instalação A. Na bacia de dissipação de energia, a observação visual do escoamento foi auxiliada pelas leituras efectuadas em tomadas de pressão localizadas na soleira da bacia e pelas leituras da altura do escoamento efectuadas em réguas graduadas localizadas nas paredes da bacia. Na instalação B foram utilizados um tubo de Pitot e vários hidrómetros para estudar a região não arejada do escoamento deslizante sobre turbilhões no descarregador em degraus. O estudo numérico é baseado em simulações numéricas da região não arejada do escoamento deslizante sobre turbilhões sobre descarregadores em degraus com o código comercial de CFD FLOW-3D® de modo a reproduzir as condições ensaiadas experimentalmente. As simulações beneficiaram da técnica de blocos múltiplos (multi-block) num sistema de coordenadas cartesianas, da determinação da superfície livre pelo método TruVOF e da utilização de dois modelos de turbulência: os modelos k- e RNG k-. Por último, o estudo teórico consistiu em desenvolver um modelo simplificado 1D para determinar as características hidráulicas principais do trecho não arejado do escoamento deslizante sobre turbilhões em descarregadores em degraus. O modelo foi desenvolvido a partir das equações de Navier-Stokes, conjuntamente com resultados experimentais e numéricos. Os resultados apresentados nesta dissertação contribuem para o conhecimento do escoamento deslizante sobre turbilhões em descarregadores em degraus, nomeadamente na região não arejada, na secção inicial de entrada de ar e na região arejada. A hidráulica dos dissipadores de energia a jusante de descarregadores em degraus, em particular das bacias tipo III do USBR, é também objecto de estudo. Em relação à região não arejada do escoamento em descarregadores com declive acentuado, e com base em resultados experimentais e numéricos, são propostas expressões para estimar o desenvolvimento da altura equivalente de água, da espessura da camada limite, da concentração média de ar, do coeficiente de energia cinética, da dissipação de energia, do factor de resistência e do coeficiente n da fórmula de Manning. São ainda propostas expressões adimensionais para a energia cinética turbulenta e sua dissipação. Para declives moderados, são propostas expressões para estimar o desenvolvimento da altura equivalente de água, do coeficiente de energia cinética e da energia específica residual. São ainda apresentados valores do expoente 1/N da expressão adimensional da distribuição de velocidades, quer para descarregadores com declive acentuado quer com declive moderado. Em conformidade com outros estudos centrados em escoamentos de parede e com derivações teóricas, para a região não arejada do escoamento em descarregadores em degraus de acentuado declive, observa-se que o factor de resistência depende da macro-rugosidade criada pelos degraus e da geometria da secção transversal e que o coeficiente n da fórmula de Manning aumenta com a rugosidade. A descrição estatística da turbulência do escoamento é igualmente explorada, contribuindo para o conhecimento da estrutura do escoamento. Observou-se que para números de Reynolds rugoso não superiores a 6.8x104 a energia cinética turbulência e a sua dissipação cumprem leis de semelhança. Estas expressões adimensionais estão de acordo com os resultados obtidos por outros autores para escoamentos completamente desenvolvidos em canais abertos e no escoamento em rios com leito de gravilha. Em acréscimo, a taxa de dissipação de energia, quer para descarregadores de declive acentuado quer de moderado declive, é baixa. Por último, observa-se que os valores da média temporal da concentração de ar entre 0 e 1 medidos na região não arejada do escoamento dizem respeito não só ao ar capturado entre ondas de água, na zona de ondulação da superfície livre, mas também ao ar emulsionado no escoamento, i.e., sob a forma de bolhas de ar, quando perto da secção média inicial de entrada de ar, devido à diferença entre localizações instantânea e média temporal. Foram revistas metodologias e fórmulas para estimar a localização da secção inicial de entrada de ar e apresentadas expressões para estimar a concentração média de ar e a altura equivalente de água nessa secção. Relativamente à região de escoamento arejado em descarregadores em degraus com declive acentuado, os resultados experimentais apresentados nesta dissertação permitiram estimar a influência da definição da superfície livre nos parâmetros hidráulicos da região do escoamento arejado e estimar a máxima elevação do escoamento nesta região do escoamento. Com base nos resultados experimentais obtidos na bacia de dissipação de energia do tipo III do USBR localizada a jusante do descarregador em degraus da instalação A, observou-se que os perfis da altura piezométrica e da altura do escoamento tendem a seguir o perfil recomendado pelo USBR para bacias tipo III. A excepção ocorre à entrada da bacia, onde as alturas piezométricas apresentadas nesta dissertação excedem largamente as apresentadas pelo USBR. É ainda observado que, tal como entre as bacias tipo I e tipo III do USBR, o ressalto hidráulico estabiliza muito mais rapidamente numa bacia tipo III a jusante de um descarregador em degraus do que uma bacia tipo I a jusante do mesmo descarregador em degraus. Finalmente, observa-se que os blocos de amortecimento a colocar no descarregador não têm influência visível nos resultados da altura piezométrica nem da altura do escoamento ao longo da bacia. Relativamente às simulações numéricas do escoamento não arejado, a proximidade entre resultados experimentais e numéricos permite validar o modelo teórico e a integração numérica usados no FLOW-3D®. As simulações desenvolvidas também mostraram que o modelo de turbulência k- permite representar as características do escoamento não arejado em descarregadores em degraus, uma vez que não foram observadas diferenças significativas entre as simulações com este modelo e com o modelo RNG k-. Finalmente, observou-se que o modelo de entrada de ar usado no FLOW-3D® é válido para estimar a localização da secção inicial de entrada de ar. Por último, a proximidade entre os resultados obtidos da aplicação do modelo teórico desenvolvido no âmbito desta dissertação e os resultados experimentais indica que as hipóteses e simplificações consideradas no desenvolvimento do modelo são adequadas.

Estudo hidráulico em modelo reduzido de descarregadores de cheias: utilização de conchas de rolo na dissipação de energia do escoamento

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil na Área de Especialização em Hidráulica

La vulnérabilité face aux risques environnementaux à Kigali (Rwanda) : enjeux et facteurs

L’objectif de ce mémoire est de faire un état des lieux des connaissances produites sur les risques environnementaux et la vulnérabilité et appliquer ces connaissances à la ville de Kigali (Rwanda). Après avoir présenté différentes approches, nous avons retenu le cadre d’analyse qui s’inscrit dans l’approche de J.C. Thouret et R.D’Ercole (1996). Cette approche est articulée autour de trois dimensions : enjeux, facteurs de la vulnérabilité et réponses sociales. A travers l’application des éléments pertinents de ces trois dimensions dans le cas de la ville de Kigali, réalisée grâce à une analyse qualitative, centrée sur l’analyse des documents et des entrevues semi-dirigées, voici les principaux résultats que nous avons obtenus: l’analyse des enjeux a révélé que la ville de Kigali est confrontée à plusieurs dommages, parmi lesquels, on peut mentionner les pertes des vies humaines, la démolition des maisons, la contamination des rivières, la prolifération des maladies et la perturbation des besoins de base ( eau potable, électricité, transport) dues aux risques. Cette situation s’explique par la combinaison de plusieurs facteurs dont le relief collinaire, le sol granitique, les pluies violentes, le caractère centrifuge du réseau hydrographique, le sous-dimensionnement des ouvrages d’évacuation et le réseau d’assainissement insuffisant. D’autres facteurs amplifient la vulnérabilité dont l’explosion démographique consécutive à une urbanisation spontanée et inconsciente en zones inondables, l’ensablement des lits des rivières, le vide juridique, les politiques fragmentaires et le dysfonctionnement des acteurs impliqués dans la gestion des risques. Cette situation aurait probablement été améliorée si les réponses sociales étaient efficaces. Or, d’un côté, la faible perception de risque chez les résidants affectés par les risques accélère davantage la vulnérabilité et de l’autre côté, l’intervention significative des CIB n’est pas accompagnée d’actions complémentaires des institutions publiques et des agences internationales.

Migration of the curimbatá Prochilodus lineatus (Valenciennes, 1836) (Pisces, Prochilodontidae) at the waterfall Cachoeira de Emas of the Mogi-Guaçu river - São Paulo, Brazil

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Abordagem matemática de roll waves em escoamentos hiperconcentrados com superfície livre

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Efeitos dos pulsos de vazão dos reservatórios do baixo rio Paranapanema (SP/PR) sobre os sistemas de jusante - variáveis físicas, químicas e assembléias zooplanctônicas (Cladocera e Copepoda)

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Physical modeling of air injection as a scour remediation technique near gated weir stilling basins

The South Florida Water Management District (SFWMD) manages and operates numerous water control structures that are subject to scour. In an effort to reduce scour downstream of these gated structures, laboratory experiments were performed to investigate the effect of active air-injection downstream of the terminal structure of a gated spillway on the depth of the scour hole. A literature review involving similar research revealed significant variables such as the ratio of headwater-to-tailwater depths, the diffuser angle, sediment uniformity, and the ratio of air-to-water volumetric discharge values. The experimental design was based on the analysis of several of these non-dimensional parameters. Bed scouring at stilling basins downstream of gated spillways has been identified as posing a serious risk to the spillway’s structural stability. Although this type of scour has been studied in the past, it continues to represent a real threat to water control structures and requires additional attention. A hydraulic scour channel comprised of a head tank, flow straightening section, gated spillway, stilling basin, scour section, sediment trap, and tail-tank was used to further this analysis. Experiments were performed in a laboratory channel consisting of a 1:30 scale model of the SFWMD S65E spillway structure. To ascertain the feasibility of air injection for scour reduction a proof-of-concept study was performed. Experiments were conducted without air entrainment and with high, medium, and low air entrainment rates for high and low headwater conditions. For the cases with no air entrainment it was found that there was excessive scour downstream of the structure due to a downward roller formed upon exiting the downstream sill of the stilling basin. When air was introduced vertically just downstream of, and at the same level as, the stilling basin sill, it was found that air entrainment does reduce scour depth by up to 58% depending on the air flow rate, but shifts the deepest scour location to the sides of the channel bed instead of the center. Various hydraulic flow conditions were tested without air injection to verify which scenario caused more scour. That scenario, uncontrolled free, in which water does not contact the gate and the water elevation in the stilling basin is lower than the spillway crest, would be used for the remainder of experiments testing air injection. Various air flow rates, diffuser elevations, air hole diameters, air hole spacings, diffuser angles and widths were tested in over 120 experiments. Optimal parameters include air injection at a rate that results in a water-to-air ratio of 0.28, air holes 1.016mm in diameter the entire width of the stilling basin, and a vertically orientated injection pattern. Detailed flow measurements were collected for one case using air injection and one without. An identical flow scenario was used for each experiment, namely that of a high flow rate and upstream headwater depth and a low tailwater depth. Equilibrium bed scour and velocity measurements were taken using an Acoustic Doppler Velocimeter at nearly 3000 points. Velocity data was used to construct a vector plot in order to identify which flow components contribute to the scour hole. Additionally, turbulence parameters were calculated in an effort to help understand why air-injection reduced bed scour. Turbulence intensities, normalized mean flow, normalized kinetic energy, and anisotropy of turbulence plots were constructed. A clear trend emerged that showed air-injection reduces turbulence near the bed and therefore reduces scour potential.