VUeHeS – Blockage and head increase on spillway inlets at dams under extreme debris load

• Research unit: SFOE
• Project number: SI/501740

Key words (English)

dam safety, driftwood blocking, extreme flood, reservoir head increase, spillway inlet

Short description (German)

Jeder Stausee verfügt über eine Hochwasserentlastungsanlage, um ein unkontrolliertes Überströmen der Talsperre zu vermeiden. Ein Überströmen hat normalerweise dramatische Konsequenzen, namentlich den Bruch des Damms und die damit verbundene Flutwelle, welche Todesfälle und den Verlust von Infrastruktur zur Folge hat. Aus Gründen der Dammsicherheit ist es wichtig, dass die Abflussleistung der Hochwasserentlastungsanlage unter allen Umständen auch während extremen Ereignissen erhalten bleibt. Solche extremen Ereignisse treten aufgrund des Klimawandels in Verbindung mit starken Niederschlägen häufiger auf. Extreme Ereignisse sind durch Hochwasser in Flüssen gekennzeichnet, die auch Treibgut mit sich führen, das aufgrund von Hangrutschungen, Ufererosion oder Zivilisationsteilen (Holz aus Sägereinen, Autos oder Containern) im Wasserlauf mitgerissen wird.

Short description (English)

Every dam-created reservoir has an emergency outflow spillway to avoid overtopping. Overtopping usually has dramatic consequences, namely dam failure with the related inundations causing fatalities and loss of infrastructure. It is essential for dam safety reasons that spillways are operational under all conditions, even during extreme events. Such extreme events become more frequent because of climate change combined with strong precipitations. Extreme events are characterised by floods carrying water and driftwood mostly entrained into the watercourse due to landslides and bank erosion, or civilization debris like cars or containers.

Final report (German)

Hochwasserentlastungsanalagen von Talsperren müssen selbst bei einem extremen Zufluss eine ausreichende Abflusskapazität gewährleisten. Mitgeführtes Schwemmgut kann bei Hochwasser gefährliche Verklausungen auf Überfallbauwerken verursachen und deren Funktionalität und Abflussfähigkeit einschränken. Solche Verklausungen reduzieren u.U. die Abflusskapazität und erzeugen dadurch einen Überstau im Reservoir. Trotzdem dürfen Verklausungen die Wahrscheinlichkeit eines Versagens der Talsperre nicht erhöhen.

Dieser Bericht fasst eine physikalische Modellstudie zusammen, welche die Wirkung von Schwemmgut auf die Überfallhöhe eines Standardüberfalls mit Drucksegmenten (hier vollständig geöffnet) untersucht. Abgesehen vom Fall ohne Massnahmen werden drei konstruktive Ansätze vorgestellt, um den negativen Einfluss von Holz auf die Pegel-Abfluss-Beziehung zu verringern oder zu beseitigen. Folgende Beobachtungen wurden im Rahmen der Modellversuche gemacht:

• Ein extremes und konzentriertes Auftreten von Schwemmgut blockiert einen Standardüberfall mit Pfeilern. Godtland und Tesaker (1994) geben an, dass die Verklausung auftritt, sofern b/LM<0.80 ist, d.h. wenn die Breite des Wehrfeldes b weniger als 80% der längsten ankommenden Baumstämme LM beträgt.
• Das Kriterium von Godtland und Tesaker (1994) wurde hier nicht getestet, aber die Tests bestätigten eine vollständige Verklausung sofern b/LM<0.77 ist.
• Der Überstau im Reservoir infolge einer Verklausung (ohne Gegenmassnahmen) wurde mithilfe eines reduzierten Überfallkoeffizient CD ausgedrückt (verglichen mit einem "freien" Überfall ohne Verklausung).
• Ohne Gegenmassnahmen und bei einer vollständigen Verklausung wurde im Modell ein Mittelwert des Überfallkoeffizienten von CD=0.373 beobachtet. Letzterer war unabhängig vom Abfluss (bis zum Bemessungsabfluss), der relativen Breite der Wehrfelder (solange b/LM≤0.77) und dem Volumen des Schwemmholzes (solange das Volumen "extrem" gross bleibt, Erklärungen dazu im Bericht). Mit Bezug auf die Streuung der gemessenen Werte, welche typisch für Schwemmholz ist, wird für die Praxis ein Koeffizient von CDD=0.352 empfohlen (nach Abzug der Standardabweichung vom Mittelwert).
• Ins Reservoir überhängende Pfeiler verringern den negativen Effekt von Schwemmholz auf die Pegel-Abfluss-Beziehung. Die Wirkung einer vollständigen Verklausung auf CD ist vernachlässigbar, sofern der Pfeilerüberhang p ins Reservoir ungefähr 0.30 bis 0.35H (H ohne Schwemmholz) überschreitet.
• In Abwesenheit der Pfeiler (b/LM ist "gross") wurde keine Auswirkung des Schwemmholzes auf CD beobachtet, sofern der maximale Stammdurchmesser DM weniger als 0.35H betrug (H ohne Schwemmholz). Eine teilweise Verklausung wurde für Stammdurchmesser von 0.35H bis 0.60H beobachtet, und eine vollständige Verklausung für Durchmesser über 0.60H.
• Ein "vollständiger" Grobholzrechen (ein Stab vor jedem Wehrpfeiler, das Godtland und Tesaker (1994) Kriterium wird erfüllt), der im Abstand von 0.5b oberstrom der Wehrfront positioniert ist, beseitigt den Effekt einer Verklausung beim Wehr. Der Überfall bleit voll leistungsfähig, wie bereits bei den überhängenden Pfeilern.
• Ein "aufgelöster" Grobholzrechen mit einem Stab bei jedem zweiten Pfeiler erfüllt das Kriterium von Godtland und Tesaker (1994) nicht. Infolgedessen dringt das Schwemmholz bis zum Überfall vor und stört dort teilweise die Abflusskapazität.
• Bei den hier vorgestellten Modellversuchen wurde nur ein extremes Schwemmholzaufkommen untersucht, welches als kompakter Teppich zum Überfall gelangt, was einem extremen Szenario entspricht.  Kleine Gruppen von Schwemmhölzern, die kontinuierlich eintreffen, können sich anders verhalten. Darüber hinaus beziehen sich die hier vorgestellten Ergebnisse nur auf den Fall eines Reservoirs vor einem Standardüberfall.

Final report (English)

Dam spillways must guarantee a sufficient discharge capacity even during extreme floods. Driftwood can induce dangerous obstructions to spillways during floods and limit their functionality and discharge capacity. Blockages can increase the reservoir level in an uncontrolled manner and thereby cause dam submersion. Nevertheless, driftwood must not increase the probability of dam failure.

A physical model study is presented in this report focusing on the effect of driftwood on the head upstream of a standard weir equipped with piers and segments (here completely opened). Apart from test series without countermeasures, three constructive approaches are presented to reduce or eliminate the negative effect of driftwood on the rating curve. The following observations were made in the context of the model tests:

• An extreme and instant occurrence of driftwood blocked a standard weir with piers. Godtland and Tesaker (1994) state that the blockage appears if b/LM<0.80, that is, if the width of the pass b is less than 80% of the longest trunks LM arriving.
• The criterion of Godtland and Tesaker (1994) has not been tested herein, but the tests confirmed a driftwood blockage if b/LM<0.77.
• Without countermeasures, the weir head rise under driftwood blockage could be expressed with a reduced weir discharge coefficient CD (as compared to a "free" overflow).
• Without countermeasures and for a complete blocking an average value of CD=0.373 was observed in the model. The latter was independent of the discharge (up to the design flow), the relative width of the passes (as long as b/LM≤0.77) and the driftwood volume (as long as the volume remains "extreme", see explanations in the report). With respect to data variation, being typical for driftwood problems, a conservative coefficient of CDD=0.352 is recommended for practice (subtracting the standard deviation of the average value).
• Piers with an overhanging nose (protruding into the reservoir) reduced the negative effect of driftwood on the rating curve. The effect of a completely blocked weir on CD is absent if the overhang of the piers p into the reservoir exceeds approximately 0.30 to 0.35H (reference head H without driftwood).
• In the absence of piers (b/LM is "large"), no effect of the driftwood on CD was observed if the maximum trunk diameter DM was less than 0.35H (reference head H without driftwood). Partial blockage was observed for trunk diameters from 0.35 to 0.60H, and complete blockage for diameters exceeding 0.60H.
• A "complete" rack (one bar per pier, meeting the Godtland and Tesaker (1994) criteria), positioned 0.5b upstream of the vertical weir front, eliminated any effect of driftwood being stuck on the rack. The spillway operated at full capacity, as did the installation with the overhanging piers.
• A "partial" rack was also tested herein, with one bar every second pier only. The latter did not meet the Godtland and Tesaker (1994) criteria. As a result, the driftwood penetrated to the crest of the spillway and partially disturbed the spilling capacity.
• In the conducted experiments, only an extreme volume of driftwood arriving instantly at the spillway was tested, presenting an extreme scenario. Small batches that arrive continuously may behave differently. In addition, the results presented here are related to a reservoir approach and a standard weir crest only.

Final report (French)

Les évacuateurs de crue des barrages doivent garantir une capacité de débit en cas de crue extrême. Les bois flottants peuvent induire des obstructions dangereuses aux évacuateurs pendant des crues et limiter leurs fonctionnalités et leurs capacités de décharge. Les blocages peuvent augmenter le niveau de la retenue et ainsi l'ampleur d'une submersion. Mais, ils ne doivent pas augmenter la probabilité de rupture du barrage.

Une étude sur modèle réduit est présente dans ce rapport afin de tester l’effet des bois flottants sur la charge en amont d’un déersoir standard éuipéavec des vannes (ici compléement ouvertes). Mise àpart l’éude de cas sans mesures, trois approches constructives sont préentes afin de réuire ou éiminer l’effet néatif des bois flottants sur la courbe de tarage. Les observations suivantes ont ééfaites dans le cadre des essais sur modèe :

• Une occurrence extrêe et instantané de bois flottants a bloquéun déersoir standard avec des piliers. Godtland et Tesaker (1994) affirment que le blocage apparaî si b/LM<0.80, c'est-àire si la largeur de la passe b est inféieure à80% des troncs les plus longs LM arrivant.
• Le critèe de Godtland et Tesaker (1994) n'a pas éétestéici, mais les tests ont confirméun blocage si b/LM<0.77.
• Sans contre-mesures, l'ééation suppléentaire de la charge du déersoir a ééexprimé au moyen du coefficient du déersoir CD réuit sous un blocage de bois flottants (et comparépar rapport àun déersement « libre »).
• Sans contre-mesures et pour un blocage complet une valeur moyenne de CD=0.373 a ééobservé dans le modèe. Cette dernièe éait indéendante du déit (jusqu'au déit de dimensionnement), de la largeur relative de la passe (aussi longtemps que b/LM≤.77) et du volume de bois flottants (tant que le volume reste « extrêe », voir explications dans le rapport). En ce qui concerne la variation des donnés, éant typique pour les bois flottants, un coefficient du côéde la séuritéde CDD=0.352 est recommandépour la pratique (en soustrayant l’éart type des donnés de leur moyenne).
• Les piliers avec une têe prolongé ont réuit l'effet néatif des bois flottants sur la courbe de tarage. L'effet d'un déersoir complèement bloquésur CD est absent si le prolongement des piliers p dans le réervoir déasse environ 0.30 à0.35H (H sans bois flottants).
• En l'absence de piliers (b/LM est « grand »), aucun effet d'un blocage des bois flottants sur CD n'a ééobservési le diamère maximal du tronc DM éait inféieur à0.35H (charge de rééence H sans bois flottants). Un blocage partiel a ééobservépour les diamères de troncs de 0.35H à0.60H, et un blocage complet pour les diamères supéieurs à0.60H.
• Un râelier « complet » (une barre par pilier, respectant le critèe Godtland et Tesaker, 1994) positionnéà0.5b en amont de la crêe du déersoir, a éiminétout effet des bois flottants bloqué sur le râelier. Le déersoir fonctionne àpleine capacité tout comme l'installation avec les piliers dont la têe éait prolongé dans le réervoir.
• Le râelier « partiel » testéici, avec une barre sur deux piliers, ne respectait pas le critèe de Godtland et Tesaker (1994). Par conséuent, les bois flottants ont pééréjusqu'àla crêe dudéersoir et a partiellement perturbéla capacitéde déersement.
• Dans ces essais, seul un volume extrêe de bois flottants arrivant instantanéent au déersoir a éétesté préentant un scéario extrêe. Les petits lots qui arrivent en continu peuvent se comporter difféemment. De plus, les réultats préenté ici sont relié àune approche réervoir et àune crêe de déersoir standard seulement.

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• Rapport final [PDF] 11'546 kB