Riprap design on the downstream slopes of rockfill dams

Abstract

Sammendrag: Erosjonssikring av stein er mye brukt, blant annet for å sikre nedstrøms skråning på steinfyllingsdammer mot erosjon fra ulykkeslaster som overtopping eller gjennomstrømning. Denne avhandlingen fokuserer på stabiliteten og utformingen av erosjonssikring av stein lagt som rauset steinsikring eller plastring. Plastring ble bygd ved å sette stein i forband med god innbyrdes kontakt og med lengste akse hellende mot skråningen. Forsøkene ble utført på en skråning på 1:1,5 (vertikalt: horisontalt). Plastringsparametere, bruddmekanismer, hydrauliske parametere og eksisterende stabilitetsanalyser ble undersøkt for å optimalisere utforming av rauset steinsikring og plastring på bratte skråninger. Stabiliteten til erosionssikringen ble undersøkt med fysiske modellforsøk i ulike målestokk og uttrykt gjennom det kritiske steinbaserte Froudetallet. For å kvantifisere kreftene som virker på en spesifisk stein, ble det nylig utviklete måleutstyret ’Smartstone’ testet. En Smartstone sonde ble montert i en plastringsstein for å måle akselerasjonen i øyeblikket når steinen ble erodert fra plastringen. Den aktuelle versjonen av Smartstone må imiderltid bli videre utviklet for å tillate den ønskede anvendelsen. Fysiske modellforsøk og feltforsøk med storskala plastringsstein ble utført for å undersøke stabiliteten til rauset steinsikring og plastring. Felt- og modellforsøkene med rauset steinsikring viste god overensstemmelse i forhold til stabilitet, pakningstetthet og det visuelt observerte strømningsmønsteret. Forsøkene utført med plastring hadde bra overensstemmelse mellom felt og modell i forhold til strømningsmønster og overtoppingshøyde. Plastringene i modellforsøkene var imidlertid tettere pakket og mer stabile enn i felt. Forskyvinger i plastringslaget ble målt i modellforsøkene. Forskyvingene førte til en glipe i overgangen mellom den horisontale kronen og skråningen. Plastringen ble ustabil når glipen hadde blitt større enn omtrent en steinlengde. Akkumulerende forskyvinger ble dermed identifisert som bruddmekanisme for plastring på bratte skråninger. Siden forskyvingene utviklet seg gradvis, anbefales det å inkludere tidsdimensjonen i stabilitetsanalyser i tillegg til vannføring. Plastring hadde i gjennomsnitt sju ganger større kritisk steinrelatert Froudetall enn rauset steinsikring. Imidlertid kan rauset steinsikring være stabil nok for noen bruksområder, og plastring bør bare bli vurdert hvis økt stabilitet er nødvendig. For å oppnå optimal utforming av erosjonssikring av stein, må kravene til type erosjonssikring, steinstørrelse og plastringstetthet, samt de tilhørende konstnadene, avveises mot det ønskete stabilitetsnivået.

Zusammenfassung: Deckwerke aus Steinen sind eine weitverbreitete Massnahme gegen Erosion. Sie werden unter anderem auf den luftseitigen Hängen von Staudämmen erstellt, um diese in ausserordentlichen Lastfällen wie Über- oder Durchströmen vor Erosion zu schützen. Die vorliegende Dissertation fokussiert auf die Stabilität solcher Deckwerke, die entweder als Blockwurf oder Blocksatz ausgeführt werden. Bei einem Blockwurf werden die Steine willkürlich verteilt. Ein Blocksatz hingegen besteht aus Steinen, die ineinandergreifend gesetzt werden. Die Steine können zusätzlich mit ihrer längsten Achse gegen den Hang geneigt platziert werden. Für die Versuche hatten die Hänge ein Gefälle von 1:1.5 (horizontal: vertikal). Die Parameter von Deckwerken aus Steinen, Fehlermechanismen, hydraulische Parameter und bestehenden Stabilitätsanalysen wurden untersucht, um die Bauweise der Deckwerke zu optimieren. Die Deckwerksstabilität wurde mit Modellversuchen in verschiedenen Massstäben ermittelt und durch die kritische steinbezogene Froude-Zahl ausgedrückt. Um die Kräfte, die auf einen spezifischen Stein wirken, zu messen, wurde das neulich entwickelt ’Smartstone’ Messgerät getestet. Eine Smartstonesonde wurde in einen Stein eingebaut werden, um die Beschleunigung zu messen, wenn der Stein aus dem Deckwerk erodiert wird. Die aktuelle Version der Smartstones muss jedoch weiterentwickelt werden, um die gewünschte Anwendung zuzulassen. Physische Modellversuche und Feldversuche mit grossmassstäblichen Steinen wurden durchgeführt, um die Deckwerksstabilität zu untersuchen. Die Stabilität, Setzungsdichte und die visuell beobachteten Strömungsverhältnisse stimmten für Blockwurf zwischen den Feld- und Modellversuchen überein. Die Strömungsverhältnisse und die Überströmungswassertiefe waren für Blocksatz in den Feld- und Modellversuchen ähnlich. Die Blocksätze im Modell waren jedoch dichter gesetzt und stabiler. In den Modellversuchen wurden die Verschiebungen von ausgewählten Steinen im Deckwerk gemessen. Die Verschiebungen führten zu einer Lücke im Übergang von der Dammkrone zum luftseitigen Hang. Der Blocksatz wurde unstabil, als die Lücke die Grösse einer Steinlänge überstieg. Folglich wurden Verschiebungen als Fehlermechanismus für Blocksätze auf steilen Hängen identifiziert. Da die Verschiebungen sukzessive anwuchsen, sollte die zeitliche Dimension in Stabilitätsuntersuchungen zusätzlich zum Abfluss berücksichtigt werden. Die kritische steinbezogene Froude-Zahl war für Blocksatz im Durchschnitt siebenmal höher als die von Blockwurf. Jedoch kann die Stabilität von Blockwurf für gewisse Anwendungen ausreichen und Blocksatz sollte nur in Betracht gezogen werden, falls eine erhöhte Stabilität erforderlich ist. Um die Bauweise von Steindeckwerken zu optimieren, müssen die Anforderungen wie Art des Deckwerks, Steingrösse und Setzungsdichte im Deckwerk sowohl als auch die damit verbundenen Kosten bezüglich dem gewünschten Stabilitätsniveau abgewogen werden. Froude-Zahl war für Blocksatz im Durchschnitt siebenmal höher als die von Blockwurf. Jedoch kann die Stabilität von Blockwurf für gewisse Anwendungen ausreichen und Blocksatz sollte nur in Betracht gezogen werden, falls eine erhöhte Stabilität erforderlich ist. Um die Bauweise von Steindeckwerken zu optimieren, müssen die Anforderungen wie Art des Deckwerks, Steingrösse und Setzungsdichte im Deckwerk sowohl als auch die damit verbundenen Kosten bezüglich dem gewünschten Stabilitätsniveau abgewogen werden.

Abstract: Riprap is widely used as erosion protection. To prevent erosion in case of accidental overtopping or trough flow, the downstream slopes of rockfill dams can be secured with riprap. The present thesis focuses on the stability and design of dumped and placed riprap made of natural stone. Placed riprap for the tests was constructed by setting stones in an interlocking pattern, with their longest axes inclined towards a slope of 1:1.5 (vertical: horizontal). Riprap parameters, failure mechanisms, hydraulic parameters and existing stability approaches were addressed to optimize riprap design on steep slopes. Riprap stability was investigated with physical model tests in different scales and was expressed through the critical stone-related Froude number. In order to quantify the forces acting on a specific stone, the novel ’Smartstone’ monitoring equipment was tested. A Smartstone probe was mounted in a riprap stone to measure the acceleration in the moment when the stone was eroded from the riprap. However, the current version of the Smartstone equipment needs further development to allow for the desired application. Physical model tests and field tests with large-scale riprap stones were carried out to investigate riprap stability. For dumped riprap, similarity was found between the field and model tests in terms of riprap stability, packing density and visually observed flow pattern. The model tests and field tests with placed riprap showed good agreement with regard to flow pattern and overtopping height. However, the placed ripraps in the model had a higher packing density and were more stable. Displacements within the riprap layer were monitored during the model tests. The displacements lead to a gap at the transition between the horizontal crest and the downstream slope. The riprap became unstable when the gap exceeded approximately one stone length. Accumulating displacements were hence identified as failure mechanism for placed riprap on steep slopes. Due to the gradual development of the displacements, the dimension of time is recommended to be included in stability analyses in addition to discharge. Placed riprap had on average a seven times higher critical stone-related Froude number than dumped riprap. However, dumped riprap might provide sufficient stability for certain applications, and placed riprap should just be considered if increased stability is required. For an optimized riprap design, the requirements about riprap type, stone size and packing density as well as the corresponding costs have to be balanced with the desired level of stability.