Improved Energy Dissipation in Stepped Spillways - Hydraulic Model Study Applying Bubble Image Velocimetry

Abstract

Utforming av hydrauliske konstruksjoner som sikrer tilstrekkelig energihåndtering ved flomsituasjoner er avgjørende i møte med framtidens klima. Trappetrinnsflomløp er en type energidreperkonstruksjon som har fått mye oppmerksomhet siden introduksjonen av valsebetong, da kombinasjonen gir en enkel og kostnadseffektiv byggeprosess. Dette studiet benytter fysiske modellforsøk for å optimalisere utforming, drift og modellering av trappetrinnsflomløp, med fokus på byggbare og praktiske løsninger.

Trappetrinnsflomløp har i nyere tid blitt studert grundig i fysiske modeller, numeriske modeller og i praksis, da spesielt overgangen mellom forskjellige strømningsregimer, samt modifikasjon av trappetrinnsgeometri. I dette studiet er det valgt å fokusere på strømningskarakteristikk ved høye vannføringer, luft-vann strømning, og metoder for å øke energiuttaket ved hjelp av enkle og byggbare løsninger. Metoder som ble valgt er blant annet videobasert hastighetsmetri (BIV), i tillegg til det å kombinere fysiske modellforsøk med data fra prototyp.

To skalerte fysiske modeller ble bygget ved hjelp av Froudes modellov i Vassdragslaboratoriet ved NTNU i Trondheim. Innledende forsøk fastslo at modellene samsvarte godt med eksisterende teori. Strømningssplittere ble installert for å øke energiuttaket, hvor nedstrøms energinivå ble beregnet ved hjelp av vannstandsspranget. Toppmoderne BIV ble benyttet for å studere strømningsbildet.

Måleseriene viser entydighet, og mange fenomener blir observert og diskutert. Data innhentet med BIV er svært detaljert, og inneholder ekstremt mye informasjon, noe som er ideelt når man studerer turbulent tofase strømning. Tydelige skalaeffekter på luftmedriving og energidreping ble også observert, som forventet.

Studien fastslår at strømningssplittere er et byggbart og kostnadseffektivt tiltak for å øke energiuttaket i flomløpet, i tillegg til å øke naturlig luftmedrivning og redusere kavitasjonsfare. Dette fører videre til en økt grense på maksimal enhetsvannføring. Større vannføringer burde undersøkes sammen med optimalisering av utformingen av strømningssplittere i videre studier. BIV er vurdert til å være den beste fremgangsmåten for å studere luft-vann strømninger under visse forhold, men metoden må valideres i hvert enkelt tilfelle. Kombinasjonen mellom fysisk modellering og data fra prototyp er lovende, og burde fokuseres på i videre studier. I tillegg må viktigheten av stor skala understrekes, både for å minimere skalaeffekter, men også for bruken av BIV.

Energy dissipating structures that can handle changing hydrological conditions without jeopardizing dam safety is crucial. Stepped spillways are a type of energy dissipator that has regained interest since the introduction of roller compacted concrete (RCC). This physical hydraulic model study seeks to optimize parts of the design, operation and modelling of stepped spillways, focusing on feasible measures and practical methods.

Stepped spillways have been studied thoroughly both in physical models, numerical models and in practice lately, particularly the transitions of flow regimes in addition to modification of step geometry has been subject of investigation. It was decided to focus on the skimming flow regime, two-phase flow conditions, and simple measures of improving energy dissipation in this study. Bubble image velocimetry (BIV), in addition to combining and comparing experimental data with prototype data that is available, were also methods chosen to proceed with.

Two scaled physical hydraulic models in Froude similitude were constructed in the Norwegian Hydrotechnical Laboratory at the Norwegian University of Science and Technology in Trondheim. It was determined that the models corresponded well with established theory. Crest splitters were installed to further increase energy dissipation, and the hydraulic jump method was applied to measure the residual energy level. State of the art BIV was also employed to investigate flow characteristics.

Data measurements from the experimental program were conclusive by large, and a great deal of different phenomena was observed and discussed. The data obtained from BIV is extremely dense in information, with remarkable levels of detail, which is ideal for studying highly turbulent two-phase flow. Severe scale effects were also observed, both in air entrainment and in energy dissipation, as anticipated.

The study found crest splitters to be a practical and cost-effective measure to improve energy dissipation, in addition to reducing the length of inception and cavitation potential, leading to a higher allowable maximum unit discharge. Higher discharges must be investigated along with optimization of splitter geometry in further studies. BIV seem like best practice to study two-phase flow at certain conditions, but must be validated. Combining prototype data with model studies has great potential and should be investigated further. The importance of a large scale model must also be emphasized, which is also relevant for the use of BIV.