Determination of critical hydraulic parameters affecting erosion in spillways using experimental and numerical analyses

Dam spillways are susceptible to a range of engineering challenges including structural deficiencies, insufficient discharge capacity, and mechanical failures; however, a particularly significant issue is hydraulic erosion, which poses a significant threat to dam infrastructure. This necessitates a comprehensive assessment of both hydraulic and rock mechanical parameters to ensure structural integrity and operational resilience. In the rock mechanical aspect of hydraulic erosion, the resistive capacity of the material holds great importance, while in the hydraulic aspect, the erosive force of water plays a pivotal role. Hence, neglecting these incidents would increase the risk of overtopping and subsequent downstream flooding, thereby impacting the overall safety and operational reliability of the dam. This study focuses on investigating the hydraulic parameters of a smooth surface unlined open channel spillway. By utilizing both numerical modeling and experimental analysis, we aim to explore how variations in these parameters impact erosion in dams’ spillways. The research centers on the Romaine 4 dam spillway, situated in the northeastern region of Quebec in Canada as a representative case study. The physical model of this spillway was constructed at the Université du Québec à Chicoutimi, where we carried out the experimental analyses. In this research, we also conducted a comprehensive numerical analysis using Finite Volume Method (FVM), enabling a detailed examination of three-dimensional flow behavior within the spillway. This enabled a precise monitoring of the fluid motion patterns. Moreover, an experimental approach was utilized to enhance the accuracy and reliability of the results. This involved conducting detailed tests on the reduced-scale model using a XYZ robotic system capable of movement in X,Y,Z directions and capturing position, velocity and pressure. The results of numerical and experimental analyses reveal that the numerical model effectively captures the overall flow characteristics, closely predicting the average velocity throughout the channel. However, it indicates limitations in accurately predicting extreme velocities, such as maximum and minimum values. The results show that the maximum discrepancies between experimental and numerical data primarily concern extreme velocities, with the numerical model underestimating maximum velocities and overestimating minimum velocities, with errors more pronounced at higher flow rates and upstream. This discrepancy can reach up to 60% in certain areas. Furthermore, the study examined the effects of gates on variability of hydraulic parameters like flow depth and velocity. The analysis of a number of gate configurations revealed that double-gate spillways maintain more consistent flow depths across all significant cross-sections. By explaining the complex interaction between hydraulic behavior and spillway design, this research attempts to advance our understanding of hydraulic-prone erosion areas in dam spillways and ensure the long-term resilience of dam infrastructure. Les évacuateurs de crues des barrages sont sujets à divers défis d'ingénierie, incluant des défaillances structurelles, une capacité d'évacuation insuffisante et des pannes mécaniques; cependant, l'érosion hydraulique constitue une problématique particulièrement importante qui menace l'infrastructure des barrages. Il est donc nécessaire d’évaluer de manière approfondie les paramètres hydrauliques et mécaniques des roches afin d’assurer l’intégrité structurelle et la résilience opérationnelle. Dans l’aspect mécanique des roches concernant l’érosion hydraulique, la capacité de résistance du matériau revêt une grande importance, tandis que dans l’aspect hydraulique, la force érosive de l’eau joue un rôle essentiel. Par conséquent, ignorer ces phénomènes augmenterait le risque de débordement et d’inondation en aval, impactant ainsi la sécurité et la fiabilité opérationnelle globale du barrage. Cette étude se concentre sur l’analyse des paramètres hydrauliques d'un évacuateur de crues à canal ouvert non revêtu et à surface lisse. En utilisant à la fois la modélisation numérique et l’analyse expérimentale, nous visons à explorer comment les variations de ces paramètres influencent l’érosion dans les évacuateurs de crues des barrages. La recherche porte sur l’évacuateur de crues du barrage Romaine 4, situé dans la région nord-est du Québec au Canada, en tant qu’étude de cas représentative. Le modèle physique de cet évacuateur a été construit à l’Université du Québec à Chicoutimi, où nous avons effectué les analyses expérimentales. Dans cette recherche, nous avons également réalisé une analyse numérique complète en utilisant la méthode des volumes finis (FVM), permettant un examen détaillé du comportement tridimensionnel de l’écoulement dans l’évacuateur. Cela a permis un suivi précis des schémas de mouvement du fluide. En outre, une approche expérimentale a été utilisée pour accroître la précision et la fiabilité des résultats, en réalisant des tests détaillés sur le modèle réduit à l’aide d’un système robotisé XYZ qui est capable de se déplacer dans trois directions (X, Y, Z), pour effectuer des prises de mesures de position, vitesse et pression. Les résultats des analyses numériques et expérimentales révèlent que le modèle numérique capture efficacement les caractéristiques générales de l’écoulement, prédisant de manière précise la vitesse moyenne dans le canal. Cependant, il présente des limitations dans la prédiction précise des pression dynamique et statique extrêmes comme les valeurs maximales et minimales. Les résultats montrent que les écarts maximaux entre les données expérimentales et numériques concernent principalement les vitesses extrêmes, le modèle numérique sous-estimant les vitesses maximales et surestimant les minimales, avec des erreurs plus marquées aux débits élevés et en amont. Cet écart peut aller jusqu’aux 60% à certains endroits. Par ailleurs, l’étude a examiné les effets des vannes sur la variabilité des paramètres hydrauliques tels que la profondeur de l’écoulement et la vitesse. L’analyse de plusieurs configurations de vannes a révélé que les évacuateurs à double vanne maintiennent des profondeurs d’écoulement plus constantes à travers toutes les sections transversales significatives. En expliquant l’interaction complexe entre le comportement hydraulique et la conception des évacuateurs de crues, cette recherche vise à améliorer notre compréhension des zones sujettes à l’érosion hydraulique dans les évacuateurs de barrages et à assurer la résilience à long terme de l’infrastructure des barrages.