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HYDRAULIC PERFORMANCE OF STEPPED SPILLWAY AERATORS AND RELATED DOWNSTREAM FLOW FEATURES

Applicant Schleiss Anton
Number 137572
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Plateforme de constructions hydrauliques EPFL ENAC IIC PL-LCH
Institution of higher education EPF Lausanne - EPFL
Main discipline Civil Engineering
Start/End 01.04.2012 - 31.03.2015
Approved amount 183'780.00
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Keywords (6)

Cavitation; Stepped Spillway; Dam; Aeration; Chute; Hydraulics

Lay Summary (German)

Lead
Das Forschungsprojekt untersucht die Wirkungsweise von bewährten Schussrinnenbelüftern auf neuartigen Treppenschussrinnen. Dazu werden im Rahmen von physikalischen Modellversuchen typische Deflektoren inklusive deren Belüftungssystem auf Treppenschussrinnen mit unterschiedlicher Charakteristik eingesetzt, und unter verschiedenen hydraulischen Zuflussbedingungen getestet. Gemessen werden dabei die lokalen Luftkonzentrationen in der Strömung, sowie die Zuflusscharakteristik des Wassers und der Luft. Als Resultat kann die Effizienz der Belüfter sowie deren Wirkungslänge abgeleitet werden. Diese Daten können künftig als Grundlage herangezogen werden, um Treppenschussrinnen mit relativ hohen Abflüssen zu Beaufschlagen, und gleichzeitig das Risiko von Kavitationsbildung zu minimisieren.
Lay summary
Hochwasserentlastungsanalgen leiten das in einen Stausee einfliessende Hochwasser sicher ab, ohne dass die Talsperre überströmt und allenfalls beschädigt wird. Das Bemessungshochwasser kann dabei – je nach Grösse des Einzugsgebiets und der Charakteristik des Stausees – mehrere tausend Kubikmeter pro Sekunde betragen. Ein heute oft gebauter Typ einer Hochwasserentlastungsanlage ist die Treppenschussrinne, welche leicht in Walzbetonstaumauern integriert werden kann. Die Hydraulik des Abflusses auf Treppenschussrinnen ist gegenwärtig nicht vollständig bekannt und daher im Zentrum vieler Forschungsarbeiten. Entsprechend werden diese Anlagen zurückhaltend beaufschlagt, d.h. die zugelassenen spezifischen Abflüsse sind eher gering. Hauptursache dieser Vorsichtsmassnahe ist Kavitation, welche bei Treppenschussrinnen früher auftritt als bei herkömmlichen Hochwasserentlastungsanalgen, und diese im Extremfall zerstören kann. Die einzige effizient umsetzbare Massnahme gegen Kavitation ist die künstliche Belüftung des Abflusses. Dazu werden seit Jahren erfolgreich Belüfter an der Sohle von Hochwasserentlastungsanalgen vorgesehen. Es ist allerdings bis heute nur lückenhaft bekannt, ob solche Belüfter auch bei Treppenschussrinnen einsetzbar sind, und wie diese bemessen werden sollten. Hier setzt das Forschungsprojekt an: Es werden erprobte Belüfter im physikalischen Modell auf Treppenschussrinnen systematisch getestet. Die Messdaten werden ausgewertet und soweit aufgearbeitet, damit künftig Ingenieure solche Belüfter bemessen bzw. optimieren können, was schliesslich das Ableiten eines höheren spezifischen Abflusses auf einer Treppenschussrinne ermöglicht.
Direct link to Lay Summary Last update: 10.04.2014

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
Prof. Dr. Hubert Chanson, University of Queensland, Brisbane Australia (Oceania)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
159967 HYDRAULIC PERFORMANCE OF STEPPED SPILLWAY AERATORS AND RELATED DOWNSTREAM FLOW FEATURES: EFFECT OF APPROACH FLOW TURBULENCE AND PRE-AERATION 01.04.2015 Project funding (Div. I-III)
150741 High-performance high-speed camera 01.06.2014 R'EQUIP
150787 ACQUISITION OF FLOW VELOCITY MEASURING INSTRUMENTATION / ACOUSTIC DOPPLER AND LASER DOPPLER VELOCIMETRY 01.10.2014 R'EQUIP

Abstract

Cavitation on chutes and spillways damaged many structures before first bottom aerators were applied. Since these devices are studied in research projects and implemented in practice, no more damages are reported. In parallel, a new spillways type established over the last years with different flow features: stepped chutes. There, the specific discharge load was usually limited compared to classical chutes to avoid cavitation damages, as stepped spillways have presumably a higher damage potential. However, these restrictions are more and more ignored, such that first damages occurred.However, no systematic studies were so far conducted providing general design guidelines for the application of aerators on stepped spillways. To reduce this gap in knowledge, the chute aeration concept as known from classical chutes is applied on stepped spillways in the herein presented research projects. It thus intends to systematically investigate and optimize related aerators on a physical model to finally give reliable and general applicable design recommendations. All relevant parameters affecting the efficiency of such aerators are known and will be varied systematically during the project.
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