代做CVEN90051 CIVIL HYDRAULICS Module 1: CHANNEL HYDRAULICS AND HYDRAULIC STRUCTURES Topic 3

日期：2024-08-27 07:10

CVEN90051 CIVIL HYDRAULICS

Module  1:  CHANNEL HYDRAULICS AND HYDRAULIC STRUCTURES

LEARNING GUIDE Topic 3

Topic 3: Dams and Spillways

Crests, chute, stilling basins

Learning objectives

•    To understand when dams are needed

•    To be familiar with different components of dams

•    To design an overflow spillway.

Introduction

Hydraulic structures include dams (Figure 1 below), which store water for water supply, and sluice gates which are used to control the discharge  in  rivers and to alleviate flooding.  In  addition,  bridges and culverts, which carry  roads  and railways over  rivers, are other very  numerous  examples of  hydraulic structures; few  roads  are  constructed without them. Knowledge and skill are needed to design a hydraulically efficient dams, bridge or culvert that has a waterway of an appropriate size, does not cause upstream flooding, and is unlikely to be damaged by floods. Topic #3 will focus on dams and all the necessary components that they need to function.

QUESTION: What are the possible causes of failure and what are the consequences if this happens? Can a dam fail without showing any structural damage?

Figure 1: Gravity dam.

Questions to guide your reading

•     What are the main types of dams, and what conditions suit each type?

•     How is a simple concrete gravity dam designed?

•     What are the most common causes of dam failure?

•     How can the head–discharge relationship of a sluice gate be determined?

•     What are the components of an overflow spillway?

•     How can we design an overflow spillway?

Reading guide

The reading material is the primary source to understand the subject. The reading material for Topic #3 is available through “Reading  Online”  in   LMS. The  material is extrapolated  from two textbooks: (PART  1)  Hamill,  L., 2011,  Understanding hydraulics, Macmillan International Higher Education -- Read pp. 300-319; and (PART 2) Chanson, H., 2004, Hydraulics of open channel flow, Elsevier -- Read pp. 393–416 (you may skip sections 19.4.1 and 19.4.2 as these contents are also described in Topic 2). The first is used to introduce general concepts of dams and spillways. The second is used to introduce basic design principles for overflow spillways.

The  reading  material  starts  with the  classification of dams  (Section 9.1). There are  3 types of dams to consider: gravity dams (Fig. 1 below), arch dams, and buttress dams. A graphical summary can be found in figure 9.1 of the reading material.

QUESTION: The optimal location for a dam has been identified in a deep and narrow gorge. What type of dam would be ideal? Can Ifit a gravity dam in there?

FOOD-FOR-THOUGHT: What was special about the Vajont Dam and the accident that occurred there in 1963?

FOOD-FOR-THOUHGT: Look at the photos in the reading material. All those dams look massive. What do you think the primary purpose of those dams is? Do you think smaller version of dams can be used in rivers for a variety of other purposes?

Section 9.1.1 looks at details of the structural stability for a simple concrete dam. Stability is straightforward and it is based on two key forces: hydrostatic force (F) and the weight of the dam (W). The resultant force has to remain within middle 1/3 of the base for the concrete structure to be subjected to only compression forces.

WHERE DID YOU SEE THE CONCEPT OF MIDDLE 1/3?: If you wonder where you have come across the concept of middle 1/3, well this likely happens when you learnt to design foundations.

QUESTION: Why the forces are applied at h/3 from the base?

FOOD-FOR-THOUGHT: Look at figure 9.5b. Why does the structure increase its thickness towards the base?

Section 9.1.2 discusses dam failure. A key concept is that earth dam will deteriorate gradually, so failure is slow. A concrete dam will be subjected to a more rapid failure.

The dam constitutes a barrier and produces a backwater profile upstream. Think of a classic dam, what would you expect upstream? Exactly … an artificial lake. During a storm event, the water level in this lake would rise and it is not unusual it would reach the maximum level. What happens then? The dam must be designed with systems that allow water to overflow the structure. This can be obtained through spillways, which diverge water from the upstream to the downstream safely. So, are spillways important? Yes, they are fundamental. Incorrect design would lead to failure. A general, descriptive discussion of different types of spillways is reported in Section 9.1.3.

Q&A: Will contents of section 9.1.3 be asked during the exam? Yes, they will!

Section 9.2 introduces another hydraulic structure: the sluice gate (see an example in Figure 2 below). This is often used to control discharge. If you have a chance to see irrigation channels, you will come across many sluice gates.

A CUIRIOUS NOTE: look at the gate in figure 9.14 of the reading material. There is backwater upstream, and a supercritical flow exists the gate. Likely, this flow would go through a jump and then continue as subcritical. This is an important feature of irrigation channels. By forcing water to “ jump”, water reconstitutes its content of oxygen, which is fundamental for crops.

The reading material continues with sections dedicated to the design of spillways, and specifically overflow spillways.

Sections 19.1.2 and 19.1.3 provide a general discussion on the topic. It is important to remember the key components of the spillway (Figure 19.1a in the reading material): the crest; the chute; and the dissipator (or stilling basin).

Section 19.2 introduces basic concepts for crests design. A fundamental part is represented by the characteristics of the sharp-crested weir and the nappe. I find Figure 19.5 in the reading material particularly useful. The ogee-crest weir is a structure that develop on the natural shape of the nappe in the sharp-crested weir. Again, key geometrical information is clearly reported in the sketch of Figure 19.6 of the reading material. Design of the ogee-crest weir is discussed in detail.

Section 19.3 focuses on the chute design. Pay particular attention to the equation for the flow velocity (equation 19.12 in the reading material).

The reading material concludes with a few pages dedicated to the stilling basin. This is the portion at the base of the spillway,  where  a  hydraulic  jump is forced to  happen  before  letting the water flow continue along the  river. This is a fundamental part of the structure, which ensures the water slows down without scouring the riverbed. Basic concepts of the still basin or dissipator were discussed together with the hydraulic jump in Topic #2.

QUESTION: How long the dissipator should be?

FOOD-FOR-THOUGHT: The reading material shows a particular type of dissipator, which includes several blocks. However, the still basin can be a smooth horizontal concrete plate. So, do we really need a complex structure at the dissipator? Can the hydraulic jump be induced on a smooth surface? Think of the parameters in the spillway design that can control the jump.

FOOD-FOR-THOUGHT: What  if  the  height  just  after  the hydraulic  jump is  greater than the height expected in the river downstream?

Figure 2: Sluice gates

Practice problems

1.      List the principal advantages and disadvantages of gravity, arch and buttress dams, and give an indication of where each type may be used. What type of spillway is typically used with each of these dams?

2.    What is the minimum width of a concrete gravity dam of rectangular cross-section if the maximum water depth is 45m (water depth coincides with the height of the dam).  Consider that the density of the concrete is 2350kg/m3    and that of the water 1000kg/m3.

3.    A vertical underflow sluice gate 5.5m wide discharges 18.2m3/s into a rectangular channel of the same width. The gate is set 0.90m above the bed, the downstream depth at the gate is 1.3m and the normal depth in the channel is DN  = 2.4m. (a) Confirm that the gate is operating in the sub- merged condition.  (b) determine the upstream depth.

4.    A weir is to have an overflow spillway with ogee-type crest and a hydraulic jump energy dissipator.

Considerations of storage requirements and risk analysis applied to the “design flood event” have set the elevation of the spillway crest at 128 m and the width of the spillway crest at B = 81 m. The maximum flow over the spillway when the design flood is routed through the storage for these conditions is 1300 m3/s. The chute slope is 1V:0.8H (i.e. about 51.3°). (a) Calculate flow depth d and flow velocity V at the end of the chute. (b) Calculate the conjugate depth for the hydraulic jump.