Stability Evaluation of Overtopped Concrete Hydraulic Structures Using Computational Fluid Dynamics

A particularly challenging aspect in gravity dam stability assessment is the estimation of the induced hydrodynamic water pressure when water with significant velocity is overtopping gravity dams and flowing in or over spillway components. The water flow conditions, including the related pressure fields and resultant forces, are difficult to quantify accurately. Herein, existing dam safety guidelines to estimate the weight of the overflowing water nappe on gravity dams with rectangular crests are first reviewed. Then, a CFD methodology is developed to improve the simplified estimation of hydrodynamic pressure fields acting on the rectangular crests of submerged gravity dams. The CFD pressures are used as input data to classical structural stability analyses based on the gravity method to more adequately quantify the dam stability during overtopping. A back analysis is also performed on the stability of an existing gated spillway that was overtopped during the 1996 Saguenay flood in Québec.

Résumé

L'estimation des pressions hydrodynamiques induites lorsque l'eau à grande vitesse submerge les barrages-poids et les évacuateurs de crues constitue un aspect particulièrement difficile de l'évaluation de la stabilité de ces ouvrages. La dynamique des fluides numérique (CFD) est une alternative attrayante aux modèles physiques pour quantifier les forces hydrodynamiques agissant sur les ouvrages-poids. Dans cet article, les ligne directrices sur la sécurité des barrages pour estimer le poids de la nappe d'eau submergeant les barrages-poids à crête rectangulaire sont tout d'abord examinées. Ensuite, une méthodologie CFD est développée pour améliorer l'estimation simplifiée des champs de pression hydrodynamiques agissant sur les crêtes rectangulaires des ouvrages soumis à la submersion. Les pressions CFD sont utilisées comme données d'entrée dans les analyses de stabilité structurales classiques, basées sur la méthode de la gravité, afin de quantifier de manière plus adéquate la stabilité au glissement des barrages lors d'une submersion. Un retour d'expérience est également effectué sur la stabilité d'un évacuateur vanné, qui a été submergé lors de la crue du Saguenay en 1996.

Uncontrolled Keywords

• CFD
• Submersion
• Stabilité
• Barrage-poids
• Évacuateurs de crues
• Overtopping
• Stability
• Gravity dam
• Gated Spillways