Faculté de l'environnement naturel, architectural et construit ENAC, Section de génie civil, Institut des infrastructures, des ressources et de l'environnement ICARE (Laboratoire de constructions hydrauliques LCH)

Wall roughness effects on flow and scouring in curved channels with gravel bed

Hersberger, Daniel S. ; Schleiss, Anton (Dir.)

Thèse sciences techniques Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2002 ; no 2632.

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    Summary
    Wall roughness effects on flow and scouring in curved channels with gravel bed In the narrow valleys in Alpine regions, rivers frequently flow across constructed zones, passing through villages and cities. Due to limited space, the protection from high floods often needs to be ensured by protection walls. During floods, these protection walls may be endangered by scour phenomena, especially if they are located in bends. In the past, the potential danger of underscoured structures was reduced by sufficient foundation depth. By providing roughness elements such as vertical ribs at the surface of walls located at the outer side of river bends, the local erosion along the foot of the wall can be considerably decreased, reducing the cost of wall foundations. Such observations were made during the review and optimization of several flood protection projects with hydraulic model tests in Switzerland. A literature review showed, that no systematic study of the influence of these ribs on scour and flow in bends was performed up to this day (§ 2). This research project covers this gap by investigating the development of the scour as a function of main parameters. The study is based on an experimental investigation in a 90° bend with a radius of 6 m including measurements of the velocities, the water level, the bed topography, the sediment characteristics, the grain size distribution of the armoring layer, the discharge and the bed load (§ 4 and 5). The large set of tests covers a wide range of discharges, bed slopes, rather high Froude numbers, but in subcritical regimes, many rib spacings and depths. The formation of two scour holes was observed. Without macro roughness, a first scour hole occurs in the prolongation of the inner sidewall of the entry reach at the outer wall and a second scour hole appears at the end of the 90° bend. The analysis of the performed tests results in the following conclusions: Most existing scour formulae considerably underestimate the scour depth in mountain rivers with coarse gravel bed (§ 3). Significant oscillations, both of the free water surface (stationary waves) and of the scour depth were observed, especially for the second scour hole. The two scour holes have different reasons. The first one is essentially due to the change of the main flow direction (impact on the wall) and the induced secondary current, whereas the second one is mainly due to increased velocity fluctuations after the point bar formed at the inner side of the channel (§ 6). In the average flow field in a bend, the highest main velocities are shifted from the centerline close to the surface toward the outer wall and then towards the bottom (§ 6). At the first scour, the highest main velocities are found next to the ground. A significant grain sorting process is observed over the cross-section due to the use of coarse gravel mixture, resulting in the accumulation of coarse sediments at the outer wall and depositions of fine material on the inner bank. By applying vertical ribs on the outer sidewall, an important impact on the scour process and on the flow field can be observed (§ 6). The macro-roughness has the following effects: The scour depth along the outer sidewall is significantly reduced and the prominent scours almost disappear. With increasing wall roughness, the first scour hole shifts in the downstream direction whereas the second one remains at about the same position. Significant oscillations of the water surface and the scour depth, observed without macroroughness, are reduced by about 50% and the scour develops in a "smoother" way. The flow field undergoes a pronounced modification: the highest velocities are kept away from the outer sidewall, reducing the scour at the bottom of the outer wall foundations. Along the outer wall at the free surface, an secondary flow cell at the outer bank can be observed. The importance of this cell shows an important correlation with the bank protection effect. Optimum rib spacing is essential since an inappropriate spacing may lead to an important increase in scour depth. The transport capacity in the bend is reduced. In natural rivers, this phenomenon is compensated by a steepening of the bed slope. The upstream and downstream extremities of the bend are influenced by the ribs: upstream of the bend, the water depth increases due to the head losses in the bend, and downstream, some additional erosion is found in the center of the channel. The grain sorting process is not significantly influenced by the presence of the ribs beside an increase of the area of the coarse sediment zone. This report furthermore presents a new empirical scour formula for the estimation of the maximum scour depth for mountain rivers with wide grain size distribution (§ 7), established with physically based parameters, which are the ratio mean water depth to channel width, a dimensionless ratio combining the mean velocity with the hydraulic radius and finally the friction angle of the bed material. The lateral bed profile in the maximum scour cross section can also be computed with this equation. An estimation of the maximum scour depth in the presence of macro-roughness on the outer wall can be obtained with a formula depending on the rib spacing, the hydraulic radius, the Froude number and the difference between the dimensionless shear stress and the critical Shields parameter (§ 7). Finally recommendations for hydraulic engineers (§ 8.3) are given to facilitate the application of vertical ribs on outer banks serving as macro-roughness.
    Résumé
    Influences de la rugosité des murs de rive sur l'écoulement et l'érosion de canaux courbes avec lit de gravier Dans les vallées étroites des Alpes, des rivières traversent fréquemment des zones construites. En raison des surfaces limitées, la sécurité contre les crues doit être assurée par des murs de protection. Pendant les crues, ces murs peuvent être mis en danger par l'érosion, plus particulièrement s'ils se situent en courbe. Dans le passé, cette menace a été contrecarrée par une profondeur de fondation suffisante. La présence de macro-rugosités sur les rives extérieures des méandres dans les rivières de montagne permet de réduire fortement la profondeur d'érosion et ainsi le coût des fondations. Ce phénomène a déjà pu être observé sur des modèles réduits reproduisant des murs de rive nervurés. La revue bibliographique montre qu'il n'existe à ce jour pas d'étude systématique de l'influence de ces nervures sur l'érosion et l'écoulement en courbe (§ 2). La présente recherche comble cette lacune par l'étude du développement de l'érosion en fonction des paramètres hydrauliques et géométriques principaux. L'étude se base sur des expériences effectuées dans une courbe à 90° avec un rayon à l'axe de 6 m, dans lequel les paramètres suivants ont été mesurés: le champ de vitesse, les niveaux d'eau, la topographie du lit, les caractéristiques des sédiments, la distribution granulométrique de la couche de pavage, les débits liquides et de charriage (§ 4 et 5). Le grand nombre d'essais couvre une large gamme de débits, de pentes longitudinales à des nombres de Froude proche de 1, mais toujours en régime fluvial ainsi que de nombreux espacements et profondeurs de nervures. La formation de deux fosses d'érosion a pu être observée. Sans macro-rugosité, une première fosse apparaît dans la prolongation du mur de rive intérieur à l'intersection avec le mur extérieur; une deuxième fosse se forme à la sortie du virage. L'analyse des tests effectués aboutit aux conclusions suivantes: La plupart des équations d'érosions existantes sous-estime la profondeur d'érosion de manière significative pour des rivières de montagnes avec un lit grossier. Des oscillations importantes de la surface libre (ondes stationnaires) et de la profondeur d'érosion ont été observées, particulièrement au droit de la deuxième fosse d'érosion. Les deux fosses résultent de phénomènes différents. La première est due au changement de la direction principale de l'écoulement (impact sur la paroi) et du courant secondaire qui en résulte. La deuxième est essentiellement due à l'accroissement des fluctuations de vitesse derrière le banc de gravier qui se forme sur la rive intérieure du canal (§ 6). Dans le champ de vitesse en courbe, les vitesses les plus élevées se déplacent de la surface libre au centre du canal vers le mur extérieur où elles plongent vers le fond (§ 6). Dans la première fosse d'érosion, les vitesses tangentielles sont les plus importantes à proximité du fond. Un tri granulométrique important peut être observé dans le profil en travers dû à l'utilisation d'une granulométrie étendue avec des gros graviers: les gros particules s'accumulent vers la paroi extérieure et des fines sur le banc en rive intérieure. En disposant des nervures verticales sur le mur de rive extérieur, une influence marquante sur le processus d'érosion et sur l'écoulement peut être observée (§ 6). La macro-rugosité a les effets suivants: La profondeur d'érosion le long du mur de rive extérieur est réduite de manière significative et les fosses d'érosion sont considérablement atténuées. En augmentant la rugosité du mur de rive, la première fosse d'érosion se déplace vers l'aval, tandis que la deuxième reste à peu près au même endroit. Les oscillations considérables de la surface libre et de la profondeur d'érosion, observées sans les nervures, sont réduits de 50% environ et l'érosion de développe d'une manière plus douce. Le champ de vitesse subit des modifications importantes: les vitesses les plus élevées sont éloignées du mur extérieur, ce qui réduit l'érosion au pied de fondation de murs de protection. Le long du mur de rive extérieur, une cellule secondaire peut être observé près de la surface libre. Sa taille montre une corrélation significative avec la réduction d'érosion. Un espacement des nervures optimal est primordial, puisqu'une distance entre nervures non adaptée peut conduire à une augmentation de l'érosion. La capacité de transport en courbe est réduite. Dans des rivières naturelles, ce phénomène est compensé par une augmentation de la pente longitudinale. Les extrémités amont et aval du virage sont également influencées par les nervures: à l'amont, la hauteur d'eau augmente due aux pertes de charge en courbe et à l'aval on trouve de l'érosion supplémentaire à l'axe du canal. Le tri granulométrique n'est pas influencé de manière significative. Seule la taille de la surface sur laquelle les gros graviers s'accumulent augmente. Hormis ces observations, le rapport présente une nouvelle équation d'érosion empirique, basée sur des paramètres physiques, pour l'estimation de la profondeur d'érosion maximale dans des rivières de montagne avec une granulométrie étendue (§ 7). Ces paramètres sont la hauteur d'eau moyenne rapportée à la largeur du canal, un paramètre combinant la vitesse moyenne de l'écoulement au rayon hydraulique et finalement l'angle de frottement des sédiments composant le lit. La topographie du profil en travers à l'endroit de l'érosion maximale peut être approchée par la même équation. L'estimation de la réduction de l'érosion due à la présence de la macro-rugosité peut être effectuée à l'aide d'une relation dépendant de l'espacement entre les nervures, du rayon hydraulique, du nombre de Froude et de la différence entre la tension de frottement adimensionnelle effective (paramètre de Shields) et sa valeur critique (§ 7). Finalement des recommandations pour les ingénieurs praticiens (§ 8.3) sont données afin de faciliter la mise en place de nervures sur des murs de rive, comme éléments de macro-rugosité.
    Zusammenfassung
    Einfluss der Wandrauhigkeit auf Strömung und Kolke in Kurven geschiebeführender Kanäle In den engen Tälern des Alpenraumes durchqueren Fliessgewässer häufig Siedlungsgebiete. Ufernahe Infrastrukturanlagen und Gebäude entlang dieser Gebirgsflüsse sind keine Seltenheit. Wegen den engen Platzverhältnissen muss die Hochwassersicherheit der Anlieger oftmals mit Ufermauern gewährleistet werden. Diese Ufermauern sind während extremen Hochwasserereignissen durch Unterkolkung gefährdet, insbesondere wenn sie sich in einer Flusskrümmung befinden. In der Vergangenheit wurde dieser Kolkgefahr mit einer genügenden Fundationstiefe begegnet. Erste Erfahrungen bei Hochwasserschutzprojekten haben gezeigt, dass die Kolktiefen entlang gekrümmter Ufermauern sehr wirksam durch Anordnung von Makrorauhigkeitselementen vermindert und damit kostspielige Aushübe für tiefliegende Mauerfundamente vermieden werden können. Dies konnte im Rahmen von systematischen Laborversuchen bestätigt werden, die im Folgenden beschrieben werden. Ein Literaturstudium hat aufgezeigt, dass der Einfluss von senkrechten Rippen auf Kolk und Strömung noch nie systematisch untersucht wurde (§ 2). Dieses Forschungsprojekt schliesst diese Lücke indem der Kolkprozess in Abhängigkeit der grundlegenden Parameter untersucht wird. Die Studie basiert auf Experimenten in einem 90° gekrümmten Kanal mit einem Radius von 6 m bei welchen das 3D-Geschwindigkeitsfeld, die Wasserspiegellagen, die Sohlentopographie, die Sedimentcharakteristika, die Kornverteilung der Deckschicht, der Abfluss sowie die Geschieberaten gemessen wurden (§ 4 und 5). Die umfangreichen Tests decken ein weites Spektrum an Abflüssen, Gefällen bei recht hohen Froudezahlen, jedoch fliessenden Strömungsbedingungen sowie verschiedenen Rippenabständen und -tiefen ab. Ohne Makrorauhigkeit entsteht ein erstes Kolkloch in der Verlängerung der inneren Seitenwand des Einlaufs, ein zweites tritt am Bogenende auf. Die Analyse der Versuche erlaubt folgende Schlussfolgerungen: Die meisten bestehenden Kolkformeln unterschätzen die Kolktiefen in Gebirgsflüssen mit grober Kornverteilung deutlich (§ 3). Grosse Oszillationen des Wasserspiegels (stationäre Wellen) sowie der Kolktiefen wurden - speziell im zweiten Kolk - beobachtet. Die beiden Kolklöcher entstehen aufgrund verschiedener Mechanismen. Das erste wird hauptsächlich durch die Richtungsänderung der Hauptströmung und der daraus folgenden Sekundärströmung verursacht (Aufprall auf der Aussenwand), während das zweite hauptsächlich durch die zunehmenden Geschwindigkeitsschwankungen hinter der Geschiebebank an der Kanalinnenseite hervorgerufen wird (§ 6). In Fliessrichtung bewegen sich die höchsten mittleren Geschwindigkeiten von der Kanalachse Richtung Aussenwand und anschliessend gegen die Sohle hin (§ 6). Im ersten Kolkloch werden die höchsten Geschwindigkeiten in Bodennähe beobachtet. Ein markanter Sortierungsprozess aufgrund der breiten Kornverteilung lässt sich in Querrichtung beobachten. Grobe Komponenten sammeln sich an der Aussenwand im Kolkloch an, während feine Körner die innere Bank bilden. Durch Anbringen von senkrechten Rippen entlang der Kurvenaussenseite kann der Kolkprozess sowie die Strömung markant beeinflusst werden. Die Makrorauhigkeit hat folgende Auswirkungen: Die Kolktiefe entlang der Aussenwand wird stark reduziert und die ausgeprägten Kolklöcher verschwinden praktisch vollständig. Mit steigender Wandrauhigkeit bewegt sich das erste Kolkloch flussabwärts, während das zweite ungefähr an gleicher Stelle verbleibt. Die ohne Rippen beobachteten Oszillationen des Wasserspiegels und der Kolktiefe werden durch die Makrorauhigkeit in etwa halbiert und der Kolk entwickelt sich gleichmässiger. Die Strömung wird stark beeinflusst: die höchsten Geschwindigkeiten werden von der Aussenwand ferngehalten und somit der Kolk am Fuss von Schutzmauerfundationen reduziert. Entlang der Aussenwand kann an der Wasseroberfläche eine sekundäre Strömungszelle beobachtet werden. Die Grösse dieser Zelle ist proportional zur Reduktion der Kolktiefe. Ein optimaler Rippenabstand ist von grosser Bedeutung, da ein schlecht gewählter Abstand die Kolktiefe sogar vergrössern kann. Die Sedimenttransportkapazität wird durch die Rippen reduziert. In natürlichen Flüssen wird dies durch eine Zunahme des Gefälles kompensiert. Auch die beiden Enden der Kurve werden durch die Makrorauhigkeit beeinflusst: oberhalb der Kurve nimmt die Wassertiefe infolge Energieverlust in der Kurve zu und unterhalb kann eine geringe Zunahme des Kolks in Kanalmitte beobachtet werden. Der Geschiebesortierungsprozess wird durch die Rippen kaum beeinflusst. Einzig die Ausdehnung der groben Ablagerungen entlang der Aussenwand wird vergrössert. Nebst den erwähnten Beobachtungen präsentiert dieser Bericht eine empirische Kolkformel zur Abschätzung der maximalen Kolktiefe in Gebirgsflüssen mit grober Sohle und breiter Kornverteilung (§ 7), die auf physikalischen Parametern beruht. Diese sind das Verhältnis von mittlerer Abflusstiefe zu Flussbreite, eine dimensionslose Grösse, die die mittlere Geschwindigkeit mit dem hydraulischen Radius verbindet und schliesslich der Gleitreibungswinkel des Sohlenmaterials. Im maximalen Kolk kann das Querprofil der Sohle mit dieser Gleichung angenähert werden. Die durch senkrechte Rippen erzeugte Kolkreduktion kann mit einer Beziehung ermittelt werden, die vom Rippenabstand, dem hydraulischen Radius, der Froudezahl und der Differenz zwischen effektiver und kritischer dimensionsloser Sohlenschubspannung abhängig ist (§ 7). Empfehlungen für Wasserbauingenieure (§ 8.3) zur Abschätzung der durch die senkrechten Rippen erzeugte Kolkreduktion runden den Bericht ab.