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)

The influence of pool geometry and induced flow patterns in rock scour by high-velocity plunging jets

Almeida Manso, Pedro Filipe de ; Schleiss, Anton (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2006 ; no 3430.

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    Summary
    The dissipation of energy of flood discharges from water releasing structures of dams is often done by plunging jets diffusing in water and impacting on the riverbed downstream. The construction of expensive concrete structures for energy dissipation can be avoided but the assessment of the scour evolution is mandatory for dam safety. The scour growth rate and shape depend on the riverbed geology. The geometry of scour may influence the turbulent flow pattern in the pool, the dynamic loadings acting on the rock interface, and the pressures propagating inside rock joints. Up to present, dynamic impact pressures at the pool bottom have been investigated mainly in pools with flat bottom and are therefore described as function of the pool depth and the characteristics of the jets only. To approach the conditions found in practice, non-flat plunge pools and turbulent two-phase jets are investigated in this research work. This fundamental investigation focuses on the interaction between the development of plunging jets in the water and the geometry of the plunge pool. The influence of laterally confining jet diffusion is investigated by means of experimental work in near prototype conditions, in terms of jet velocities and air entrainment in the pool. Different pool geometries typical of prototype conditions are tested and compared with a reference pool with flat bottom. Pressure measurements at the jet outlet, at the pool bottom and inside a closed-end fissure are presented. The main emphasis of the text is on the analysis and the description of physical processes. The integration of the findings in existing scour estimation models is discussed. The thickening of the water cushion downstream, artificially or by scour, is investigated for fully controlled jet issuance conditions. The dissipation of jet energy is estimated based on measurements of mean impact pressures and is compared with results from an analytical model. The developed model features jet diffusion in limited-depth pools and is tentatively applied to turbulent two-phase jets. Agreement is good in the early stages of scour and in deep flat pools. For pool depths about the jet core development length (i.e. transitional pools), analytical estimates are quite sensitive to the initial assumptions on the centreline velocity decay, dimensions of the impinging zone and pool aeration. The findings highlight the limitations of existing empirical laws in representing the diffusion of turbulent two-phase jets in pools with flat bottom. Turbulent impact pressures are also investigated for increasing pool depths. Based on an evaluation of high-order statistical moments and autocorrelation functions of pressure fluctuations at stagnation, jet development conditions at impact are distinguished in core and developed impact conditions. Core impact conditions are typical of shallow pools and generate negatively asymmetric distributions at stagnation. The end of core development is associated with highly intermittent flow conditions, with important pressure fluctuations (high kurtosis). For developed impact conditions, pressure fluctuations at stagnation are positively asymmetric. A Gaussian distribution fits satisfactorily the data, save for extreme high and low (cumulated) probabilities. Air-water measurements are carried out at selected points in pools with at bottom. They allow describing the behaviour of air bubbles before, at, and aside stagnation. Void fraction estimates close to the entry of rock fissures show that air bubbles reduce in size under the influence of the high-pressure gradient at stagnation. The characteristic dimensions of the air bubbles close to the bottom are small compared to typical entry dimensions of rock fissures. The investigations conducted in pools with flat bottom are used as a reference scenario in the investigation of plunge pools with more realistic geometries. The experimental results show that mean impact pressures at the pool bottom are lower in laterally confined pools than in equivalent pools with flat bottom. The length of core development can be reduced, depending on the degree of confinement and pool depth. Enhanced pool turbulence is described by power spectra density and probabilistic distribution functions of impact pressures. It is concluded that the flow currents created by deflection of the jet on the lateral boundaries of the pool may interfere with the development of the jet, generate additional dissipation in the water column and hinder the propagation in depth of air bubbles in the pool. For shallow and transitional laterally confined pools, pressure fluctuations may have more energy than in corresponding pools with flat bottom. Power spectra of pressure fluctuations have higher energy content in the intermediate frequency range (e.g. 10 a 100 Hz). Extreme positive pressures increase. In terms of scour, there is a trade-off relatively to flat pools: there is hardly core impact and persistent hydro-fracturing (because mean impact pressures are lower), but fracturing may occur if high low-persistence pressure peaks are generated inside rock fissures (by transients due to enhanced impact pressure fluctuations). For deep laterally confined pools, the energy of pressure fluctuations is lower than in pools with flat bottom. Extreme positive pressures are similar, but increase in relative terms to the total energy of pressure fluctuations. Negative extreme pressures are lower. The most relevant flow features in laterally confined pools are identified using direct observations of flow patterns and in-depth analysis of the characteristics of turbulent pressures at impact. Large-scale pool flow features like surface oscillations, shear eddies and air-water ejections are described. The evolution of geometry-induced flow patterns and dynamic loading with scour development, for variable width of confinement and pool depth, are presented for four typical scour scenarios. The role of the deflected upward currents and shear eddies in the dissipation process depends on the degree of confinement, jet velocity and pool depth. The closer they are to the plunging jet, the higher is the dissipation of energy before impact. Recirculation currents may enhance jet development by either pushing upward currents into the jet. The dynamic pressure measurements performed inside closed-end fissures allow concluding that the dynamic response of rock fissures varies with the turbulent character of impact pressures at the rock interface. It is shown that the dimensions of the entry of the fissure play an important role in filtering turbulent pressure fluctuations in the transition from the pool into the fissure: the larger the dimensions, the lower are the frequencies filtered out. It is observed that the energy of pressure fluctuations inside the fissure is always higher than at the entry, for all pool configurations tested. The energy of pressure fluctuations inside rock fissures is lower in narrow confined pools for transition and deep pools, but higher in shallow pools, compared with equivalent pools with flat bottom. This is also valid for positive extreme pressures. Negative extreme pressures are generally lower. Amplification of pressure peaks is observed inside a closed-end fissure for both shallow and deep pools; it depends of the degree of jet development, i.e. of relative pool depth, pool geometry and jet turbulent characteristics (and, indirectly, of the amount of entrained air reaching the bottom of the pool). Therefore, transient pressure peaks generated inside fissures are a potential agent of scour in laterally confined pools, from shallow to deep. Amplification occurs due to the development of transient flows inside the fissure, that may include column separation. The occurrence of resonance inside fissures is investigated numerically. Multiple resonant harmonics are replicated solving numerically the waterhammer equations inside the fissure with the hydraulic impedance method. A probabilistic-based event analysis is developed to correlate the probability, persistence, duration and energy content of extreme pressure pulses. It is shown that pulses with high extreme (cumulated) probabilities have low persistence and high energy content. The concept of relevant probability is outlined, allowing for the selection of pressure events that should effectively be considered for the propagation of rock fissures or for the dynamic uplift of rock blocks. The role of extreme pressure events in the scouring processes of crack propagation and block displacement is discussed. In conclusion, the experimental investigation of jet diffusion in pools with flat bottom and laterally confined pools shows the importance of pool flow patterns in the definition of impact pressures and transient pressures inside rock fissures. It provides detailed information on hydrodynamic processes involved in rock scour, as well as several contributions to engineering practice, in terms of jet issuance conditions, empirical relationships for impact pressures and recommendations for the design of pre-excavated pools.
    Résumé
    Dans le cadre du dimensionnement d'évacuateurs de crue par jets plongeants, il est courant d'assurer la dissipation de l'énergie liée à la chute par un impact non protégé sur le massif rocheux de la rivière en aval. Cette solution économique permet en effet d'éviter la construction d'ouvrages de dissipation d'énergie en béton armé. Il est nécéssaire d'estimer le plus précisément possible l'étendue de la fosse d'érosion pendant la durée de vie de l'ouvrage, afin d'assurer la sécurité du barrage, des ouvrages annexes et des versants de la vallée. Le taux d'affouillement ainsi que la forme de la fosse dépendent de la géologie du lit de la rivière. En l'état actuel, la description des pressions dynamiques n'a été effectuée que pour des fosses à fond plat, en fonction de la profondeur de la fosse et des caractéristiques turbulentes du jet. Afin d'approcher les conditions trouvés en pratique, des fosses d'érosion non-plates ainsi que des jets biphasiques turbulents sont étudiés dans cette recherche. Ce travail porte d'abord sur l'analyse expérimentale du comportement de jets plongeants ayant un champ de vitesses et un processus d'entraînement d'air de conditions quasi-prototype. L'effet d'un confinement latéral de la diffusion du jet dans la fosse d'érosion sur les sollicitations transmises au rocher est mis en évidence. Différentes configurations types de fosses d'érosion sont testées et comparées avec la fosse à fond plat. Les pressions dynamiques sont mesurées à l'intérieur du jet lui-même, au fond de la fosse ainsi qu'à l'intérieur de fissures unifilaires à bout fermé. Ces mesures sont utilisés pour analyser le comportement turbulent de l'écoulement dans la fosse et des régimes transitoires dans les fissures du rocher. Le texte se focalise sur l'analyse et description de processus physiques. L'intégration des résultats dans des modèles existantes pour l'estimation de la profondeur d'affouillement est discutée. L'épaississement du matelas d'eau en aval, artificiellement ou par affouillement, est étudié avec des jets produits en conditions contrôlés. La dissipation de l'énergie de jets dans des fosses d'affouillement est estimée à partir de mesures de pressions moyennes au fond de la fosse, à la zone d'impact. Les résultats expérimentaux sont comparés avec des valeurs obtenues avec un modèle analytique pour la diffusion de jets turbulents biphasiques en bassins à fond plat. Ce dernier fournit des résultats satisfaisants dans le cas de bassins profonds à fond plat ainsi qu'en phase initiale du processus érosif. Pour des profondeurs correspondant à la longueur de développement du jet (situation de transition), le modèle analytique est très sensible aux conditions initiales. Ces dernières portent sur les hypothèses liées à la décroissance de la vitesse à l'axe du jet, aux dimensions de la zone de stagnation et enfin à l'entraînement d'air dans la fosse. Les résultats montrent les limitations des lois empiriques existantes dans la description de la diffusion de jets turbulents biphasiques dans les bassins à fond plat. Les pressions turbulentes à l'impact du jet au fond de fosses à fond plat sont aussi analysés pour plusieurs profondeurs d'eau, à la zone de stagnation. Les conditions d'impact sont caractérisées en fonction de l'évaluation des moments statistique de troisième et quatrième ordre ainsi que des autocorrelations des fluctuations de pression. L'impact en "noyau du jet" est typique de bassins peu profonds et produit des fluctuations de pression d'asymétrie négative. La fin du développement du jet correspond à un caractère intermittent du jet signalé par une augmentation du kurtosis. L'impact d'un "jet développé" produit des fluctuations de pression d'asymétrie positive. Une distribution gaussienne permet un ajustement satisfaisant des pressions dynamiques, à l'exception des valeurs extrêmes de probabilité (cumulé) très haute ou très basse. Des mesures des concentrations en air de l'écoulement sont effectuées en trois points singuliers de fosses à fond plat et de profondeur variable. Les mesures permettent de décrire le comportement des bulles d'air à l'entrée, au milieu et à côté de la zone de stagnation. Les mesures du contenu en air au voisinage de l'entrée des fissures montrent une réduction des dimensions des bulles d'air sous l'effet du fort gradient de pression de stagnation. Les bulles d'air proche du fond sont petites par rapport aux dimensions caractéristiques des fissures du massif rocheux. Les investigations menées sur des fosses à fond plat servent de référence pour l'étude de fosses confinées latéralement (i.e. non plates). Les résultats expérimentaux montrent que pour les dernières, les pressions moyennes à l'impact sont plus faibles que celles mesurées dans les fosses à fond plat. D'autre part, la longueur de développement du noyau du jet peut être réduite, selon le degré de confinement latéral et la profondeur de diffusion. En effet, les courants créés par la déviation du jet plongeant par les parois latérales du confinement peuvent interférer dans le développement du jet; de la dissipation additionnelle sera générée et la pénétration de bulles d'air en profondeur sera rendue plus difficile. Dans les bassins confinés latéralement à faible profondeur ou de transition, les fluctuations de pression peuvent contenir plus d'énergie que dans le cas de bassins plats de profondeur similaire. Les fonctions de densité spectrale révèlent un surplus d'énergie dans la plage de fréquences intermédiaires (e.g. 10 a 100 Hz). L'amplitude des pressions extrêmes positives augmente. Du point de vue de l'affouillement il y des avantages et des inconvénients par rapport aux fosses à fond plat: la gamme de conditions qui produisent l'impact "du noyau" et la rupture de la roche par hydro-fracturing persistent est très limité (car les pressions moyennes à l'impact sont plus faibles), mais la rupture peut être effectuée par des pics de pressions de courte durée générés par des régimes transitoires à l'intérieur de fissures de la roche (dus à l'augmentation du comportement turbulent en surface). Par contre, à plus grande profondeur, l'énergie des fluctuations de pression est plus basse dans les bassins confinés latéralement que dans les bassins à fond plat. Les valeurs extrêmes de pressions positives n'augmentent pas en termes absolus, mais en termes relatifs par rapport à l'énergie totale des fluctuations de pression. Les valeurs extrêmes négatives sont plus basses qu'en bassin à fond plat, indépendamment de la profondeur. Les principales particularités de l'écoulement dans des fosses confinées latéralement, tels que oscillations du plan d'eau, éjections et structures tourbillonnaires sont identifiés sur la base d'observations directes de l'écoulement et des caractéristiques des pressions dynamiques à l'interface eau-rocher. L'évolution de la structure de l'écoulement et des sollicitations dynamiques à l'interface eau-rocher est analysée en fonction de l'évolution de l'affouillement, du degré de confinement latéral et de la profondeur de diffusion, pour quatre scénarios types d'affouillement. Le rôle des courants ascendants et des structures tourbillonnaires sont commentés en regard de leur participation au processus dissipative, selon le degré de confinement, la vitesse du jet et la profondeur de la fosse. Le plus proches elles sont du jet, le plus de dissipation sera produite dans la colonne d'eau avant l'impact. Les courants de re-circulation peuvent aussi contribuer au développement du jet en forçant les courants ascendants vers le jet lui-même. Les mesures de pression effectuées à l'intérieur de fissures montrent que les régimes transitoires de l'écoulement dans les fissures du rocher varient selon les caractéristiques turbulentes des pressions dynamiques à l'impact. L'importance des dimensions de l'entrée de la fissure pour le transfert de pressions est mis en évidence : les plus larges sont les dimensions de la fissure, les plus basses sont les fréquences filtrées. L'énergie des fluctuations de pression mesurées à l'intérieur de la fissure est supérieure à celle mesurée à l'entrée dans chaque cas étudié. Pour les grandes profondeurs ou les profondeurs de transition, les fluctuations de pression dans les fissures sont plus basses dans les bassins latéralement confinés. Pour les faibles profondeurs de diffusion, ces fluctuations sont plus basses dans les bassins à fond plat. L'amplification des pics de pression à l'intérieur des fissures à bout fermé est observée dans le cas de faible profondeurs, ainsi que de grandes profondeurs, dans des bassins confinés latéralement. L'amplification dépend du degré de développement du jet, i.e. de la profondeur de diffusion, de la géométrie de la fosse et des caractéristiques turbulentes du jet (et, indirectement, de la quantité d'air proche du fond). De ce fait, des pics de pression générés par régimes transitoires à l'intérieur de fissures sont un agent potentiel de l'affouillement de fosses latéralement confinées. La rupture de la veine liquide à l'intérieur des fissures est documentée. La mise en résonnance de la fissure est simulée numériquement et comparée avec les mesures de pression. Les oscillations harmoniques sont reproduites par la résolution des équation du coup de bélier à l'intérieur de la fissure par la méthode d'impédance hydraulique. Une méthode d'analyse temporelle des pressions dynamiques est developé. Elle permet de corréler la probabilité d'apparition d'événements de pressions avec leur persistance, durée et contenu énergétique. Son application à plusieurs séries de données expérimentaux montrent que la persistance des événements décroît considérablement pour des événements rares, ayant un contenu énergétique important. Ceci permet la définition d'une probabilité seuil pour la sélection des événements importants pour chaque processus physique. La participation des événements de pression extrêmes aux processus de propagation des fissures et de soulèvement de blocs est analysée. En conclusion, ce travail expérimental démontre l'importance fondamentale de la description de la structure de l'écoulement dans la fosse d'érosion pour l'estimation des sollicitations dynamiques à l'impact et à l'intérieur des fissures du massif rocheux. Elle propose une documentation détaillée de processus hydrodynamiques existants lors de l'affouillement de lits de rivière rocheux par des impacts de jets, ainsi que plusieurs contributions pour la pratique en termes des conditions de sortie du jet, équations empiriques pour les pressions dynamiques à l'impact et recommandations pour le dimensionnement de pré-excavations.