Kariba Dam Plunge Pool Scour:quasi-3D Numerical Predictions

E.F.R. BOLLAERT; M.C. MUNODAWAFA; D. Z. MAZVIDZA

摘要

Kariba est un barrage-voûte à double courbure de 128 m de hauteur, situé sur le Zambèze à la frontière entre le Zambie et le Zimbabwe. Le barrage est mondialement connu pour son impressionnante fosse d'affouillement de près de 90 m de profondeur, une valeur sans précédent dans l'histoire des grands barrages.rnLe présent article décrit une étude numérique détaillée de l'évolution historique de cet affouillement ainsi que du potentiel d'affouillement futur. Basé sur les manœuvres historiques des vannes ainsi que sur de multiples campagnes bathy-métriques à disposition, des calculs numériques quasi-3D ont permis de reproduire l'évolution de l'affouillement historique du massif rocheux et d'estimer le potentiel pour les futurs 50 ans, en fonction d'hypothèses hydrologiques sur les durées de déversement des vannes.rnL'étude numérique a été effectuée à l'aide du « Comprehensive Scour Model » (Bollaert, 2004). Ce modèle est physiquement basé et permet de simuler trois processus de destruction progressive du massif rocheux : la fracturation du massif, le soulèvement dynamique de blocs ainsi formés au fond de la fosse et le déplacement/délogement quasi-statique de ces blocs le long des parois de la fosse.rnDans un premier temps, le modèle a donc été calé en utilisant les déversements historiques des vannes et les observations d'affouillement y relatives. Pour cela, les fluctuations de pressions dynamiques exercées par le jet au fond de la fosse ont été étudiées analytiquement et par essais sur modèle physique. Le barrage et sa fosse ont ainsi été modélisés à l'échelle 1/65 au Laboratoire de Constructions Hydrauliques de l'EPFL à Lausanne, Suisse. Les valeurs de pression et de vitesses d'écoulement enregistrées sur modèle physique ont été directement reprises par le modèle numérique. En utilisant un modèle théorique de jet turbulent en 2D, le modèle numérique adapte de manière automatique les valeurs mesurées à chaque progression de l'affouillement calculée au fil du temps, et ceci pour chaque vanne du barrage séparément. Cet article présente les principales hypothèses, paramètres et résultats de l'étude numérique et résume le potentiel d'affouillement résiduel dans le futur selon différentes hypothèses sur le fonctionnement des vannes du barrage. Finalement, plusieurs mesures constructives visant à minimiser cet affouillement futur de la fosse ont été testées et optimisées sur modèle numérique et sont brièvement décrites. De plus amples informations sur ces mesures constructives peuvent être trouvées dans un article complémentaire.%Kariba Dam is a 128 m high double-curvature arch dam located on the Zambezi River at the border between Zambia and Zimbabwe. The dam is known worldwide for its impressive plunge pool scour hole of almost 90 m below the tailwater level, which is an unprecedented value in dam history. This paper presents a numerical study performed to assess both past scour and future scour potential at the dam site. Based on gate opening durations and bathymetric surveys since 1960, quasi-3D time-dependent numerical scour computations have been made to assess the scour potential of the gneiss rock for the next 50 years. The computations use the Comprehensive Scour Model (CSM) [Bollaert, 2004]. This model is physics based and allows predicting rock scour evolution with time for the main rock break-up mechanisms (rock mass fracturing, rock block uplift and peeling off of rock blocks along the wall). The model has been calibrated based on past flooding and the corresponding scour observed. Dynamic pressures at the pool bottom have been analytically determined and compared with values measured on a 1/65 scaled model of the dam and its plunge pool constructed at the Laboratory of Hydraulic Constructions of the Swiss Federal Institute of Technology (LCH-EPFL). The numerical model automatically adapts these values during subsequent scour formation by applying a 2D turbulent jet diffusion model, downstream of each of the gates separately. Main assumptions and outcomes of the numerical scour study are presented. It specifically focuses on the potential for future scour as well as on the potential beneficial influence of several proposed countermeasures against further scour formation.

机译：卡里巴（Kariba）是一座128米高的双曲拱拱坝，位于赞比亚和津巴布韦之间边界的赞比西河。该水坝因其深达90m的令人印象深刻的冲刷坑而闻名世界，这是大型水坝历史上前所未有的价值。本文介绍了对该冲刷的历史演变以及其进行的详细数字研究。将来可能会冲刷。根据闸门的历史演习以及可用的多个水深运动，准3D数值计算使得能够再现岩体历史冲刷的演变并估计未来50的潜力。根据对阀门排放时间的水文假设。rn数值研究是使用“综合冲刷模型”（Bollaert，2004）进行的。该模型是基于物理的，可以模拟岩体逐渐破坏的三个过程：岩体的破裂，因此在井底形成的砌块的动态提升以及这些砌块沿墙的准静态位移/移动。首先，使用历史阀门泄漏和相关的冲刷观测值对模型进行校准。为此，通过分析和物理模型测试研究了喷流在矿坑底部产生的动压力波动。因此，在瑞士洛桑的EPFL水工建筑实验室以1/65的比例对大坝及其坑进行了建模。数值模型直接记录了物理模型上记录的压力和流速值。使用理论的2D湍流射流模型，数字模型会自动将测量值调整为随时间计算出的每个冲刷进度，并分别针对大坝的每个阀门进行调整。本文介绍了数值研究的主要假设，参数和结果，并根据对大坝阀门功能的不同假设，总结了未来残余冲刷的可能性。最后，在数字模型上测试并优化了一些旨在最大程度地减少将来对矿坑冲刷的建设性措施，并进行了简要介绍。有关这些建设性措施的更多信息，请参见其他文章。％Kariba大坝是一座128 m高的双曲拱坝，位于赞比亚和津巴布韦之间的赞比西河上。该水坝因其令人印象深刻的跳水冲刷孔而位于尾水水位以下90 m而闻名世界，这在水坝历史上是史无前例的。本文提出了一项数值研究，以评估坝址过去和未来的冲刷潜力。基于1960年以来的开门时间和测深调查，已经进行了准3D时间相关的数值冲刷计算，以评估未来50年片麻岩的冲刷潜力。计算使用综合冲刷模型（CSM）[Bollaert，2004]。该模型基于物理原理，可以预测主要碎石机制（岩体压裂，岩块隆起和沿岩壁剥落）随时间的岩屑演化。该模型已根据过去的洪水和观测到的冲刷进行了校准。池底的动压已被分析确定，并与在瑞士联邦技术学院水力建筑实验室（LCH-EPFL）建造的大坝及其倾泻池的1/65比例模型上测量的值进行比较。数值模型通过在每个闸门的下游分别应用二维湍流射流扩散模型，在随后的冲刷形成过程中自动调整这些值。介绍了数字冲刷研究的主要假设和结果。它特别关注未来冲刷的可能性以及针对进一步冲刷形成的几种拟议对策的潜在有益影响。

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