Steady flow regime for free overfall spillways. Influence of the ascending branch of the spillway crest

摘要

Cet article étudie l'influence du quadrant amont de la section de crête d'un déversoir, sur les caractéristiques de l'écoulement ; le déversoir est conçu avec la même géométrie que le profil inférieur d'un écoulement libre au-dessus d'un seuil abrupt. Les différences géométriques du quadrant amont par rapport aux critères de conception standard proposés par le "Bureau of Réclamation" des États-Unis, conduisent à des variations dans l'efficacité de l'écoulement de décharge et sur les hauteurs de surface libre amont, i.e. sur le niveau libre du réservoir. En partant d'une description analytique du problème de déversoir, des équations sont établies, permettant l'identification de trois régimes de fonctionnement de celui-ci : profond, intermédiaire ou peu profond ; le premier étant le plus courant pour de nombreux déversoirs de barrages. Des expériences sur le profil de crête d'un déversoir en régime de fonctionnement profond ont été entreprises, pour tester une séquence évolutive de quadrants amont choisis parmi des formes géométriques simples, incluant le profil de conception standard. Comme résultat, on propose un nouveau quadrant amont se composant d'un chanfrein de pente 1:1, vu que la performance hydraulique est pratiquement la même ou légèrement meilleure que celle du profil standard de crête. Un programme expérimental a également été effectué afin de déterminer des limites de sûreté concernant des pressions négatives sur la surface du déversoir.%This paper presents a study on the influence of the upstream quadrant of the spillway crest section, designed with equal geometry as that of the lower surface profile of a free flow over a sharp crested weir, on the discharge characteristics of a free overfall spillway. Geometrical deviations of the upstream quadrant from the standard design criteria as proposed by the U.S. Bureau of Reclamation, lead to variations in the flow discharge efficiency and on the upstream free surface elevations, i.e. on the reservoir free surface level. Starting with an analytical description of the weir problem, governing equations are derived, yielding the identification of three weir operation regimes, say, deep, intermediate or shallow weir; the first of them is the condition standing for many dam spillways. Experiments on the spillway crest profile under deep-weir operation conditions have been conducted, testing an evolution sequence of upstream quadrants ranging among simple geometrical shapes, with the standard design profile as one of them. As a result, a new upstream quadrant consisting of a 1:1 slope chamfer is proposed, since the hydraulic performance is found to be equal to or slightly better than the standard crest profile. An experimental program has also been carried out in order to determine safety limits regarding negative pressures on the spillway surface.