Protection of river embankments downstream of low-level river crossings using stepped chute energy dissipation structures

Cloete, Pierre Lourens (2019-04)

Thesis (MEng)--Stellenbosch University, 2019.

Thesis

ENGLISH ABSTRACT: Low-level river crossings (LLRCs) have been used as an economic means of access for lower order roads. LLRCs typically provide openings underneath the prepared surface to allow for passing flow but additionally allow for overtopping flow. However, when the LLRC overflows, the portion of flow on the approach roads tends to accelerate and discharges on the embankment directly downstream of it. This causes erosion of the downstream embankment, exposing the approach road foundations and damaging the structure. Following such a case where ten LLRCs in the Eastern Cape sustained tremendous damage, the use of a stepped chute energy dissipator (rather than the traditional means of erosion protection with riprap) was considered to protect the downstream embankments. No formal design guidelines for the use of a stepped chute energy dissipator downstream of a LLRC were available. A 1:15 scale hydraulic model of an LLRC with a stepped chute energy dissipator was designed and constructed at the Hydraulic Laboratory of Stellenbosch University to verify anticipated hydraulic operation and to identify unforeseen potential phenomena. Two model configurations were considered. The first configuration included a chute sidewall to contain approach road overflow on the stepped chute. Flow from the road formed a nappe that impinged on the chute steps and formed a hydraulic jump on each step. Flow was then diverted down the chute, and steps in the direction of the chute further dissipated energy while returning the flow to the main channel. The second model configuration omitted the chute sidewall and discharged approach road overflow onto riprap, placed directly downstream of the chute. Flow from the approach road formed a nappe that impinged on the chute steps. The formation of hydraulic jumps on each step was, however, not as effective as with the first model configuration and instances of supercritical discharge onto the riprap were noted. Pressures of the nappe cavity (forming from the approach road onto the chute steps) were found to be sub atmospheric. However, the magnitude of the sub-atmospheric conditions (less than 1 m below atmosphere) was not enough to cause a collapsed/clinging nappe and was also found to be within the cavitation threshold (7 m below atmosphere). Ventilation of the nappe due to negative pressure indicated that an increase in overflow discharge caused an increase in the air requirement. The addition of air vents however, did not have a marked effect on the nappe pressure or the flow profiles on the stepped chute in either one of the model configurations. The use of a stepped chute energy dissipator to prevent erosion of downstream LLRC embankments is a viable option, particularly in cases where large rock for riprap revetments are not available. The first model configuration (stepped chute with sidewall) is a more favourable option as the approach road overflow is contained on the stepped chute and diverted back to the main channel in a controlled manner. A regression analysis was performed on the model variables of model setup 1 and the relationships can be used to determine the width, height and length of the chute steps.

AFRIKAANSE OPSOMMING: Laagwaterbrûe is ‘n ekonomies haalbare manier om toegang te verseker vir laer orde paaie. Laagwaterbrûe het normaalweg openinge vir deurstroming onderdeur die padvlak, maar word ook ontwerp om vloei bo-oor die padvlak toe te laat. Wanneer oorstroming van ‘n laagwater-brug plaasvind, is die vloei oor die aankomspaaie geneig om te versnel en op die grondwalle stroomaf van die brug te val. Dit veroorsaak verspoeling van die grondwalle wat die brug se fondament ontbloot en skade aan die struktuur veroorsaak. Tien sulke gevalle is in die Oos-Kaap aangemeld waar groot skade aan die laagwaterbrûe veroorsaak was. Die gebruik van trap-geleidingstrukture (Engl.: stepped chute) is voorgestel in plaas van die normale erosie-bekampingsmetode van stortklip beskermingsmatrasse. Daar was geen formele ontwerpsriglyne beskikbaar vir die ontwerp van so ‘n trap-geleidingstruktuur nie. ‘n Een tot 15 geskaalde hidrouliese model van ‘n trap-geleidingstruktuur is ontwerp en gebou in die Hidrouliese Laboratorium van die Universiteit van Stellenbosch, met die doel om hidrouliese verskynsels te bevestig en te identifiseer. Twee modelle is oorweeg tydens die studie. Die eerste modelsamestelling het ‘n kantmuur ingesluit wat pad-oorloop-water vanaf die brug padvlak op die trap-geleidingstruktuur behou het. Vloei vanaf die padvlak het ‘n uitloopstraalprofiel gevorm wat op die trappe geval het en daarna ‘n hidrouliese sprong op elke trap gevorm het. Die vloei is toe gelei met behulp van die kantmuur in die rigting van die verstappings waar nog energie-dissipasie plaasgevind het en het uiteindelik weer aangesluit by die hoofstroom. Die tweede modelsamestelling het die kantmuur uitgesluit, maar het ‘n stortklip beskermingsmatras, stroom-af van die trap geleidingstruktuur, ingesluit. Vloei vanaf die padvlak het weereens ‘n uitloopstraalprofiel gevorm waarna dit op die trappe geval en ‘n hidrouliese sprong op elke trap gevorm het. Vloei na die hidrouliese sprong het eenvoudig net voortgegaan om oor die kant van die trap-geleidingstruktuur te vloei en uiteindelik op die stortklip beskermingsmatras te val. Die afwesigheid van die kantmuur het veroorsaak dat die hidrouliese spronge nie so prominent gevorm het soos in die eerste modelsamestelling nie en het laer vlakke van energie-dissipasie tot gevolg gehad. Daar was ook waargeneem dat die vloei vanaf die trappe tot op die stortklip beskermingsmatras superkrities was. Sub-atmosferiese drukke in die uitloopstraalprofiel holte (wat gevorm het vanaf die aankomspad tot op die trappe) is waargeneem, maar die grootte van die drukke was nie genoeg om die uitloopstraalprofiel te laat inval en aan die brug vas te laat klou nie. Daar was ook bevind dat die sub-atmosferiese drukke binne die kavitasie drumpel van 7 m sub-atmosferies was. Toelating vir belugting van die uitloopstraalprofiel holte, as gevolg van die negatiewe drukke, het aangedui dat ‘n toename in oorloop vanaf die padvlak, ‘n toename in die belugtings-behoefte gehad het. Die byvoeging van belugtings-pype het wel geen noemenswaardige verskil gemaak in die drukke van beide modelle nie. Die gebruik van ‘n trap-geleidingstruktuur om verspoeling van die grondwalle stroomaf van ‘n laagwaterbrug te voorkom blyk ‘n haalbare alternatief te wees, veral wanneer groot genoeg rotse vir ‘n stortklip beskermingsmatras nie beskikbaar is nie. Die eerste model-samestelling (met die kantmuur ingesluit) was meer gunstig omdat die pad-oorloop-water tot die trap-geleidingstruktuur beperk is en onder beheerde toestande terug na die hoofstroom gelei was. ‘n Regressie analise is ook uitgevoer met die eerste model samestelling se ontwerpveranderlikes. Die formules wat afgelei is, kan gebruik word om die traphoogte, lengte en wydte van die geleidingstruktuur te bepaal.

Please refer to this item in SUNScholar by using the following persistent URL: http://hdl.handle.net/10019.1/105799
This item appears in the following collections: