My presentation at the Ephastat Meeting, held in Bologna on March 31st 2017, titled "Extreme values estimation under change: the never-ending dilemma (or sophism?) between stationarity and non-stationarity" is available for download at the link below. The file size is about 50mb.

The course on Costal Engineering is included in the study plan of the master degree program in Civil Engineering (curriculum Off-shore Engineering) at the University of Bologna.

Pumping station for irrigation in the Emilia-Romagna Region (Italy)

The course on Sustainable Design of Water Resources System is included in the study plan of the master degree programs in Civil Engineering (curriculum Infrastructure Design in River Basins) and Earth Resources Engineering at the University of Bologna.

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Design of river barrages

By UncivilFire (Own work) [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) or CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], via Wikimedia Commons
1. Introduction

We discuss here the hydraulic design of river barrages for water withdrawal. These infrastructures are frequently designed to serve small hydropower plants or water supply systems. According to the Italian regulation, retention structures over rivers are classified according to the following categories:

  • Concrete or stone masonry dams;
  • Earth dams;
  • Other types of dams;
  • River barrages.

A river barrage is a low-head diversion dam that is built to allow diversion of a part of the water flow. The barrage determines a little increase of the upstream water profile and a little upstream reservoir. The purpose of the barrage is essentially to stabilize the upstream water level and the river profile in order to ensure a long technical life to the diversion facilities. We can often see in mountain river small barrages that are not finalized to water withdrawal but just to bed profile stabilization. These structures are called check dams while the term "barrage" usually identifies structures finalized to water diversion. Barrages are not finalized to regulate the river flows. When regulation is planned, it extends at most at the daily time scale, while dams are intended for annual and interannual regulation.

In Italy dams are defined as structures that are either more than 15 meters high, where the height is measured from the foot of the foundations to uppermost part of the structure that can be surmounted by water, or originating an upstream storage of more than 1.000.000 m3, where storage is measured from the highest regulation level e the lowest intersection between the dam and the undisturbed river bed. These infrastructures must be built according to strict procedures and are monitored by National bodies. Therefore, when designing barrages one usually takes care of not exceeding the above limits.

Design of barrages depends on several factors that depend on the behaviours of the river bed, the geology of the surrounding area, the presence of mechanical regulation, the bed load, the presence of floating material during floods, the fish population and the river ecosystem in general. Usually barrages are straight structure that are displaced perpendicularly to the main flow direction, but is some cases that can be displaced at an angle, in order to build a longer structure therefore lowering the water depth over the barrage.

Barrages are usually classified into the following categories:

  • Regulated barrages, which are equipped with machineries like gates or regulated sluiceways to keep the upstream water level stable;
  • Unregulated barrages, when regulation of the upstream water level is not possible;
  • Temporary barrages.

Figure 1 shows a satellite view of the regulated barrage Ybbs-Persenbeug on the Danube River. One can easily identify the gates in the central part and the navigation locks in the proximity of the river embankments.

Figure 1. Aereal view of the regulated barrage Ybbs-Persenbeug on the Danube River. Water flows from the left to the right. One can identify the upstream port, the navigation locks, the hydropower facilities, the gates and the "Porte Vinciane", namely, lock gates.

We will consider here the design of unregulated barrages, which are also called "fixed barrages".

2. Water diversion by means of unregulated barrages

River barrages are often used to serve run-of-the-river hydropower plants, which operate without regulation of the river flow (or with little regulation along the single day). They are often built in mountain rivers and therefore they need to be designed with particular care to minimise their impact on the ecosystem and to minimise the related risks. In fact, these structures may increase flood risk and may induce instabilities along the hillslopes. We will discuss the hydraulic design only and therefore will not consider issues related to the structural design.

The forst problem that one needs to solve is the estimation of the design flow. One needs to evaluate the water demands, by considering the water system that is going to be fed by the diverted flow. If the design flow is conditioned by water availability, rather than water demand, as it often occurs, the design flow is estimated by looking at the flow duration curve.

2.1. Estimation of design flow through the flow duration curve

We already know that estimating water resources availability is a complicated problem. Hitherto we discussed the estimation of the flow duration curve by using observations and rainfall-runoff modelling. We will discuss here an additional quick method to be used when observations are not available, which makes use of the concept of hydrologic similarity. The procedure is based on the assumption that the hydrological regime in the river cross section of interest is similar to that of a gauged section for which a flow duration curve is available. Then the flow duration curve (FDC) of interest is obtained by rescaling the FDC of the gauged location through the relationship Aug/Ag, where Aug and Ag are the catchment areas at ungauged and gauged locations, respectively.

Another opportunity to estimate the FDC for ungauged locations is to make use of regional approaches. The method requires the preliminary estimation of a so-called "homogeneous region" where we assume that the FDC in every river cross section is given by a parametric equation. Then, the related parameters are estimated for all the gauged sections in the homogenous region and regression relationships are identified to estimate them depending appropriate hydrological, morphological and climatic behaviours of the contributing catchment. Such behaviours are selected basing also on their easy availability for all the catchments into the homogeneous region. The procedure is subsequently validated by reproducing the FDC for the gauged sections by using a leave-one-out procedure. Namely, the gauged locations are one-by-one treated as if they were ungauged. An example of application is given by the scientific paper that is available here.

2.1.3. Estimation of the design flow

We already discussed empirical criteria to estimate the design flow from the flow duration curve- For small hydropower plants a first estimate can be quickly obtained by taking the flow with duration ranging from 30 to 60 days. In the executive design the maximum diverted flow (the design flow) is to be determined through a cost-benefit analysis, by also considering the social impact and the environmental impact of the plant.

Once the design flow is estimated, one can compute the average withdrawn flow Qmp and the following indexes:

  • Water withdrawal index Ic=Qp/Qm, where Qm is the average river flow in the undisturbed situation
  • Water use index Iu=Qmp/Qm.
2.2. Structure of unregulated river barrages

Figure 6 presents the typical structure of a unregulated river barrage. We can identify the following features:

  • Main spillway: it is the spillway that release the excess water flow with respect to the environmental flow and the diverted flow. The main spillway may be lowered in its central part to keep the main flow far from the hillslopes. If there is a lower section of the main spillway, which in Italian is called "gaveta", it is connected to the upper parts of the spillway through the so-called "wings", which have a slope of 100% (45°).
  • Environmental flow spillway (called "callone in Italian): it is the spillway located at the lowest level, which releases the environmental flow. It is located at the lowest level to make sure that the environmental flow is the highest priority release from the barrage. It is usually 40-50 cm wide and local laws may impose that is not equipped with gates, to avoid interruption of the environmental flow.
  • Withdrawal spillway: it is the spillway releasing the diverted flow. It is usually equipped with gates to ensure cleaning and maintenance of the infrastructure. Figure 5 shows a case of diversion through a lateral spillway, but in some cases it can be located at one side of the main spillway. Small diversions may be obtained by placing a grid in the body of the main spillway.
  • Gravel trap and sand trap: they are displaced in line to allow the settlement of gravel and sand that are floated by the diverted flow. They are equipped with a overflow spillway and and a flushing sluiceway to allow cleaning and maintenance. The sand trap may be divided into two longitudinal channels in order to allow selective cleaning to ensure continuous functioning of the infrastructure.
  • Upstream tank: the upstream tank may be needed if water is conveyed downstream with a pipe. Infact, to avoid the entrance of air into the pipe the upstream tank is designed to keep the water level sufficiently higher than the pipe in any working conditions.
  • Protections of downstream erosion: boulders can be placed downstream the barrage to make sure that the river bed is not eroded by the high energy flow from the main spillway. In alternative dissipative tanks can be used, or check dams.

The structure of the barrage includes the longitudinal walls, the foundations and any other structure that may be needed to ensure stability to the barrage.

Figure 6. Sketch of a typical unregulated river barrage

2.3. Posizionamento altrimetrico delle soglie di sfioro

La posizione altimetrica della traversa deve essere valutata in funzione degli elementi e considerazioni che seguono:

  • A monte della traversa deve essere originato un rigurgito in grado di creare un piccolo invaso con funzioni di compenso giornaliero; il volume invasato deve essere contenuto e in nessun caso superiore a 1.000.000 m3, onde non configurarsi quale diga.
  • La traversa non deve superare l'altezza di 15 metri, misurati dalla base della fondazione alla soglia di sfioro più elevata, onde non configurarsi quale diga.
  • Il profilo di rigurgito originato a monte deve essere tale da non creare situazioni di maggiore rischio idraulico. Detta valutazione deve essere effettuata tracciando il profilo del pelo libero, incondizioni di moto vario, corrispondente ad un adeguato idrogramma di progetto (questi temi verranno trattati in altre lezioni del corso).
  • Il posizionamento della traversa non deve originare fenomeni di instabilità dell'alveo e dei versanti. Deve quindi essere effettuata una accurata valutazione della geologia dei versanti.
  • Deve essere valutata con attenzione la capacità di trasporto solido della corrente onde evitare il rapido sovralluvionamento della traversa. Devono essere considerate le incertezze nella valutazione del trasporto solido e devono essere previste modalità di effettuazione di operazioni di pulizia.

Le valutazioni di cui sopra consentono di identificare la quota ottimale della soglia principale della traversa. Rispetto a detta quota, la soglia di prelievo ed il callone devono essere posizionati a quota inferiore, in modo da dare precedenza ai relativi deflussi rispetto al deflusso dalla soglia principale che, come abbiamo innanzi menzionato, è concepita per smaltire con efficienza e sicurezza la portata fluviale in eccesso rispetto al deflusso minimo vitale ed alla portata idrica prelevata.

Il dislivello fra soglia principale e soglia di prelievo viene calcolato ipotizzando che il deflusso attraverso la soglia di prelievo della portata idrica Qp, ovvero la portata di progetto dell'opera di presa, avvenga in accordo alla formula che esprime il deflusso attraverso uno stramazzo, ovvero:

dove μ è il coefficiente di deflusso, che è generalmente assunto pari a 0.385 per lo stramazzo a larga soglia, Δh1 è il dislivello fra soglia principale e soglia di presa, g è l'accelerazione di gravità e Lp è la larghezza complessiva della soglia di presa.

Analogamente, il dislivello fra soglia di presa e la soglia del callone è calcolato mediante la formula

dove QDMV è la portata di deflusso minimo vitale e Lc è la larghezza della soglia del callone.
Mentre il callone è preferibile che non sia presidiato da paratoie, è opportuno che la soglia di presa lo sia. La paratoia potrà essere a comando manuale oppure automatico.

2.4. Progettazione del complesso sghiaiatore-dissabbiatore

Lo sghiaiatore e dissabbiatore hanno il compito di permettere la rimozione del materiale solido in sospensione che non può essere veicolato verso valle. La rimozione del materiale solido è opportuna per evitare interrimento di canali di adduzione, se presenti, e per evitare danni a macchinari, se presenti. Ad esempio, se il prelievo è a fini idroelettrici le specifiche tecniche dei macchinari (turbine, etc) prescrivono la dimensione massima tollerata per eventuale materiale solido trasportato dalla corrente. In quanto segue, assumeremo che il materiale in sospensione sia costituito da particelle solide di forma sferica e diametro d.

Lo sghiaiatore è funzionale alla rimozione del materiale più grossolano, ed è costituito di una vasca con altezza d'acqua dell'ordine dei 50-70 cm, larghezza dell'ordine di 2-6 metri ed estensione longitudinale dell'ordine dei 5-10 metri. Solitamente l'estensione longitudinale dello sghiaiatore è parti a circa la metà di quella del dissabbiatore, la cui progettazione è descritta nel seguito. Le misure ovviamente dipendono dalla portata di progetto dell'opera. Lo sghiaiatore è separato dal dissabbiatore da una soglia alta 40-50 cm, in prossimità della quale è opportuno prevedere lo scarico di fondo per assicurare le operazioni di pulizia..

Il dissabbiatore può essere diviso in due camere longitudinali. Prevede pure altezze d'acqua pari a 50-70 cm e larghezza pari a 2-6 metri per ogni camera. La lunghezza viene progettata per assicurare il tempo di permanenza necessario per permettere la sedimentazione di una ipotetica particella sferica di diametro d che si trovi sospesa in prossimità del pelo libero. Se l'altezza d'acqua è pari ad h, il tempo di sedimentazione si calcola come
t = h/ws,
dove ws è la velocità di sedimentazione data dalla Legge di Stokes. Questa è ricavata eguagliando la forza peso che tende a trascinare la particella verso il fondo alla forza idrodinamica resistente che si oppone all'affondamento. I passaggi sono illustrati negli appunti che seguono.

In funzione della dimensione trasversale del dissabbiatore e dell'altezza d'acqua all'interno è possibile calcolare l'area Ad della sezione trasversale del dissabbiatore stesso e quindi la velocità della corrente quale V = Qp/Ad. E' opportuno verificare che la velocità dell'acqua del dissabbiatore sia pari a 0.05-0.15 m/s. La lunghezza del dissabbiatore Ld è quindi pari a
Ld = V/t.
Un ordine di grandezza è fornito dalla formula empirica L = h/0.06.
Al suo termine, il dissabbiatore è separato dalla vasca di carico eventualmente presente, o dall'imbocco delle opere di adduzione se la vasca di carico non è presente, da una soglia alta 40-50 cm, in corrispondenza della quale è posto lo scarico di fondo per la pulizia. Lo sfioro dal dissabbiatore può essere protetto da una griglia.

2.5. Progettazione della vasca di carico

La vasca di carico è progettata in modo tale da assicurare la copertura completa in ogni condizione della condotta di adduzione da parte della corrente. Solitamente si adotta una configurazione geometrica tale da assicurare in ogni condizione di funzionamento un sovralzo del pelo libero nella vasca di carico rispetto al cielo della condotta pari a 1.5 va2/(2g), ove va è la velocità massima in condotta.

2.6. Progettazione delle opere accessorie

Qualora si preveda un deflusso importante dalla soglia principale, è opportuno sagomare la soglia principale stessa in modo tale da accompagnare e sostenere la vena tracimante, per evitare distacchi di vena e successivi "sbattimenti" della vena stessa sul corpo dell'infrastruttura. Solitamente si adotta il profilo Creager, oppure il profilo Scimemi. Una rappresentazione grafica ed analitica dei due profili è fornita qui. La pagina è in francese ma le figure e le formule sono facilmente comprensibili.

E' opportuno verificare la traversa al sifonamento, ovvero l'instabilità che si può verificare qualora si instaurino moti di filtrazione sotto la traversa stessa. La verifica accurata prevede il tracciamento del reticolo del flusso di filtrazione. Una verifica preliminare può essere effettuata con la regola di Bligh-Lane:

F < h/(Lv+1/3 Lh)

dove F è un coefficiente tabulato in funzione del materiale d'alveo su cui è impostata la fondazione. La figura 7 mostra una sezione trasversale della traversa in corrispondenza della soglia principale. La figura evidenzia anche la posizione del taglione ed i percorsi orizzontali e verticali da considerare quando si applica la regola di Lane.


Figura 7. Sezione trasversale di una opera di presa in corrispondenza della soglia principale, dotata di profilo creager.

Infine, è opportuno proteggere l'alveo di valle dall'erosione, ponendo in opera un bacino di dissipazione (la cui progettazione sarà trattata in altra lezione) oppure massi di grossa pezzatura, opportunamente dimensionati.

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Last edited on April 9, 2017