Hydraulic evaluation of the automatic TOPS Gate mounted on a low crested weir
Date
2022-11
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: Abstract
This study provides an independent review Of a large automatic TOPS Gate, developed by
AmanziFIow Projects. The hßraulic evaluation done by means Of a 1:20 physical model
Of the prototype TOPS Gate, based on the Froude model scale laws. The prototy* gate was
designed for a proposed Limpopo River abstraction works case study, consisting Of a 630 m
long barrage spanning the large, sediment laden river. According to the case study
requirements, the dimensions Of each gate and supporting piers (as one Of a series across
the river) were 20 m Wide by 10 m high, to be installed on a 3 m high ogee weir, Which Will be
the largest application Of the TOPS Gate to date.
The model test results illustrated that the prototype Offered versatile water management
capabilities, effectively maintaining a normal operating level Of 7.6 m above the ogee weir
crest level (10.6 m deep above the bed), before and after floods. The maximum discharge
capacity Of the TOPS Gate (Of the above referred size) was found to be 805 m"'s (unit
discharge Of 40.25 rn3/s per metre length), While the siphon operated TOPS Gate was capable
Of discharging floods in excess Of 984 rn3/s (unit discharge Of 49.2 rn3/s per metre length). NO
negative pressure, fuctuations or vibrations were observed at the maximum discharge
capacity Of the TOPS Gate. The prototype completely scoured sediment deposits Of hand
packed coarse sand (DSO I .4 mm), Within the drawdown region. However, only local
occurred with the coarse gravel deposits (DSO 24 mm).
Furthermore, the model gate successfully passed floating debris Of length equal to the
effective gate Width Of 17 m . Debris blockages that did occur were removed via
opening the manual release valve enabling partial opening Of the gate to dislodged the debris.
Additionally, the safety review Of the TOPS Gate concluded that the prototype opened
appropriately, minimising the risk Of downstream flooding, by ensuring that the Outflow did not
significantly exceed the inflow, i.e. the gate did not cause sudden or pulsed releases ahead Of
a flood *ak-
It was found that tailwater levels higher than 40% Of the upstream water depth significantly
reduced the discharge capacity Of the TOPS Gate, Which resulted in overtopping. The problem
could be overcome by adding more buoyancy on the downstream side Of the gate. However,
tailwater levels less than 40% Of the maximum upstrearn water level, had little effect on the
operation and discharge capacfty Of the TOPS Gate.
AFRIKAANS OPSOMMING: Hierdie studie verskaf 'n onafhanklike oorsig van 'n groot outornatiese TOPS-Sluis wat ontwikkel is deur AmanziF10w Projects. Die hidrouliese evaluering is gedoen deur middel van 'n 1:20 skaal fisiese model van die prototipe TOPS sluis, gebaseer op die Froude model skaalwette. Die prototipe-sluis is ontwerp vir 'n voorgestelde Limpoporivier-onttrekkingswerke gevallestudie, wat bestaan uit 'n 630 m lang lae keerwal met guise wat die groot, sedimentbelaaide rivier strek. Volgens die gevallestudievereistes was die afmetings van die sluis en ondersteunende pilare (as een van 'n reeks oar die rivier) 20 m Wyd by 10 m hoog en geinstalleer 'n 3 m hoe ogee keerwal, wat die grootste toepassing van die TOPS-Sluis is tot op hede. Die modelstudieresultate het getc%yn dat die prototipe veels•ßige waterbestuursverrnoéns bied, wat effektief 'n norrnale bedryfsvlak van 7.6 m bo die ogee-stuwkruinvlak (10.6 m diep bo die bed), voor en na vloede handhaaf. Die maksimum deurstroming van die TOPS-Sluis (van die bogenoernde grootte) 805 rn3/s ('n eenheidsdeurstrorning van 40.25 m"'s metre lengte), terwyl die hewel-beheerde TOPS-Sluis in Staat was orn vloede van 984 m'/s te hanteer meteenheidsdeurstroming van 49,2 rn3/s per rnetre lengte). Geen negatiewe druk, ossilasies Of vibrasies is by die maksimum deurstromingkapasiteit van die TOPS-Sluis waargeneem nie. Die prototipe het sedimentneerslae van hand gepakte grow-we sand (DSO — I .4 mm) volledig binne die aftrekgebied naby die sluis uitgeskuur. Slegs plaaslike uitskuring het egter met die growwe gruisafsettings (DSO 24 mm) voorgekorn. Verder het die modelsluis drywende opdrifsels met 'n lengte gelykstaande aan die prototipe effektiewe sluisw•ßte van 17 m suksesvol deurgelaat Opdrifselblokkasies wat wel plaasgevind het, is verwyder deur die oopmaak van die handbeheerde VMaatkIep wat die gedeeltelik oopmaak van die sluis moontlik maak orn die opdrifsels daaruit te verwyder. Verder tydens die veiligheidsevaluering van die TOPS-Sluis is tot die gevolgtrekking gekorn dat die prototipe gepas oopgemaak het, wat die risiko van stroomaf oorstroming tot die minimum beperk deur te verseker dat die uitvloei nie die invloei aansienlik oorskry nie, dit Wil sé die sluis het nie skielike Of pulserende vrystellings voor 'n Vloedpiek veroorsaak nie. Daar is gevind dat tydens toestande met die stroomafwaterwaterdiepte hoer as 40% van die waterdiepte die deurstromingkapasiteit van die TOPS-Sluis aansienlik verminder.
AFRIKAANS OPSOMMING: Hierdie studie verskaf 'n onafhanklike oorsig van 'n groot outornatiese TOPS-Sluis wat ontwikkel is deur AmanziF10w Projects. Die hidrouliese evaluering is gedoen deur middel van 'n 1:20 skaal fisiese model van die prototipe TOPS sluis, gebaseer op die Froude model skaalwette. Die prototipe-sluis is ontwerp vir 'n voorgestelde Limpoporivier-onttrekkingswerke gevallestudie, wat bestaan uit 'n 630 m lang lae keerwal met guise wat die groot, sedimentbelaaide rivier strek. Volgens die gevallestudievereistes was die afmetings van die sluis en ondersteunende pilare (as een van 'n reeks oar die rivier) 20 m Wyd by 10 m hoog en geinstalleer 'n 3 m hoe ogee keerwal, wat die grootste toepassing van die TOPS-Sluis is tot op hede. Die modelstudieresultate het getc%yn dat die prototipe veels•ßige waterbestuursverrnoéns bied, wat effektief 'n norrnale bedryfsvlak van 7.6 m bo die ogee-stuwkruinvlak (10.6 m diep bo die bed), voor en na vloede handhaaf. Die maksimum deurstroming van die TOPS-Sluis (van die bogenoernde grootte) 805 rn3/s ('n eenheidsdeurstrorning van 40.25 m"'s metre lengte), terwyl die hewel-beheerde TOPS-Sluis in Staat was orn vloede van 984 m'/s te hanteer meteenheidsdeurstroming van 49,2 rn3/s per rnetre lengte). Geen negatiewe druk, ossilasies Of vibrasies is by die maksimum deurstromingkapasiteit van die TOPS-Sluis waargeneem nie. Die prototipe het sedimentneerslae van hand gepakte grow-we sand (DSO — I .4 mm) volledig binne die aftrekgebied naby die sluis uitgeskuur. Slegs plaaslike uitskuring het egter met die growwe gruisafsettings (DSO 24 mm) voorgekorn. Verder het die modelsluis drywende opdrifsels met 'n lengte gelykstaande aan die prototipe effektiewe sluisw•ßte van 17 m suksesvol deurgelaat Opdrifselblokkasies wat wel plaasgevind het, is verwyder deur die oopmaak van die handbeheerde VMaatkIep wat die gedeeltelik oopmaak van die sluis moontlik maak orn die opdrifsels daaruit te verwyder. Verder tydens die veiligheidsevaluering van die TOPS-Sluis is tot die gevolgtrekking gekorn dat die prototipe gepas oopgemaak het, wat die risiko van stroomaf oorstroming tot die minimum beperk deur te verseker dat die uitvloei nie die invloei aansienlik oorskry nie, dit Wil sé die sluis het nie skielike Of pulserende vrystellings voor 'n Vloedpiek veroorsaak nie. Daar is gevind dat tydens toestande met die stroomafwaterwaterdiepte hoer as 40% van die waterdiepte die deurstromingkapasiteit van die TOPS-Sluis aansienlik verminder.
Description
Thesis (MSc) -- Stellenbosch University, 2022.
Keywords
Hydraulic gates, Reservoir sedimentation, Hydraulic engineering, Prototypes, Engineering, UCTD