Stability of concrete macro-roughness linings for overflow protection of earth embankment dams.

A macro-roughness lining system for the protection of earth embankment dams during overflow is presented. It consists of precast concrete elements placed on a drainage-separation layer. The main difference between this system and other existing concrete element systems is the stability concept, based on the self-weight of the blocks. Several types of elements were developed and tested in a physical model for a typical dam slope of 1V:3H. Failure conditions were identified after submitting the elements to increasing flow discharges. Furthermore, different foundation drainage and shear conditions between the elements and their foundation and different joint alignments were studied. Flow characteristics were observed and measured for quasi-uniform flow conditions. Based on the experimental results, a stability model was developed to compute the design safety factor. The model is based on the governing overturning equation (predominant failure mechanism) and on assumptions concerning the acting hydrodynamic forces, the hydrostatic uplift, and the concentration of air in the flow. Synoptic design charts were derived for 1V:3H dam slopes, allowing the rapid estimate of the lining characteristics as dimensions and weight for a certain withstood design unit discharge, for various margins of safety. The developed macro-roughness lining system is envisaged for the spillway rehabilitation of existing dams, but also for the design and construction of spillways of low dams (up to 30 m in height) and for the protection of overflow cofferdams.Key words: overflow dams, erosion protection, linings, macro-roughness, stability, drainage and spillways.Un système de macro-rugosités pour la protection superficielle de barrages en remblais est présenté. Ce système est composé de blocs préfabriqués en béton posés sur une couche de drainage, dont la stabilité est assurée par leur poids propre. Plusieurs géométries d'éléments ont été développées et testées dans un modèle physique du parement d'un barrage avec une pente de 1V:3H. Les conditions de rupture ont été identifiées après avoir soumis les blocs à des débits croissants. Pour la fondation des blocs, différentes conditions de drainage et de frottement ont été testées, ainsi que différents alignements des joints longitudinaux. Les caractéristiques de l'écoulement ont été observées et mesurées en conditions quasi-uniformes. Basé sur l'étude expérimentale, un modèle de stabilité a été développé pour le calcul des coefficients de sécurité. Ce modèle est basé sur la stabilité au renversement (mécanisme de rupture dominant) et des hypothèses concernant les forces hydrodynamiques, la pression hydrostatique et la concentration d'air dans l'écoulement. Des diagrammes de dimensionnement ont été élaborés pour parements de pente 1V:3H, permettant une estimation rapide des caractéristiques du système de protection, comme les dimensions et le poids des blocs, résistant à un certain débit spécifique, pour plusieurs marges de sécurité. Le système développé est envisagé pour la réhabilitation d'évacuateurs de crues de barrages existants, ainsi que pour le dimensionnement et la construction d'ouvrages d'évacuation pour des barrages allant jusqu'à 30 m de hauteur et pour la protection des batardeaux submersibles. Mots clés : barrages submersibles, protection contre l'érosion, recouvrement du parement, macro-rugosités, stabilité, drainage et évacuateurs de crues. [ABSTRACT FROM AUTHOR]