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As more dams experience spillway flows from flood events, identification and analysis of erosion in auxiliary rock surface spillways has become a primary focus in maintaining dam integrity. The spillway erosion risk assessment developed for this research is based on parameters identified and discussed in previous research as the leading factors influencing spillway damage from erosion. Parameters applied in this analysis were channel geometry, stream hydrology, and geologic materials. Channel geometry is described by the length of spillway channel and slope of the spillway floor; stream hydrology is classified by the peak discharge and its duration; and geologic material is identified by its behavior in resisting erosion. The Sites Spillway Erosion Analysis (SSEA) was used to produce a risk assessment based on U.S. Army Corps of Engineers case histories. The risk assessment was used to classify and refine model uncertainties, an important advancement in evaluating spillway erosion.

Der Einfluss bodenspezifischer Größen auf die Rillenerosion wurde in Überströmungsversuchen in einem eigens dafür konstruiertem Kleingerinne untersucht. Die Neigung des 2 m langen und 0,1 m breiten Gerinnes wurde dafür zwischen 2, 4 und 6 % variiert. Im Gerinne wurden zum einen natürliche Böden, zum anderen künstliche, aus Schluff und Sand gemischte Substrate mit 0,060 l*s-1, 0,125 l*s-1 und 0,300 l*s-1 überströmt. Die Körnung der natürlichen Böden reichte von stark schluffig bis sandig-lehmig, die der künstlichen Substrate von stark schluffig bis sandig. Die künstlichen Substrate wiesen im Gegensatz zu den natürlichen Böden keine Aggregierung auf und waren frei von organischer Substanz. Zu Beginn der Versuche wird der Boden zunächst flächig überströmt. Währenddessen bilden sich Mikrorillen auf der Gerinnesohle aus. Selektiver Sedimenttransport bewirkt die Akkumulation der nicht transportablen Fraktion auf der Bodenoberfläche, wodurch sich Rippel bilden. Über den Rippeln formen sich stehende Wellen im Abfluss. Die stehenden Wellen erzeugen Sohlschubspannungsspitzen auf die Gerinnesohle, welche zu verstärkter lokaler Erosion, zur Ausbildung von Mikrodepressionen und im weiteren zur Entstehung von Rillenköpfen führen. Die Rillenköpfe wandern entgegen dem Gefälle und hinterlassen Rillen, in denen sich der Abfluss konzentriert. In den Rillen können weitere Rillenköpfe entstehen. Anhand des Beginns der Rillenerosion, der Rillenkopfneubildungsrate, dem Erosionsfortschritt der Rillenköpfe, der Bestandsdauer der Rillenköpfe und der Sedimentkonzentration im Abfluss kann das Phänomen „Rillenerosion“ erfasst und quantifiziert werden. Diese erosionsspezifischen Kennwerte zeigen sich dabei in Abhängigkeit von bodenspezifischen Größen, wie der Lagerungsdichte, der Korngrößenzusammensetzung sowie der Aggregatgrößenverteilung und –stabilität. Aus den Korrelationsanalysen zwischen den bodenspezifischen Größen und den spezifischen Kennwerten der Rillenerosion leiten sich empirische Beziehungen ab. Diese Beziehungen sind nicht-linearerer und nicht-stetiger Natur. Parallel zu den Versuchen im Kleingerinne wurden Überströmungs- und Beregnungsversuche in einem Großgerinne durchgeführt. Die Projektion der laborativen Ergebnisse des Kleingerinnes auf das naturnahere Großgerinne zeigte dabei Parallelen.

Der Einfluss bodenspezifischer Größen auf die Rillenerosion wurde in Überströmungsversuchen in einem eigens dafür konstruiertem Kleingerinne untersucht. Die Neigung des 2 m langen und 0,1 m breiten Gerinnes wurde dafür zwischen 2, 4 und 6 % variiert. Im Gerinne wurden zum einen natürliche Böden, zum anderen künstliche, aus Schluff und Sand gemischte Substrate mit 0,060 l*s-1, 0,125 l*s-1 und 0,300 l*s-1 überströmt. Die Körnung der natürlichen Böden reichte von stark schluffig bis sandig-lehmig, die der künstlichen Substrate von stark schluffig bis sandig. Die künstlichen Substrate wiesen im Gegensatz zu den natürlichen Böden keine Aggregierung auf und waren frei von organischer Substanz. Zu Beginn der Versuche wird der Boden zunächst flächig überströmt. Währenddessen bilden sich Mikrorillen auf der Gerinnesohle aus. Selektiver Sedimenttransport bewirkt die Akkumulation der nicht transportablen Fraktion auf der Bodenoberfläche, wodurch sich Rippel bilden. Über den Rippeln formen sich stehende Wellen im Abfluss. Die stehenden Wellen erzeugen Sohlschubspannungsspitzen auf die Gerinnesohle, welche zu verstärkter lokaler Erosion, zur Ausbildung von Mikrodepressionen und im weiteren zur Entstehung von Rillenköpfen führen. Die Rillenköpfe wandern entgegen dem Gefälle und hinterlassen Rillen, in denen sich der Abfluss konzentriert. In den Rillen können weitere Rillenköpfe entstehen. Anhand des Beginns der Rillenerosion, der Rillenkopfneubildungsrate, dem Erosionsfortschritt der Rillenköpfe, der Bestandsdauer der Rillenköpfe und der Sedimentkonzentration im Abfluss kann das Phänomen „Rillenerosion“ erfasst und quantifiziert werden. Diese erosionsspezifischen Kennwerte zeigen sich dabei in Abhängigkeit von bodenspezifischen Größen, wie der Lagerungsdichte, der Korngrößenzusammensetzung sowie der Aggregatgrößenverteilung und –stabilität. Aus den Korrelationsanalysen zwischen den bodenspezifischen Größen und den spezifischen Kennwerten der Rillenerosion leiten sich empirische Beziehungen ab. Diese Beziehungen sind nicht-linearerer und nicht-stetiger Natur. Parallel zu den Versuchen im Kleingerinne wurden Überströmungs- und Beregnungsversuche in einem Großgerinne durchgeführt. Die Projektion der laborativen Ergebnisse des Kleingerinnes auf das naturnahere Großgerinne zeigte dabei Parallelen.

La rupture des barrages et des digues en terre est susceptible d’avoir des conséquences importantes en aval et dans les zones protégées. Nous avons mené une analyse hydro-mécanique de la formation et du développement de brèche destinée à améliorer la précision des approches actuelles. Dans le cas de l’érosion interne, un modèle d’agrandissement de conduit a été proposé pour modéliser la rupture des digues et barrages en terre par écoulement concentré. Ce modèle tient compte de l’érosion du sol par un écoulement de conduit turbulent. En ce qui concerne l’élargissement de la brèche, un modèle simple d’estimation de la longueur critique d’afouillement par “headcut” est proposé, fonction de la résistance du sol à la traction. Ce modèle est en bon accord avec les résultats numériques obtenus par équilibre limite. Un modèle simplifé pour la contrainte latérale sur les parois de la brèche a ensuite été proposé. Ce modèle tient compte des écoulements secondaires. Il montre que la contrainte latérale peut être plus grande que la contrainte de fond, suivant la situation. Finalement, une expérimentation de grande dimension de rupture de barrage par erosion de conduit a été modélisée avec le modèle d’érosion de conduit proposé, et quelques composantes des modèles d’élargissement de brèche proposés. L’élargissement de la brèche par paliers a été reproduite au début du processus. Les perspectives de validation et d'application des modèles proposés sont discutées. / The failure of embankment dams and levees can have serious consequence in floodplains. Hydro-mechanical analyses of the breach processes were conducted to develop the accurate estimation of the failure of embankment dams and levees. Considering the internal erosion process, a pipe enlargement model was proposed to simulate the failure of embankment dams and levees by concentrated leak erosion. In this model, the turbulent pipe flow with erosion mechanism was employed as well as the soil erosion law. Considering the breach enlargement process, a simple headcut migration model based on the soil tensile strength was presented to simulate the critical length of the headcut. Good agreements were obtained by comparing with the limit equilibrium numerical model. A simple model was eventually proposed to simulate the lateral shear stress on the breach sides, accounting for the secondary flow. The lateral shear stress can be greater than the bottom shear stress, depending on the situation. . Finally, a large-scale test of dam failure was simulated by using the pipe enlargement and some components of the breach widening models proposed. The simulation of the pipe enlargement process had good agreement with the measured data. Both of the pipe diameter and the discharge flow were well simulated. The stepwise enlargement of the breach width was also well simulated at the beginning of the breach widening process. Validation and application prospects of the proposed models are discussed.