Arced labyrinth weir geometric design for auxiliary spillway applications in existing dam infrastructure

Abstract

A new optimization scheme procedure for arced labyrinth weir design is proposed to be used in a spillway value analysis, for the design of auxiliary spillways. The arced labyrinth spillway geometric design based on an optimization-based program that integrates hydraulic performance from physical models and estimated cost. The optimization procedure compares expected hydraulic conditions and specific site considerations to over 45,000 solutions, and outputs a list of the 10 most economical arced labyrinth weirs. The most promising weirs’ geometric parameters, expected hydraulic behavior, and structure construction cost are tabulated, thus giving enough information to the designer about the expected arced labyrinth weir that could sustain the hydraulic conditions under a flood event. High performance designs are then compared to developed full-scale solutions and are compared based on an economic analysis. The geometric parameters are then subject to a sensitivity analysis to analyze a case study thus optimizing the design further for a specific case study discharge. Based on the sensitivity analysis, the trends of the most economic weirs are selected, and a specific set of geometrical parameters is selected as the trending design in which the economic and hydraulic conditions are optimized. Finally, a design optimization ratio was found to be a common denominator in the majority of the designs. The optimization ratio is based on a specific arc radius to the width.

Se propone un esquema de optimización para el diseño de vertedero laberinto arqueada para ser utilizado en un análisis de valor, para el diseño de aliviaderos auxiliares. El diseño geométrico del aliviadero laberinto arqueada se basa en un programa basado en la optimización que integra el rendimiento hidráulico de los modelos físicos y costos estimados. El procedimiento de optimización compara las condiciones hidráulicas esperadas y consideraciones específicas del lugar para más de 45.000 soluciones, y emite una lista de los 10 vertedores de laberinto arqueado más económicos. Los parámetros geométricos de los vertederos más prometedores, el comportamiento hidráulico esperado, y el costo de construcción de la estructura se tabulan, dando así suficiente información al diseñador sobre los vertedores de laberinto arqueada que podrían sustentar las condiciones hidráulicas en virtud de un evento de inundación. Diseños de alto rendimiento se comparan mediante un análisis económico, con vertedores de laberinto a gran escala. Los parámetros geométricos se someten a un análisis de sensibilidad para analizar un caso de estudio de este modo optimizar el diseño para un caudal específico. Mediante el análisis de sensibilidad, se seleccionan las tendencias de los vertederos más económicos, y se selecciona un conjunto específico de parámetros geométricos como el diseño de tendencia en la que se optimizan las condiciones económicas e hidráulicas. Finalmente se encontró una relación de optimización del diseño que era un denominador común en la mayoría de los diseños. La relación de optimización se basa en un radio de arco específico al ancho de abertura del canal.