Modeling aquifers in response to high water river levels

During the flood event of Rhine river in October 2011, sand boils have been observed along the dutch dike Grebbedjik’s ditch at the section Blauwe Kamer. From that moment, a collaboration between the water-board Vallei an Veluwe and the private institute for applied research Deltares have been stipulated in order to describe the embankment response to the flood events and to study the hydraulic instability risk feared due to the appearance of the sand boils. The first task of this collaboration has resulted in the drafting of an accurate monitoring of the Blauwe Kamer area, carried out through the use of innovative instruments for pressure time measurement and multi-parameter sensor network. The resulting observations have demonstrated a variation of the pore water pressure on the dike foundation level due to river fluctuation. The thesis focuses on consolidation models, using a 2D finite element model and an enhanced pseudo-2D analytical solution, for predicting the pore pressure history under a dyke as a function of the hydraulic load history. The finite element model is based on the assumptions of Dupuit-Forchheimer through which it is possible to operate simplifications in the study of groundwater seepage, by assuming vertical equipotential surfaces. A model calibration was performed to identify the value of the parameters that guarantee the best "fit" between pressures observed and evaluated through the model. Exploiting the results provided by the model, the hydraulic instability mechanisms, "piping" and "uplift", are tested. In the second part of the research, an analytical solution proposed by Barends for cyclic consolidation is improved to account for general time histories. The method has been tested on a second case study: the Egna (BZ) section of the embankments protecting the river Adige in Italy. The data available for this section are the pressure measurements, provided by piezometers in the foundation soil, and the river hydraulic head measures in the same timeframe. The observed pressure fluctuations show that the piezometric response to hydraulic head is delayed and damped, even if the hydraulic conductivity of the subsoil is rather high. The objective of this part of the research is to describe the propagation of the flood wave below the embankment with a simple analytical model, yet able to catch the main features of the time dependent response of the levee system to hydraulic heads. The thesis discusses the properties and demonstrate the benefits of this approach. The original analytic solution for cyclic consolidation was used to predict the response to general hydraulic loads time hisotries with the aid of the Fast Fourier Transform (FFT), after a calibration analysis stage. Thought the application of the genetic algorithm implemented in Matlab, the model calibration stage show the impossibility to uniquely identify the geotechnical-hydrological parameters, characterising the behavior of the embankment, from the piezometers data only, while the genetic algorithm is able to uniquely provide the value of the two independent parameters which Barends’ formula depends on. The model calibration can assists in identifying criteria for the positioning of the pressures measuring instruments in the design phase of the monitoring system, demonstrating that the specific positioning of the pietozometers or their combination dominate the model calibration. The predictive capability of the model is tested by reducing the database calibration either in space or in time. Two indexes are used to evaluate the quality of the prediction: the maximum deviation between estimated and observed pressures and the mean square error over the entire prediction time lapse. An outcome of the work is the determination of the minimum duration of the calibration time for the instruments to provide a sufficiently adequate description of the behavior of the system. Identifying a criterion for defining the operation time of the measuring instruments in the design phase of the monitoring is a further outcome of the study. Finally considerations are developed on the potential use of Barends’ formula in the current phase of the design and verification of hydraulic stability of an embankment. This simple solution is considered a valuable tool for a preliminary assessment of the critical sections, before more complex models are set up.

In occasione dell’evento di piena del fiume Reno del Ottobre 2011, alcuni fontanazzi con venute di sabbia sono stati osservati lungo l’argine olandese del canale Grebbedjik, in corrispondenza della sezione Bluawe Kamer. A seguito di tale accadimento nacque una collaborazione, tuttora in atto, tra l’autorità di bacino Vallei an Valuwe e l’istituto privato per ricerche applicate Deltares con lo scopo di descrivere la risposta arginale agli eventi di piena e di studiare il rischio di instabilità idraulica temuto a seguito della comparsa di fontanazzi. Tale collaborazione, durante una prima fase, ha permesso la stesura di un accurato monitoraggio dell’area di Blauwe Kamer mediante l’utilizzo di innovativi strumenti di misura delle pressioni nel tempo e una rete di sensori multi parametrici. Le osservazioni mostrano una variazione di pressione interstiziale a livello della fondazione della diga dovuta alla fluttuazione del livello del fiume. Il lavoro di tesi magistrale qui presentato riguarda lo studio di modelli di consolidazione, ovvero di un modello 2D agli elementi finiti e di una soluzione analitica pseudo-2D potenziata, al fine prevedere l’andamento della pressione interstiziale nel tempo al di sotto del corpo diga in funzione della storia del carico idraulico. Il modello agli elementi finiti si basa sulle assunzioni di Dupuit-Forchheimer, attraverso le quali risulta possibile adottare delle semplificazioni nello studio della filtrazione dell’acqua nel terreno, assumendo superfici equipotenziali verticali. È stata effettuata la calibrazione del modello allo scopo di identificare i valori dei parametri tali da garantire la migliore corrispondenza possibile fra le pressioni osservate e quelle ottenute mediante il modello. Sfruttando i risultati ottenuti dal modello, sono stati verificati meccanismi di instabilità idraulica, sifonamento e sollevamento. Nella seconda parte di questo progetto di tesi, al fine di considerare generiche storie temporali, viene potenziata la soluzione analitica per la consolidazione ciclica proposta da Barends. Il metodo è stato applicato su di un secondo caso studio: la sezione arginale di Egna (BZ) a protezione del fiume Adige in Italia. I dati disponibili per tale sezione sono le misure di pressione, fornite dai piezometri installati nel terreno di fondazione, e le misure di carico idraulico nello stesso arco temporale. Le fluttuazioni delle pressioni osservate mostrano come la risposta piezometrica sia ritardata e smorzata rispetto al carico idraulico, anche quando la conduttività del terreno di terreno è alquanto elevata. Oggetto di questa parte di ricerca è descrivere la propagazione dell’onda di piena all’interno dell’argine mediante un semplice modello analitico, capace di cogliere le principali peculiarità della dipendenza nel tempo della risposta del sistema arginale a variazioni di carico idraulico. La ricerca svolta in questa tesi si propone di mostrare le proprietà e di discutere i vantaggi derivanti da tale approccio. A seguito di una fase iniziale di calibrazione, la soluzione analitica originale per la consolidazione ciclica è stata utilizzata per predire, mediante l’utilizzo della Fast Fourier Transform (FFT), la risposta a variazioni nel tempo di carichi idraulici generici. L’applicazione dell’algoritmo genetico implementato in Matlab durante la fase di calibrazione, ha permesso di osservare come non sia possibile definire in modo univoco parametri geotecnici-idrologici, caratterizzanti il comportamento dell’argine, utilizzando le sole letture piezometriche, mentre l’algoritmo genetico è in grado di fornire in modo univoco il valore dei due parametri indipendenti da cui dipende la soluzione di Barends. La calibrazione del modello aiuta la definizione di criteri per il posizionamento degli strumenti di misura delle pressioni nella fase di progettazione del sistema di monitoraggio, dimostrando come la risposta del modello di calibrazione sia dominato dalla posizione dei piezometri o da una loro combinazione. La capacità di previsione del modello è stata verificata riducendo il database delle calibrazioni in termini sia spaziali che temporali. Due differenti criteri sono stati utilizzati per valutare la capacità di previsione: il massimo scarto presente tra pressioni stimate ed misurate e l’errore quadratico medio sull’intero intervallo temporale di previsione. Questo lavoro di tesi ha permesso di identificare la durata minima del periodo di calibrazione al fine di ottenere una descrizione sufficientemente adeguata del comportamento del sistema. Ulteriore risultato di questa ricerca è l’identificazione di un criterio per mezzo del quale è possibile definire l’intervallo temporale minimo necessario per calibrare il modello ai fini della predizione della risposta successiva in fase di progettazione del monitoraggio. Infine, vengono proposte considerazioni relative alle potenzialità dell’utilizzo della formula di Barends nella fase di progettazione e verifica della stabilità idraulica di un rilevato arginale. La soluzione semplice di Barends viene dunque considerata un valido strumento per valutare in modo preliminare le sezioni critiche, prima di procedere all’utilizzo di modelli più complessi.