Coarse sand barrier as a measure against backward erosion piping under dikes

Backward erosion piping is one of the main causes for levees instability. A large contribution to study the phenomenon and its formation comes from the Netherlands, the place where the work behind this thesis was actively developed. Backward erosion piping is a very common phenomenon in many other places of the world, including the Italian Po valley, where the dimensions of the so called “fontanazzi”, (name to represent the volcanos created at the land side of the dike and made of eroded material), evidence that erosion has taken place below the levees, shock researchers and experts. The phenomenon occurs when a sandy permeable foundation layer is below a clay roof. Seepage through the foundation layer is developed if a hydraulic head drop occurs between the river and the land sides. Seepage can provoke an erosion processes with the removal of support material in the dike, triggering the instability of the structure. The studied erosion mechanism starts from the toe at the land side and progresses in the opposite direction of the water flow, arriving to the water side, through pipes. With the progression of the erosion, the pipes diameter increases and the structure can collapse. The phenomenon has been studied already in the past and some analytical models have been proposed, to evaluate the critical gradient in the foundation which can trigger a pipe along the whole base of the structure. The most famous, the Sellmeijer model, has been validated on many tests and seems to be able to predict the phenomenon in homogenous sand, which is not that common in real cases. Currently, other tests are conducted with the aim to study the phenomenon in heterogeneous conditions; a substantial increase in the piping resistance has been observed. However, for these cases, analytical solutions do not exist yet, and the Selmeijer model results in an overestimation of the piping risk. In this contest, the coarse sand barrier has been proposed as a possible measure to reduce the risk of piping. The barrier is designed at the toe of the dyke, below the clay roof, to work as a drain, attracting a large amount of water, because of the higher hydraulic conductivity of the material. The positive effect is that the gradient inside the barrier is reduced although the local gradient in the surrounding sand increases. Due to the larger grain size, the barrier particles are heavier and more difficult to be eroded. On the bases of preliminary experiments, the barrier seems a promising measure against backward erosion piping, however, further research has to be carried out to evaluate the feasibility of the solution. The feasibility study, devised by Deltares, is planned on three different test typologies (small, medium and full scale) from which it will be possible to analyze the suitability of the barrier. In case, the feasibility is confirmed, the best choice for materials and geometries will be tested at the pilot location at Gemeren, in the Netherlands. This work focuses on the first stage of the research and deals with the small-scale experiments, which use a rigid box able to recreate analog conditions as in the reality. To support the laboratory tests, the numerical simulations were run, which helped in providing better insight in the local behavior of sand during the laboratory experiments. The analyses were conducted with the commercial software Plaxis, to simulate the flow field during the experiments. No mechanical coupling were considered. Therefore, the analyses don’t have the aim to predict the backward piping formation, but only get an insight into the head drop distribution inside the material, not completely known from the result of the laboratory experiments.

Il fenomeno di erosione retrograda con formazione di tubo di flusso è una fra le cause principali di insicurezza dei corpi arginali. Un grande contributo di studio per conoscere il fenomeno e la sua formazione, proviene dai Paesi Bassi, luogo in cui è stato sviluppato questo lavoro di tesi. Si tratta di un fenomeno comune in molte parti del mondo, compresa la Pianura Padana italiana, dove le dimensioni dei cosiddetti “fontanazzi”, chiaro segnale che l’erosione si sta sviluppando nel corpo arginale, impressionano studiosi ed esperti in materia. Il fenomeno si verifica nel caso in cui un terreno di fondazione permeabile è sovrastato da un argine argilloso. Attraverso il terreno di fondazione si sviluppa un moto di filtrazione dell’acqua se si verifica una differenza di carico idraulico tra il lato del fiume e il lato campagna. Il moto di filtrazione può causare processi di erosione con la rimozione di materiale di appoggio dell’argine, causando instabilità dell’opera. La tipologia di erosione in questione ha inizio al piede del rilevato a piano campagna e si sviluppa in direzione opposta al verso di filtrazione dell’acqua, raggiungendo, tramite canali, il lato a contatto con l’acqua. L’aumento di diametro dei canali erosi, può causare il collasso della struttura. Il fenomeno è già stato studiato in passato e sono stati proposti modelli analitici per la determinazione del gradiente critico nel terreno di fondazione tale da comportare lo sviluppo del canale lungo l’intera base dell’opera. Il più famoso, il modello di Sellmeijer, è stato validato tramite molti test e sembra essere in grado di prevedere il fenomeno in presenza di terreni omogenei, caso riscontrabile molto raramente nella realtà. Successivamente, quindi, sono state eseguite altre prove con l’obiettivo di studiare il fenomeno in condizioni di eterogeneità; un sostanziale incremento della resistenza all’erosione è stato riscontrato. Per esse tuttavia, non esistono ancora modelli matematici e il modello di Selmeijer risulta sovrastimare il rischio a erosione interna. Da ciò, è stata proposta l’idea di inserire una barriera di materiale grossolano. La barriera, progettata al piede del rilevato arginale e sotto lo strato argilloso, funziona come un dreno, attirando a sé maggior quantitativo di acqua, data l’alta permeabilità del materiale. L’aspetto positivo è che diminuisce il gradiente all’interno della barriera e aumenta il gradiente locale all’interno della sabbia di fondazione. Inoltre, data la maggiore dimensione dei grani, le particelle della barriera risultano più pesanti e più difficili da erodere. Basandosi su esperimenti preliminari, la barriera sembra essere una misura promettente contro il fenomeno erosivo, tuttavia, ulteriori studi devono essere condotti per valutarne la fattibilità. Lo studio di fattibilità, ideato da Deltares, è composto da tre tipologie di test (piccola, media e grande scala) dai quali si determinerà la possibilità dell’utilizzo della barriera. Nel caso risulti fattibile, le migliori scelte di materiale e geometria verranno testate presso una “pilot location”, già identificata in Gemeren (Paesi Bassi). Questo lavoro si concentra sulla prima parte della ricerca e riguarda gli esperimenti a piccola scala, i quali utilizzeranno un contenitore rigido adatto a ricreare condizioni analoghe a quelle che avvengono nella realtà. A fianco e di supporto ai test in laboratorio, le simulazioni numeriche sono state d’aiuto per approfondire il comportamento locale della sabbia durante i test in laboratorio. Le analisi sono state condotte utilizzando il software commerciale Plaxis, per simulare l’andamento del flusso. L’aspetto meccanico non è stato tenuto in considerazione. Di conseguenza, le analisi effettuate non hanno l’obiettivo di prevedere lo sviluppo dell’erosione, ma di farci conoscere la distribuzione di carichi idraulici all’interno del materiale, non completamente nota dai risultati degli esperimenti in laboratorio.