Experimental and numerical study of channel aggradation

Channel overloading may increase the flood risk, since it induces water level higher than those for the same discharge and clear waters. In this work, the bed aggradation process in an overloaded channel is studied both experimentally and numerically. The former approach is more suitable for the processes observation and interpretation, while the latter is normally used in hazard assessment. The experimental campaign, performed at the Mountain Hydraulics Lab of the Politecnico di Milano (Lecco campus), includes 17 experiments with different combinations of hydro-dynamic conditions and overloading ratios. The experimental data are obtained processing movies acquired during the experiments, and include the water and bed profiles, the sediment feeding rate and the sediment transport capacity of the channel. Due to the solid overloading conditions that characterize the aggradation experiments, an aggradation front propagates downstream, provoking a major change in the bed configuration. The sediment front height and celerity of propagation are studied as functions of the control parameters of the system. The front celerity mostly depends on the Froude number of the flow; dually, the front height reasonably depends on the overloading ratio. The measured values of the celerity are compared to those provided by literature formulae, detecting highly variable levels of accuracy. The numerical simulations mimic the geometry and boundary conditions of the corresponding experiments. The numerical models are calibrated by adding a downstream dummy reach and modifying the used sediment transport law. The morphologic evolution obtained numerically resembles the one observed during the experiments, even though some processes cannot be reproduced by the mathematical model used (for example, the bed forms).

I processi di sovralluvionamento influiscono sul rischio alluvionale, determinando livelli idrici maggiori di quelli che si avrebbero per le stesse portate in acque chiare. Nel presente lavoro, il fenomeno di innalzamento del fondo in un canale sovralimentato è studiato sia sperimentalmente che numericamente, essendo il primo approccio più adatto all’osservazione e interpretazione del processo e il secondo quello di norma usato nella valutazione della pericolosità. La campagna sperimentale, svolta nel Laboratorio di Idraulica Montana del Politecnico di Milano (campus di Lecco,) si compone di 17 esperimenti, caratterizzati diverse combinazioni delle condizioni idrodinamiche e dell’entità della sovralimentazione solida. I dati sperimentali, ottenuti dall’elaborazione di filmati acquisiti durante gli esperimenti, i profili della superficie libera, i profili del fondo dell’alveo, la portata del materiale solido immesso e la capacità di trasporto. Durante gli esperimenti, caratterizzati da una portata solida immessa maggiore della capacità di trasporto nelle condizioni iniziali, è osservata la propagazione di un fronte di deposito solido, responsabile di un marcato cambio di configurazione del fondo dell’alveo. Si presenta uno studio delle principali proprietà caratterizzanti il fronte: altezza e celerità di propagazione, e della loro dipendenza dai parametri di controllo del sistema. La celerità del fronte dipende prevalentemente dal numero di Froude della corrente, mentre l’altezza del fronte varia in ragione della sovralimentazione solida. Le celerità misurate sono state paragonate a quelle calcolate tramite formule di letteratura, ottenendo livelli di accordo molto variabili. Le simulazioni numeriche riproducono la geometria e le condizioni al contorno degli esperimenti corrispondenti. I modelli numerici sono calibrati inserendo un tratto fittizio a valle e modificando opportunamente l’equazione per la stima della capacità di trasporto. L’evoluzione morfologica ottenuta dalle simulazioni numeriche è conforme a quella osservata sperimentalmente, per quanto alcuni fenomeni non possano essere rappresentati dal modello matematico usato (ad esempio, le forme di fondo).