Experimental analysis of channel overloading in supercritical condition

A flash-flood event may involve a large volume of sediment material transported along the channel. The aggradation of sediment may reduce the conveyance of the river channel and, consequently, increase the maximum water level; therefore, the risk of stream overflowing and flooding may increase considerably. Knowledge of the aggradation processes requires numerical or experimental work and may help mitigating the adverse consequences of these processes. This study presents a laboratory investigation of the aggradation phenomena in supercritical flows; an experimental campaign has been performed at the Mountain Hydraulics Lab of the Politecnico di Milano (Lecco campus), for constant slope and hydraulic conditions while imposing different overloading ratios (the latter is the ratio between a sediment supply rate and the transport capacity at initial flow). Many movies have been acquired during the experiments; by utilizing various image processing methods, experimental data have been obtained for the water and bed profiles, sediment feeding rate, and sediment transport capacity of the flows. The presentation of the experimental findings is concentrated on a phenomenological description of the aggradation process, where the aggradation height is larger close to the sediment feeding point and decreasing downstream. The channel tends to a new slope, higher than the initial one. The analysis of the sediment propagation is based on defining a celerity for the aggradation front that travels along the channel, exploiting definitions and methods that were established in previous works for subcritical conditions. The celerity of the front is put in correlation with the overloading ratio, that was the control parameter varied in the homogeneous series of experiments performed. To investigate potential similarity between the profiles for different overloading conditions, a non-dimensional analysis is performed.

Una piena fluviale può trasportare quantità ingenti di sediment, la cui eventuale deposizione può ridurre la capacità di portata delle sezioni e, conseguentemente, aumentare i livelli idrici; in definitiva, il pericolo di esondazione è accresciuto dalla deposizione. La conoscenza dei processi di deposizione, che può aiutare a mitigarne gli effetti avversi, richiede l’uso di modelli, numerici o fisici. Questa tesi presenta un’indagine di laboratorio relativa al processo di deposizione in condizioni di corrente veloce. Gli esperimenti sono stati condotti presso il Laboratorio di Idraulica Montana, campus di Lecco del Politecnico di Milano. Si è mantenuta una pendenza costante e non sono state variate le condizioni idrodinamiche, mentre si è variato il grado di sovralluvionamento, inteso come il rapporto tra un apporto di sedimento e la capacità di trasporto del flusso nelle condizioni iniziali. La procedura sperimentale include la ripresa di diversi video e l’ottenimento del dato sperimentale applicando diversi metodi di analisi d’immagine. Le grandezze misurate sono i profili idrico e del fondo, la portata di apporto solido e la capacità di trasporto iniziale. I dati sono presentati per fornire una descrizione fenomenologica del processo, in cui si assiste a un aumento della pendenza media del letto nel quale la deposizione è massima in prossimità del punto di ingresso del solido e diminuisce verso valle. L’analisi della propagazione del sedimento si basa sulla definizione di una celerità per un fronte di sedimento che migra lungo il canale, sfruttando definizioni e metodi sviluppati in una precedente campagna per correnti lente. La celerità del fronte è correlata con il grado di sovralluvionamento, che è il parametro variato nella serie sperimentale. Si presenta inoltre un’analisi adimensionale dei profili del fondo, volta a ricercare similitudini tra i profili per le diverse condizioni.