Experimental and numerical analysis of overloaded channel in supercritical condition

Floods are among the adverse natural events with the possibility of turning into a disaster, causing economic losses and casualties. Flood events can become even more dangerous with the presence of intense sediment transport since the morphologic response of a river can determine erosion and deposition in different areas. In-bed structures can be undermined in erosional reaches, while the riverbed elevation increases in a depositional reach and, consequently, the conveyance of the river decreases. The dynamics of the morphologic processes may be different in lowland and upland reaches due to different sediment, slopes, and flow properties. The aim of the thesis is to study, experimentally and numerically, the bed aggradation process in an overloaded channel with a supercritical flow regime. The aggradation experiments of the study are executed in the Mountain Hydraulics Laboratory of the Politecnico di Milano, located in the Lecco campus. These experiments are characterized by an inflow discharge of sediment material that is larger than the sediment transport capacity, resulting in the deposition of sediment in the studied channel. A series of aggradation experiments are realized varying the water discharge and the inflow sediment discharge. Beyond the observation of the phenomenon in progress, the experiments provide quantitative information. For the purpose of experimental data acquisition, different parts of the experimental system are monitored with different cameras, and measurements are done through some image processing methods, appropriately devised. The experimental campaign is completed by experiments specifically devoted to determining the sediment transport capacity of the flow at the initial condition. The time scales of a considered scenario are of great importance for the goal of emergency planning. For the present experiments, this consideration stimulates a study of the propagation of a sediment aggradation wave, for which a front can be identified and its celerity can be determined. The runs performed in this thesis enable preliminary considerations to be made on how a front celerity may depend on the control parameters of the system. The aggradation process studied by the experimental tests is also reproduced with a numerical simulation. The software used to implement the numerical model is BASEMENT, provided by ETH Zurich. In order to obtain a good correspondence between numerical and experimental results, two parameters are calibrated: the Manning coefficient and a bedload factor for the computation of the sediment transport capacity. Depending on the water discharge, different values for calibration factors are obtained.

Le alluvioni sono tra gli eventi naturali avversi con la possibilità di trasformarsi in un disastro, causando perdite economiche e vittime. Gli eventi alluvionali possono diventare ancora più pericolosi con la presenza di un intenso trasporto di sedimenti poiché la risposta morfologica di un fiume può determinare erosione e deposizione in diverse aree. Nei tratti in erosione le fondazioni delle strutture in alveo possono essere instabilizzate, mentre in un tratto deposizionale l’aumento della quota del fondo riduce la capacità di portata dell’alveo. La dinamica dei processi morfologici può essere diversa nei corsi d’acqua di pianura e di montagna, a causa delle differenti proprietà dei sedimenti, pendenze e flussi. Obiettivo della tesi è studiare, sperimentalmente e numericamente, il processo di sovralluvionamento del letto in un canale con flusso supercritico. Gli esperimenti morfologici dello studio sono eseguiti nel Laboratorio di Idraulica Montana del Politecnico di Milano, situato nel campus di Lecco. Questi esperimenti sono caratterizzati da un apporto di materiale solido maggiore della capacità di trasporto del flusso idrico, con conseguente deposito di sedimento nel canale studiato. Viene realizzata una serie di esperimenti di sovralluvionamento variando la portata idrica e l’apporto dei sedimenti in ingresso. Oltre all'osservazione del fenomeno, gli esperimenti forniscono informazioni quantitative. Ai fini dell'acquisizione dei dati sperimentali, diverse parti del sistema sperimentale vengono monitorate con alcune telecamere e le misurazioni vengono effettuate attraverso metodi di elaborazione delle immagini, opportunamente ideati. La campagna sperimentale è completata da prove specificatamente dedicate alla determinazione della capacità di trasporto dei sedimenti per il flusso nelle condizioni iniziali. Le scale temporali di uno scenario considerato sono di grande importanza per la gestione dell'emergenza. Per i processi qui considerati, questo stimola lo studio della propagazione di un'onda di deposizione dei sedimenti, per la quale è possibile identificare un fronte e determinarne la celerità. Le prove svolte in questa tesi consentono di fare considerazioni preliminari su come una celerità del fronte di deposizione possa dipendere dai parametri di controllo del sistema. Il processo morfologico studiato nelle prove sperimentali viene inoltre riprodotto con una simulazione numerica. Il software utilizzato per implementare il modello numerico è BASEMENT, fornito dall'ETH di Zurigo. Al fine di ottenere una buona corrispondenza tra risultati numerici e sperimentali, vengono calibrati due parametri: il coefficiente di Manning e un coefficiente da applicare a una formula per il calcolo della capacità di trasporto dei sedimenti. A seconda della portata idrica, si ottengono valori diversi per i fattori di calibrazione.