Experimental and numerical analysis of channel aggradation in supercritical condition

Dangerous natural events such as floods are probable to cause substantial disasters with a devastating effect on the quality of human life. The flood as a dynamic phenomenon (both in space and time) can be even more threatening when it carries a significant volume of sediment which can change the riverbed elevation through deposition and erosion incidents. Indeed, while the degradation phenomenon causes damage to structures located in the riverbed, the aggradation phenomenon can raise the level of the riverbed and thus reduce the river's ability to carry sediments. This reduction is able to be developed into growth in flood risk. The current study aims to deepen the knowledge of channel aggradation phenomena in supercritical flow by coupling both experimental and numerical approaches. The first approach is better for observing and interpreting processes, whereas the second approach is more commonly utilized in hazard assessments. The experimental campaign related to supercritical flow, performed at the Mountain Hydraulics Lab of the Politecnico di Milano (Lecco campus), includes 14 experiments with different boundary conditions, regarding various water and sediment inflow discharges. Moreover, the aggradation phenomenon in the studied channel is formed by choosing the value of sediment inflow discharge larger than the sediment transport capacity of the channel. Due to the dynamic nature of the campaign, different parts of the channel are observed and recorded by cameras. Then the taken videos during the experiment are processed by image processing methods provided in MATLAB code to measure the sediment feeding rate, the water and bed profiles, and the sediment transport capacity of the channel as the primary data. Furthermore, the Froude numbers and propagation celerity of the aggradation phenomena are evaluated to have a better view of the deposition phenomenon. It should be mentioned that in supercritical flow, aggradation happens in a dispersive way since it deals with higher flow velocities. Therefore, it gets difficult and almost impossible to detect any aggradation front. In the present research, two different methods are employed to measure the value of celerity, and then a comparison is made between them. Also, in this thesis, numerical models developed by BASEMENT software, provided by ETH Zurich, are adapted to relate the experimental campaign to theoretical concepts of hydro-morphology. Indeed, this numerical model, calibrated by considering Manning’s coefficient and bedload factor to have better consistency with experimental outcomes, can be used as a predictive tool for infeasible physical situations.

È probabile che eventi naturali pericolosi come le inondazioni causino disastri sostanziali con effetti devastanti sulla qualità della vita umana. L'alluvione come fenomeno dinamico (sia nello spazio che nel tempo) può essere ancora più minaccioso quando trasporta un volume significativo di sedimenti che possono modificare l'elevazione del letto del fiume a causa di depositi ed erosioni. Infatti, mentre il fenomeno del degrado provoca danni alle strutture poste nell'alveo del fiume, il fenomeno dell'aggressione può innalzare il livello dell'alveo e quindi ridurre la capacità del fiume di trasportare sedimenti. Questa riduzione può trasformarsi in una crescita del rischio di alluvione. Lo studio corrente mira ad approfondire la conoscenza dei fenomeni di aggregazione di canale nel flusso supercritico accoppiando approcci sperimentali e numerici. Il primo approccio è migliore per osservare e interpretare i processi, mentre il secondo approccio è più comunemente utilizzato nelle valutazioni dei rischi. La campagna sperimentale relativa al flusso supercritico, eseguita presso il Laboratorio di Idraulica della Montagna del Politecnico di Milano (sede di Lecco), prevede 14 esperimenti con diverse condizioni al contorno, riguardanti vari scarichi di acqua e sedimenti. Inoltre, il fenomeno di aggregazione nel canale studiato si forma scegliendo un valore di portata di sedimento in entrata maggiore della capacità di trasporto dei sedimenti del canale. A causa della natura dinamica della campagna, diverse parti del canale vengono osservate e registrate dalle telecamere. Quindi i video registrati durante l'esperimento sono trattati dai metodi di elaborazione delle immagini forniti nel codice MATLAB per misurare la velocità di alimentazione dei sedimenti, i profili dell'acqua e dell'alveo e la capacità di trasporto dei sedimenti del canale come dati primari. Inoltre, si valutano i numeri di Froude e la velocità di propagazione dei fenomeni di aggregazione per avere una visione migliore del fenomeno di deposizione. Va menzionato che nel flusso supercritico, l'aggradazione avviene in modo dispersivo poiché si occupa di velocità di flusso più elevate. Pertanto, diventa difficile e quasi impossibile rilevare qualsiasi fronte di aggregazione. Nella presente ricerca, vengono utilizzati due diversi metodi per misurare il valore della celerità, quindi viene effettuato un confronto tra di loro. Inoltre, in questa tesi, i modelli numerici sviluppati dal software BASEMENT, fornito dall'ETH di Zurigo, sono adattati per mettere in relazione la campagna sperimentale con concetti teorici di idromorfologia. In effetti, questo modello numerico, calibrato tenendo conto il coefficiente di Manning e il fattore di carico utile per avere una migliore coerenza con i risultati sperimentali, può essere utilizzato come strumento predittivo per situazioni fisiche irrealizzabili.