Dynamic analysis of dune avalanches in live-bed pier scour

This thesis presents the findings of laboratory experiments conducted within a controlled flow environment, focusing on the phenomenon of local scour around a cylindrical pier in a covered flume. The primary objective was to deepen our understanding of covered flow-induced scour. Our research builds upon prior studies and introduces new insights into this complex phenomenon. The experiments involved discharges set at 1.4 and 1.5 times the established threshold flow rate for sediment transport. The fluctuations in scour depth that occurred were determined to have a direct connection with the flow rate. To address this, two distinct methods were employed: laser observation and data reconstruction from camera footage. Both methods produced consistent results, validating the effectiveness of our approach. A set up of a geotechnical model for the sediment avalanches that are typical of live-bed scour was conducted to investigate dune avalanches within the scour hole, with a particular focus on the dynamic aspects. In accordance with the parameters available within the conceptual model, we have devised experiments to systematically assess each of the essential parameters. Velocity fluctuations near the pier were analyzed to gain valuable insights. Most particles were swept away by the vortex, periodically moving away from the pier at higher velocities. The time between such events averaged less than 1.4 seconds, suggesting that the vortex force remained relatively constant throughout the study. Experiments conducted at higher flow rates exhibited more pronounced variations in velocity and slope parameters, whereas reducing the flow rate led to a narrower range of variation in these parameters. Examining changes in erosion patterns over a period and taking into account the existence of incoming dunes highlights the significance of the observed variations in attributes such as sediment concentration, velocity, and the sediment transport rate. The temporal progression of sediment transport closely mirrored the trend observed in the concentration of mobilized particles, although sediment velocity displayed distinct and smoother undulations. Future research endeavors are advised to explore elevated flow rate ratios exceeding a value of 2 to elucidate transition phases and temporal fluctuations in scour depth further. This strategic approach will contribute to a more comprehensive understanding of scour processes in covered flow environments. Additionally, the implementation of the conceptual geotechnical model may be undertaken in the future.

Questa tesi presenta i risultati di esperimenti di laboratorio condotti in un ambiente di flusso controllato, concentrandosi sul fenomeno dell'erosione locale intorno a un pilastro cilindrico in un canale coperto. L'obiettivo principale era approfondire la nostra comprensione dell'erosione indotta dal flusso coperto. La nostra ricerca si basa su studi precedenti e introduce nuove intuizioni in questo fenomeno complesso. Gli esperimenti hanno coinvolto portate impostate a 1,4 e 1,5 volte la portata di flusso soglia stabilita per il trasporto di sedimenti. Le fluttuazioni nella profondità dell'erosione che sono occorse sono state determinate avere una connessione diretta con la portata del flusso. Per affrontare questo problema, sono state impiegate due metodologie distinte: l'osservazione laser e la ricostruzione dei dati dalle riprese delle telecamere. Entrambe le metodologie hanno prodotto risultati coerenti, convalidando l'efficacia del nostro approccio. È stato realizzato un modello geotecnico per le valanghe di sedimenti tipiche dell'erosione a letto mobile al fine di investigare le valanghe di dune all'interno del buco di erosione, con un particolare focus sugli aspetti dinamici. In accordo con i parametri disponibili all'interno del modello concettuale, abbiamo ideato esperimenti per valutare sistematicamente ciascuno dei parametri essenziali. Sono state analizzate le fluttuazioni di velocità vicino al pilastro al fine di ottenere preziose intuizioni. La maggior parte delle particelle è stata trascinata dal vortice, muovendosi periodicamente lontano dal pilastro a velocità più elevate. Il tempo tra tali eventi è risultato in media inferiore a 1,4 secondi, suggerendo che la forza del vortice sia rimasta relativamente costante durante lo studio. Gli esperimenti condotti a portate più elevate hanno mostrato variazioni più pronunciate nei parametri di velocità e pendenza, mentre la riduzione della portata ha portato a una gamma più stretta di variazione in questi parametri. Esaminando i cambiamenti nei modelli di erosione nel tempo e tenendo conto dell'esistenza di dune entranti, emerge l'importanza delle variazioni osservate in attributi come la concentrazione di sedimenti, la velocità e la portata di trasporto dei sedimenti. La progressione temporale del trasporto di sedimenti ha seguito da vicino la tendenza osservata nella concentrazione delle particelle mobilitate, anche se la velocità dei sedimenti ha mostrato fluttuazioni distinte e più lisce. Si consiglia che future ricerche esplorino rapporti di portata più elevati che superino un valore di 2 per chiarire ulteriormente le fasi di transizione e le fluttuazioni temporali nella profondità dell'erosione. Questo approccio strategico contribuirà a una comprensione più completa dei processi di erosione in ambienti di flusso coperto. Inoltre, l'implementazione del modello geotecnico concettuale potrebbe essere affrontata in futuro.