A depth-integrated model for debris flow propagation by adopting SPH method

Debris flows are complex natural phenomena that cause significant economic damage and casualties in mountainous regions and along rivers. Accurate and efficient debris flow analysis is crucial for assessing risks and identifying vulnerable areas that require mitigation measures. This study presents an advanced numerical modeling approach to simulate debris flows, focusing on the integration of excess pore-water pressure for a better analysis. The proposed model implements a two-phase model and provides evolution of excess pore pressure. The mathematical approach is a depth integrated model, which can reproduce debris flow propagation with soil permeability ranging from high to low. The equations are discretized using the Smooth Particle Hydrodynamic (SPH) technique, featuring a double set of nodes for solid and fluid particles. The SPH depth integrated model is a 2D model capable of predicting runout distance, flow velocity, deposition pattern, and final volume of debris flows. It is based on a coupled depth integrated model derived from a velocity-pressure version of Biot-Zienkiewicz equations, and uses constitutive or rheological models such as the frictional and Bingham models to simulate debris flows. A case study validated the model through back-analysis. The performance and limitations of the proposed model are assessed using benchmark exercises, including dam break problems and real-case scenarios with reliable information. The validation analysis demonstrates that the model can accurately reproduce debris flow propagation velocity, runout distance, and deposit thickness, and effectively model the time-space evolution of excess pore-water pressures throughout the propagation stage. In conclusion, the advanced numerical modeling approach presented in this study offers significant improvements in debris flow analysis, specifically by integrating more precise excess pore-water pressure description as well as providing erosion simulation. This enhanced model can help decision-makers and practitioners in assessing and managing risks associated with debris flows, ultimately contributing to the protection of lives and infrastructure in vulnerable areas.

Le colate di detriti sono fenomeni naturali complessi che causano ingenti danni economici e vittime nelle regioni montuose e lungo i fiumi. Un'analisi accurata ed efficiente delle colate di detriti è fondamentale per valutare i rischi e individuare le aree vulnerabili che richiedono misure di mitigazione. Questo studio presenta un avanzato approccio di modellazione numerica per simulare le colate di detriti, concentrandosi sull'integrazione della pressione interstiziale in eccesso per una migliore analisi. Il modello proposto implementa un modello a due fasi e fornisce l'evoluzione della pressione interstiziale in eccesso. L'approccio matematico è un modello integrato in profondità, in grado di riprodurre la propagazione delle colate di detriti con permeabilità del suolo che varia da alta a bassa. Le equazioni sono discretizzate utilizzando la tecnica Smooth Particle Hydrodynamic (SPH), caratterizzata da un doppio insieme di nodi per particelle solide e fluide. Il modello SPH integrato in profondità è un modello 2D in grado di prevedere la distanza di esaurimento, la velocità del flusso, il modello di deposizione e il volume finale delle colate di detriti. Si basa su un modello integrato in profondità accoppiato derivato da una versione di velocità-pressione delle equazioni di Biot-Zienkiewicz e utilizza modelli costitutivi o reologici come i modelli frizionali e di Bingham per simulare le colate di detriti. Un caso di studio ha validato il modello attraverso un'analisi retrospettiva. Le prestazioni e i limiti del modello proposto sono valutati utilizzando esercizi di riferimento, tra cui problemi di rottura di dighe e scenari reali con informazioni affidabili. L'analisi di validazione dimostra che il modello può riprodurre con precisione la velocità di propagazione delle colate di detriti, la distanza di esaurimento e lo spessore del deposito, e modellare efficacemente l'evoluzione spazio-temporale delle pressioni interstiziali in eccesso durante la fase di propagazione. In conclusione, l'avanzato approccio di modellazione numerica presentato in questo studio offre miglioramenti significativi nell'analisi delle colate di detriti, in particolare integrando una descrizione più precisa della pressione interstiziale in eccesso e fornendo una simulazione dell'erosione. Questo modello migliorato può aiutare i responsabili delle decisioni e i professionisti nella valutazione e nella gestione dei rischi associati alle colate di detriti, contribuendo in ultima analisi alla protezione delle vite e delle infrastrutture nelle aree vulnerabili.