Mitigating scouring around bridges piers using geosynthetics (geo-carpets) : an experimental study on the effectiveness of protective measures

Pier scouring, being a devastating natural event, is recognized as one of the major contributing factors responsible for the collapse of hydraulic structures. Its destructive potential poses a significant threat, leading to severe consequences including economic losses and casualties. Therefore, this phenomenon has garnered substantial attention, prompting the implementation of diverse countermeasures. Both active and passive approaches have been explored, encompassing techniques that modify flow patterns and solutions that reinforce the bed against scour. This thesis centers on a comprehensive investigation of the geo-carpet, a novel countermeasure system, aiming to evaluate its effectiveness in mitigating scour. The experimental tests were conducted in a controlled environment simulating clear-water scour conditions at a cylindrical pier in free-surface flow. Each test had a duration of 6 hours, designed to be completed within a single day. The experimental campaign encompassed a total of 30 tests at the Hydraulic Lab G.Fantoli, located in the Leonardo campus of the Politecnico di Milano. This included one preliminary test, two unprotected tests, and 27 tests utilizing various types of geo-carpets. The geo-carpets were varied based on three key parameters: coverage area, mesh size, and material flexibility. In addition to observing the scouring phenomenon during the tests, comprehensive quantitative data was collected. The thorough data collection and subsequent surveys enabled an examination of various factors, such as changes in the channel bed, depths of maximum scouring, and alterations in scour volumes. These findings facilitated a dimensionless analysis and comprehensive comparison of all the protected tests, leading to the identification of the most effective geo-carpet configurations. Based on the case study findings, it was observed that fine-flexible nets with optimized coverage area were suitable for mitigating scour upstream of the pier, while coarse-flexible-extended nets proved to be effective in minimizing channel bed changes downstream. The study provides valuable recommendations based on observed trends, obviously constrained to a relatively limited range of conditions explored.

L'erosione localizzata alla base delle pile dei ponti è uno dei fattori maggiormente responsabili del crollo delle strutture in alveo. il suo potenziale distruttivo rappresenta una minaccia con severe conseguenze, tra cui perdite economiche e di vite umane. Il fenomeno è stato oggetto di attenzione e ha stimolato la ricerca di contromisure sia attive che passive, riguardando strategie per la modifica del campo di moto o per il rinforzo del letto. la tesi comprende un'indagine sperimentale del "geo-carpet" per valutarne la capacità di mitigare i livelli di erosione. Prove sperimentali sono state condotte in laboratorio per erosione in acque chiare a una pila circolare sotto l'azione di un flusso a superficie libera. Ogni esperimento ha avuto una durata di 6 ore, con questo potendo essere completato in un giorno. La campagna sperimentale ha compreso 30 esperimenti, svolti presso il laboratorio di idraulica Fantoli del Politecnico di Milano. Un esperimento preliminare per la ricerca delle condizioni di prova è stato seguito da 2 esperimenti con pila non protetta e 27 esperimenti con diverse configurazioni del geo-carpet in termini di area coperta, dimensione delle maglie, e flessibilità del materiale. I dati quantitativi misurati durante gli esperimenti sono stati analizzati in termini di profondità di erosione e volume di sedimento coinvolto. Tutti gli esperimenti sono stati confrontati tramite un'opportuna analisi adimensionale, identificando le configurazioni più promettenti. Un geo-carpet a maglia fine, flessibile e di area opportunamente determinata mitiga efficacemente lo scavo a monte della pila, mentre un geo-carpet a maglia grossolana, flessibile è efficace per ridurre lo scavo a valle. Lo studio offre indicazioni preliminari, da considerarsi ovviamente valide nel campo sperimentale indagato.