Innovative theoretical modelling of dune avalanches in live-bed pier scour

The current Master of Science thesis explores the interaction between scour at bridge piers in live-bed conditions and bedforms, specifically dunes, on the riverbed. This occurs in erodible riverbeds under high-discharge conditions, where intense water flow activates the sediment transport, resulting in live-bed conditions. The research builds on prior studies that observed dune deformation as they approach and enter the scour hole, triggering oscillations in the scour hole. Notably, these oscillations differ in periodicity from those of the dunes themselves. Despite being acknowledged in literature, this phenomenon has not been investigated yet. This thesis studies a simplified version of the problem with a geotechnical approach with the aim of building geotechnical models that, with a minimal set of parameters, successfully replicate observations from previous experimental campaigns while providing a solid theoretical foundation. The three models, developed starting from the Limit Equilibrium Analysis, differentiate from each other in the computation of the acceleration of the slope and into the integration of the velocity of the portion of the slope that stands above the failure plane. More in details the considered models are a Newmark model, that takes into account only the inertial effects, a purely viscous model, in which instead the inertial effects are fully neglected, and a model, defined in this work as “visco-dynamic”, that represents the union of the previous ones as it considers both inertial and viscous effects.

La presente tesi di laurea magistrale indaga l’interazione tra l’erosione localizzata alla base delle pile da ponte in condizioni di letto attivo e le dune che si formano sul fondo dei fiumi. Quest’ultimo fenomeno si sviluppa in letti erodibili in presenza di una portata tale da movimentare il materiale che li compone, condizioni che combaciano appunto con quella di letto attivo. Questo lavoro si basa sulle osservazioni di studi precedenti, i quali hanno evidenziato che le dune si deformano entrando nella buca di erosione, determinando oscillazioni della buca stessa. Tuttavia queste oscillazioni hanno un periodo differente da quello delle dune. Questo fenomeno, sebbene conosciuto, non è mai stato investigato. Si è dunque approcciata una versione semplificata del problema con un approccio geotecnico volto a sviluppare dei modelli che, partendo da una solida base teorica e basandosi su un numero limitato di parametri, potessero riprodurre delle serie di dati ottenute in una precedente campagna sperimentale. I tre modelli, sviluppati partendo dall’Analisi dell’Equilibrio Limite, si differenziano nel calcolo dell’accelerazione del versante e nell’integrazione di questa per determinare la velocità di scorrimento della parte di pendio al di sopra del piano di scorrimento. In particolare, sono stati considerati il modello di Newmark, che considera esclusivamente effetti inerziali, un modello puramente viscoso, nel quale invece gli effetti inerziali sono completamente trascurati, ed un modello, definito in questo lavoro “visco-dinamico”, che rappresenta l’unione dei precedenti e nel quale vengono considerati sia gli effetti viscosi che quelli dinamici.