Experimental and numerical investigation of the evolution of piping and resulting breach in earth-fill dams

Abstract

Earth-fill dams have been constructed for decades by compacting natural soil materials near the dam site. Piping is of the most important causes of their failure. In the scope of this thesis, 2 m in length homogenous earth-fill dams were constructed in a rectangular flume in the laboratory of the Izmir University of Economics. The experimental and numerical investigations on a breach by generating piping were realized with different weak zone scenarios. Three experiments were performed by placing a weak layer cross-section 5x5 cm2 at the dam bottom center. One scenario was performed by locating a weak layer of 2x2 cm2, 28 cm above the bottom. Temporal breach areas and the breach-wetted areas are evaluated on scaled screenshots by using Gauss’s area formulation. The Temporal breach discharges were calculated from the continuity equation. Furthermore, finite element analyses on the breaching of homogenous earth-fill dams in different scenarios were performed by comparing the hydraulic gradient with the critical value. In addition to the bottom and middle scenarios, two upper scenarios were also modeled. The water depths were used for each scenario to represent the experimental conditions, and some approaches were made for the weak zones. To simulate the breach mechanism with different loops, a python algorithm was integrated with the Jupyter console. As a result of the simulations, it has been observed that the findings obtained by simulations were in accord with the experimental studies, and the dams were exposed to backward piping starting from downstream towards upstream.

Toprak dolgu barajlar, onlarca yıldır baraj sahasının yakınında doğal toprak malzemelerinin sıkıştırılmasıyla inşa edilmiştir. Borulama, baraj yıkılmalarının en önemli nedenlerinden biridir. Bu tez kapsamında, İzmir Ekonomi Üniversitesi laboratuvarında dikdörtgen bir kanal içine 2 m uzunluğunda homojen toprak dolgu barajları inşa edilmiştir. Farklı zayıf bölge senaryoları ile borulama oluşturularak bir gediklenmenin deneysel ve sayısal incelemeleri gerçekleştirilmiştir. Baraj tabanı ve ortasında 5x5 cm2 en kesitinde bir zayıf bölge yerleştirilerek üç deney, tabandan 28 cm yukarıya 2x2 cm2'lik bir zayıf bir bölge yerleştirilerek bir deney gerçekleştirildi. Zamansal gedik alanları ve gedik-ıslak alanları Gauss alan formulasyonu kullanılarak ölçekli ekran görüntüleri üzerinde değerlendirildi. Zamansal gedik debileri ise süreklilik denkleminden hesaplandı. Deneysel çalışmalara ilaveten, hidrolik eğim ile kritik eğim karşılaştırılarak farklı senaryolarda homojen toprak dolgu barajlarda borulanma üzerine sonlu elemanlar analizleri yapılmıştır. Alt ve orta senaryolara ilaveten, iki adet üst senaryo da modellenmiştir. Deneysel koşulları gerçekleştirmek etmek için her senaryoda zamana bağlı su derinlikleri kullanılmış ve zayıf bölgeler için bazı yaklaşımlar yapılmıştır. Gedik mekanizmasını farklı döngülerle simüle etmek için Jupyter konsoluna bir python algoritması geliştirildi. Simülasyonlar sonucunda simülasyonlarla elde edilen bulguların deneysel çalışmalarla uyumlu olduğu ve barajların mansaptan başlayarak membaya doğru geriye doğru borulamaya maruz kaldığı görülmüştür.