A platform for research: civil engineering, architecture and urbanism
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Debris-flow velocities and superelevation in a curved laboratory channel
L’équation de vortex est souvent utilisée pour estimer la vitesse de front de coulées de débris à partir de l’inclinaison latérale de la surface d’écoulement dans un canal au rayon de courbure déterminé. Nous décrivons ici les expériences de laboratoire qui ont permis d’évaluer l’application de l’équation de vortex aux coulées de débris canalisées. Des expériences été réalisées de manière rigoureuse en laboratoire au moyen d’un canal expérimental de 8 m de long à fond rugueux et à section transversale semi-circulaire (17 cm de largeur au sommet) formant deux courbes de rayons différents (1,0 et 1,5 m) et comportant une pente de 60° et deux inclinaisons différentes (de 15° et 20°). On a utilisé quatre mélanges sédimentaires en faisant varier régulièrement la quantité de sédiments fins. Les expériences réalisées ont consisté à déverser d’un seul coup dans le canal 12 kg de débris saturés en eau et ont été répétés plusieurs fois afin de vérifier répétitivité obtenue pour un mélange sédimentaire donné. On dispose des données de 69 expériences de déversement réalisées avec un degré d’inclinaison du canal du 20° et de 16 expériences effectuées avec un degré d’inclinaison de 15°. La vitesse d’écoulement a été déterminée à l’aide d’une caméra vidéo à grande vitesse et la profondeur de l’écoulement et l’inclinaison latérale de la surface d’écoulement ont été mesurées au moyen des capteurs laser. D’une manière générale, les résultats obtenus pour un mélange sédimentaire en particulier sont répétables. Nous avons constaté que le degré d’inclinaison du canal et les rayons de courbure influaient beaucoup sur le facteur de correction k utilisé dans l’équation de vortex. Par ailleurs, les angles d’inclinaison latérale sont plus élevés dans le cas des mélanges sédimentaires à grains relativement gros que dans celui des mélanges à grains plus petits. Nous avons en outre découvert une corrélation importante d’un point de vue statistique entre le facteur de correction et le nombre de Froude. Des valeurs du facteur de correction k supérieures à 1 et inférieures à 5 ont également été observées dans le cas d’écoulements supercritiques. Cependant, dans ce dernier cas, le facteur de correction prend une valeur élevée, fonction du nombre de Froud, ce qui implique une adaptation de l’équation de vortex forcé qui tienne compte des pressions active et passive des terres. Enfin, en nous basant sur les résultats de nos expériences, nous présentons une équation de vortex forcé permettant de calculer la vitesse d’écoulement de débris sans utiliser de facteur de correction. [Traduit par la Rédaction]
The vortex equation is often used to estimate the front velocity of debris flows using the lateral slope of the flow surface through a channel bend of a given radius. Here we report on laboratory experiments evaluating the application of the vortex equation to channelized debris flows. Systematic laboratory experiments were conducted in a 8 m long laboratory flume with a roughened bed, semi-circular cross section (top width 17 cm), and two different bend radii (1.0 and 1.5 m) with a common bend angle of 60°, and two channel inclinations (15° and 20°). Four sediment mixtures were used with systematic variations in the amount of fine sediment. In the experiments, 12 kg of water-saturated debris were released in a dam-break fashion, and multiple experiments were conducted to verify the repeatability for a given sediment mixture. Data are available for 69 experimental releases at a channel inclination of 20° and 16 releases at an inclination of 15°. Flow velocity was determined with high-speed video, and flow depth and the lateral inclination of the flow surface (superelevation) were measured using laser sensors. In general, the results from an individual sediment mixture are repeatable. We found that the channel slope as well as centerline radius have a significant influence on the correction factor k used in the vortex equation. Relatively coarse-grained sediment mixtures have larger superelevation angles than finer-grained mixtures. We found a statistically significant relation between the correction factor and Froude number. Correction factors of 1 < k < 5 were found for supercritical flow conditions. However, for subcritical flow conditions the correction factor shows a larger value as a function of the Froude number, which leads to an adaption of the forced vortex formula considering active and passive earth pressures. Finally, based on our experimental results, we present a forced vortex equation for debris-flow velocity estimation without a correction factor.
Debris-flow velocities and superelevation in a curved laboratory channel
L’équation de vortex est souvent utilisée pour estimer la vitesse de front de coulées de débris à partir de l’inclinaison latérale de la surface d’écoulement dans un canal au rayon de courbure déterminé. Nous décrivons ici les expériences de laboratoire qui ont permis d’évaluer l’application de l’équation de vortex aux coulées de débris canalisées. Des expériences été réalisées de manière rigoureuse en laboratoire au moyen d’un canal expérimental de 8 m de long à fond rugueux et à section transversale semi-circulaire (17 cm de largeur au sommet) formant deux courbes de rayons différents (1,0 et 1,5 m) et comportant une pente de 60° et deux inclinaisons différentes (de 15° et 20°). On a utilisé quatre mélanges sédimentaires en faisant varier régulièrement la quantité de sédiments fins. Les expériences réalisées ont consisté à déverser d’un seul coup dans le canal 12 kg de débris saturés en eau et ont été répétés plusieurs fois afin de vérifier répétitivité obtenue pour un mélange sédimentaire donné. On dispose des données de 69 expériences de déversement réalisées avec un degré d’inclinaison du canal du 20° et de 16 expériences effectuées avec un degré d’inclinaison de 15°. La vitesse d’écoulement a été déterminée à l’aide d’une caméra vidéo à grande vitesse et la profondeur de l’écoulement et l’inclinaison latérale de la surface d’écoulement ont été mesurées au moyen des capteurs laser. D’une manière générale, les résultats obtenus pour un mélange sédimentaire en particulier sont répétables. Nous avons constaté que le degré d’inclinaison du canal et les rayons de courbure influaient beaucoup sur le facteur de correction k utilisé dans l’équation de vortex. Par ailleurs, les angles d’inclinaison latérale sont plus élevés dans le cas des mélanges sédimentaires à grains relativement gros que dans celui des mélanges à grains plus petits. Nous avons en outre découvert une corrélation importante d’un point de vue statistique entre le facteur de correction et le nombre de Froude. Des valeurs du facteur de correction k supérieures à 1 et inférieures à 5 ont également été observées dans le cas d’écoulements supercritiques. Cependant, dans ce dernier cas, le facteur de correction prend une valeur élevée, fonction du nombre de Froud, ce qui implique une adaptation de l’équation de vortex forcé qui tienne compte des pressions active et passive des terres. Enfin, en nous basant sur les résultats de nos expériences, nous présentons une équation de vortex forcé permettant de calculer la vitesse d’écoulement de débris sans utiliser de facteur de correction. [Traduit par la Rédaction]
The vortex equation is often used to estimate the front velocity of debris flows using the lateral slope of the flow surface through a channel bend of a given radius. Here we report on laboratory experiments evaluating the application of the vortex equation to channelized debris flows. Systematic laboratory experiments were conducted in a 8 m long laboratory flume with a roughened bed, semi-circular cross section (top width 17 cm), and two different bend radii (1.0 and 1.5 m) with a common bend angle of 60°, and two channel inclinations (15° and 20°). Four sediment mixtures were used with systematic variations in the amount of fine sediment. In the experiments, 12 kg of water-saturated debris were released in a dam-break fashion, and multiple experiments were conducted to verify the repeatability for a given sediment mixture. Data are available for 69 experimental releases at a channel inclination of 20° and 16 releases at an inclination of 15°. Flow velocity was determined with high-speed video, and flow depth and the lateral inclination of the flow surface (superelevation) were measured using laser sensors. In general, the results from an individual sediment mixture are repeatable. We found that the channel slope as well as centerline radius have a significant influence on the correction factor k used in the vortex equation. Relatively coarse-grained sediment mixtures have larger superelevation angles than finer-grained mixtures. We found a statistically significant relation between the correction factor and Froude number. Correction factors of 1 < k < 5 were found for supercritical flow conditions. However, for subcritical flow conditions the correction factor shows a larger value as a function of the Froude number, which leads to an adaption of the forced vortex formula considering active and passive earth pressures. Finally, based on our experimental results, we present a forced vortex equation for debris-flow velocity estimation without a correction factor.
Debris-flow velocities and superelevation in a curved laboratory channel
Christian Scheidl (author) / Brian W McArdell / Dieter Rickenmann
2015
Article (Journal)
English
Models , Experiments , physical model , Sediment transport , front velocity , coulée de débris , Vortex-motion , vitesse de front de coulée , Geotechnology , modèle physique , superelevation , Flow velocity , Sediments (Geology) , forced vortex equation , inclinaison latérale , debris flow , équation de vortex force , Properties
Debris-flow velocities and superelevation in a curved laboratory channel
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Superelevation analysis of the debris flow curve in Xiedi gully, China
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Superelevation of concrete carriageways
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