PIV measurements of overflow over embankments with different permeabilities

Abstract

Dämme spielen eine wichtige Rolle für den Hochwasserschutz, die Stromerzeugung und die Infrastruktur. Ihr Versagen, besonders in hochwassergefährdeten Regionen, kann schwerwiegende Folgen haben. Erddämme sind besonders anfällig für Versagen durch Überströmen, Sickerwasser und innere Erosion, die aufgrund der veränderten Nieder-schlagsverhältnisse im Zusammenhang mit dem Klimawandel voraussichtlich häufiger auf-treten werden. Um die Stabilität von Dämmen vorhersagen und verstehen zu können, müs-sen sowohl Sicker- als auch Überströmungsprozesse gemeinsam numerisch analysiert wer-den, da ihre kombinierte Wirkung sich von der Bewertung der einzelnen Prozesse unter-scheiden kann.Die Lattice-Boltzmann-Methode bietet einen neuen Ansatz für die Modellierung der Wechselwirkungen zwischen Strömungen in offenen Gerinnen und porösen Strukturen und ermöglicht präzise Simulationen von Phasenübergängen. Badarch et al. (2020) haben diese Methode erfolgreich zur numerischen Modellierung von Überströmung und Durchsickerung durch und über Dämme eingesetzt.Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines Versuchsaufbaus zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten über permeablen Dämmen. Dazu werden Dämme mit unter-schiedlichen Durchlässigkeiten verwendet und die Geschwindigkeit mittels Particle Image Velocimetry gemessen. Die Analyse der Geschwindigkeitsfelder zeigt, dass das durchlässige-re Material (PPI45) an der stromaufwärts gelegenen Böschung und an der Böschungskrone höhere Geschwindigkeiten aufwies als das weniger durchlässige PPI60. Umgekehrt wies PPI60 am flussabwärts gelegenen Gefälle höhere Geschwindigkeiten auf, was aufgrund der größeren Wassertiefe zu erwarten ist. Die erfassten Geschwindigkeitsfelder sollen in naher Zukunft mit dem von Badarch et al. (2020) entwickelten numerischen Modell verglichen werden.

Embankments play a vital role in flood defense, power generation, and infrastructure. When they fail, particularly in flood-prone regions, the consequences can be severe. Earthen embankments are particularly susceptible to failures from overtopping, seepage, and inter-nal erosion, which are expected to become more common due to shifts in precipitation pat-terns linked to climate change. To predict and understand embankment stability, both seep-age and overflow processes must be analyzed numerically together, as their combined effect can differ from assessing them individually.The Lattice-Boltzmann Method offers a novel approach for modeling interactions between open channel flows and porous structures, enabling precise simulations of phase transitions. Badarch et al. (2020) successfully applied this method to numerically model overflow and seepage through and over embankments.The aim of the present work is to develop an experimental setup to measure flow velocities over permeable embankments. This includes using embankments with different permeabili-ties and measuring the velocity using Particle Image Velocimetry. The analysis of the velocity fields shows that the more permeable material (PPI45) on the upstream slope and the em-bankment crest had higher velocities than the less permeable PPI60. Conversely, PPI60 ex-hibited higher velocities on the downstream slope, which is to be expected due to the higher water depth. Captured velocity field are expected to be compared with the numerical model developed by Badarch et al. (2020) in a near future.