Physical modelling of debris flow countermeasure: deflection wall

Abstract

Noreg og andre land med bratt terreng erfarer fare knytt til gravitasjonsrelaterte prosessar grunna det ekstreme terrenget som er utsett for flaumskred, skred og snøskred grunna klimatisk eller menneskeleg påverknad. Eit meir ekstremt klima er forventa i framtida, noko som vil resultere i ei auke i antal korte, intense regnskyll. Leievoll er ein aktiv metode som vert nytta til å trygt leie flaumskredet unna busetnad og infrastruktur. Leievoll blir betrakta som ei ubøyeleg barriere. Det er av stor betyding å auke kunnskapen om faktorane som ligg til grunn for utforminga av ein slik konstruksjon, slik at ein kan bestemme nødvendig vollhøgde for å unngå at massane flyt over vollen. Leievollar er ofte bøygde og endrar retninga til skredet, får så å leie det inn i eit område kor det trygt kan avsetjast. Elleve testar vart utført i ein rektangulær, småskala modell med helling på 17,5°. Renna er 5 meter lang og 30 cm brei. To konsentrasjonar av materialet har blitt testa, 50 og 60 %, på to retningsendrande vinklar, 45 og 90°. Tre referansetestar utan barriere vart utført for å kunne samanlikne testane med barrierar med, og derav sjå effekten av bruk av leievoll. Ein prøvetest om erosjon vart også utført. Hovudfunn: - Hastigheitsprofilane syner aukande og synkande fart om kvarandre grunna nøyaktigheita i metoden brukt i Tracker. Små variasjonar i sporinga av fronten gir store utslag. Hastigheita i avsetjingsområdet er minkande på grunn av den hellinga som no er redusert til 2°. Ei auke i vassinnhaldet resulterer i høgare hastigheit. - Froudes tall for test 8-10 er større enn kva ein har observert i naturen, og blir vurdert som for høge til å kunne bruke det i Froude-likskapen. Test 2-7 og 11 er under den høgste verdien sett i naturen, og kan difor brukast. - Oppskyllingshøgd er påverka av både konsentrasjonen av massen og leievinkelen. Observert oppskyllingshøgd er mindre enn kva teori føreslår. MJ-modellen gir dei mest nøyaktige anslaga for ubøyeleg barriere, mens FM-modellen gir dei dårlegaste. - Målt kraft på plata er størst for fangvollen og minst for leievollen. Hastigheita kvadrert er forbunde med krafta via den hydrodynamiske likninga. Tilbakeslag av flaumskredmassane i kollisjon med fangvollen reduserer målt kraft og kompresjon av materiale påverkar α3. - Utløpslengd er påverka av leievinkelen, då ein ser at ein fangvoll stansar massane straks etter kollisjonen, medan ein leievoll leiar massane til sida. Grove levear er observert i front og på sidene, og grada av velutvikla levear er avhengig av vassinnhaldet i massane. - Testen med erosjon av materiale i skredbana synte inga erosjon ved observasjon.

Norway and countries with steep areas experience gravitational hazard processes due to their extreme topography, which is prone to debris flows, landslides and avalanches due to climatic or human impact. A more extreme climate is expected in the future and an increase in number of short, intense rainfall is one of the consequences. Deflection wall is an active method used to safely lead the debris flow away from settlements or infrastructure. Deflection wall is regarded as a rigid barrier. It is of great importance to learn more about the factors determining the design of such a construction in order to determine the necessary height to avoid overspill of material. Deflection walls are often curved and changes the direction of the landslide, and leads it to an area where it can deposit safely. Eleven tests were performed in a rectangular, small-scale flume model with an inclined chute of 17,5°. The chute is 5 metres long and 30 cm wide. Two solid concentrations were examined, 50 and 60 %, as well as two deflection angles of 45 and 90°. Three reference tests without any barrier were performed to compare the effectiveness of the deflection wall. A trial test on entrainment was also performed. Main findings: - The velocity shows jumps and drops during the flow in the chute due to the precision of the method used in Tracker. Small variations in tracking of the front gives large impact. The velocity at the deposition area is decreasing as the inclination drops to 2°. An increased water content results in larger velocity. - Froude numbers for test 8-10 are found to be larger than what is observed in nature, and is therefore too large for Froude similarity. Test 2-7 and 11 are lower than the upper limit, and can hence be used. - Run-up height is affected by both solid concentration and deflection angle. Observed run-up height is smaller than what theory propose. The MJ model provides the most accurate predictions for a rigid barrier, whilst the FM model gives the poorest predictions. - Force is largest for the terminal wall, and smallest for the deflection wall. Velocity squared is correlated to force, via the hydrodynamic equation. Backsplash of debris flow material in the collision with the terminal wall reduces the force and compression of material affects the empirical factor α3. - Run out length is affected by the deflection angle, as a terminal wall stops the flow immediately after collision, while a deflection wall of 45° only diverts the masses to the side. Coarse levees are observed in the front and on the sides, and the degree of well-developed levees depend on the solid concentration. - The entrainment test showed no erosion by rough visual observation.