Effect of forest on debris flows

Abstract

flaumskred er naturlig forekommende katastrofer som finner sted i bratte fjellterreng i nærvær av nedbør og / eller høy grunnvannstilstand. De har betydelig innvirkning som en irreversibel deformasjon av sediment og vannblanding. De er alvorlige geohazards på grunn av deres prediksjonsvansker, deres høye strømningshastighet og deres lange avrenningsavstand. Numeriske modelleringsmetoder er svært nyttige for både å beregne de dokumenterte ruskestrømmene fremover og beregne konsekvensen av mulige farescenarier. Imidlertid skaper applikasjonen flere nye utfordringer for geotekniske ingeniører. En detaljert forståelse av fenomenet strømningsfenomen er nødvendig for å konstruere farescenarier som involverer spesifikasjonen av startbetingelser som topografiske data, frigjøringsinformasjon, grensebetingelser og definisjoner av passende friksjonsparametere. I denne avhandlingen blir simuleringer av avfallstrømmen utført ved bruk av RAMMS :: DF-programvaren med hovedmål å observere bremseeffekten av skogarealet på ruskstrømmen. Parametrene som er studert er strømningshastighet, strømningshøyde, avrenningsavstand og energitap på grunn av tilstedeværelsen av skogareal på småskalamodellen. For å oppnå hovedmålet for det første er kalibrering av Voellmy-friksjonsparametere (Mu og Xi) av modellen nødvendig, og de beregnes tilbake for å oppnå lignende resultater gitt av de fysiske modelleringstestene. Parameterkalibreringen av modellen avslører at programvaren er i stand til å simulere den fysiske modelleringen i småskalaeksperimenter når Voellmy-parametrene til modellen er Mu = 0,07 og Xi = 1000 m/s^2. Observasjonen viser at Coulomb-typen friksjonskoeffisient (Mu) kontrollerer avsetningens oppførsel til strømmen og den turbulente friksjonskoeffisienten (Xi) påvirker hovedsakelig strømningshastigheten. Videre er et langvarig problem i studiet av ruskestrømmer å forstå hvordan skog interagerer med ruskstrømmer. Undersøkelser viser at små og mellomstore søppelstrømmer bremses opp og i noen tilfeller stoppes av skogstativene. Mens store ruskestrømmer bryter, rokker opp og velter trær som forårsaker skader på skogene da trær ikke tåler enorm energi fra store og raskt bevegelige ruskstrømmer. Trærne og grenene i skogområdet som blir ført av søppelstrømmene kan hindre strømmen. Imidlertid kan det også øke strømningshøyden, som deretter kan øke erosjonsnedhellingen også. Siden skoger er enormt til stede i fjellområdene, er det veldig viktig å forstå hvordan trær påvirker søppelstrømmen når det gjelder flytoppførsel og avrenningsavstand. I denne studien er skogsområder avgrenset i modellen ved bruk av friksjonstilnærmingen, der Voellmy-friksjonskoeffisientene blir modifisert og tilordnet det ønskede området. Dette gjør det mulig å skape bremseeffekt på strømmen av det tildelte skogområdet. Skogområdet på to lengder; 30 cm og 60 cm er valgt for analyse og Coulomb-typen friksjonskoeffisient (Mu) for skogen økes mellom 50% og 300% av den kalibrerte Mu-verdien til modellen. Mens den turbulente friksjonskoeffisienten (Xi) av skogområdet er betydelig redusert og er satt til 200 m/s^2 og 400 m/s^2. Analysen avdekker at strømningshøyde, strømningshastighet, Froude-antall og energitap er betydelig påvirket av Xi-verdien, deretter av skogens lengde og relativt minst av Mu-verdien av skogen. Selv om den samme trenden for utkjørselen ble observert, var ikke forskjellen mellom Xi-verdien, lengden og Mu-verdien til skogen. Resultatene er samlet og tolket i denne oppgaven.

Debris flows are naturally occurring catastrophes which take place in steep mountainous terrains in the presence of rainfall and/or high groundwater condition. They possess significant impact as an irreversible deformation of sediment and water mixture. They are serious geohazards because of their prediction difficulty, their high flow velocity and their long runout distances. Numerical modelling methods are very useful to both back-calculate the documented debris flows and forward calculate the consequence of possible hazard scenarios. However, their application creates several new challenges to geotechnical engineers. A detailed understanding of the debris flow phenomenon is required to construct hazard scenarios which involve the specification of initial conditions such as topographic data, release information, boundary conditions and definitions of appropriate friction parameters. In this thesis, debris flow simulations are carried out using the RAMMS::DF software with the major objective to observe the braking effect of forest area on debris flow. The parameters that have been studied are the flow velocity, flow height, runout distance, and energy loss due to the presence of forest area on the small scale flume model. To achieve the main objective firstly the calibration of Voellmy friction parameters (Mu and Xi) of the model are necessary and they are back-calculated to obtain similar results given by the physical modelling tests. The parameter calibration of the model reveals that the software is able to well simulate the physical modelling in small scale experiments when the Voellmy parameters of the model are Mu = 0.07 and Xi = 1000 m/s^2. The observation shows that the Coulomb type friction coefficient (Mu) controls the depositional behaviour of the flow and the turbulent friction coefficient (Xi) mainly affects the flow velocity. Furthermore, a long-standing problem in the study of debris flows is to understand how forests interact with debris flows. Studies show small and medium debris flows are decelerated and in some cases stopped by the forest stands. Whereas, large debris flows break, uproot and overturn trees causing damage to the forests as trees fail to withstand tremendous energy carried by the large and fast-moving debris flows. The trees and branches of the forest area that are entrained by the debris flows might impede the flow. However, it might also increase the flow height which subsequently might increase the erosion downslope as well. Since forests are enormously present in the mountainous regions, it is very important to understand how trees affect debris flow in terms of their flow behaviour and runout distance. In this study, forest areas are delineated in the model using the friction approach, where the Voellmy friction coefficients are modified and assigned to the desired area. This allows creating the braking effect on the flow by the assigned forest area. The forest area of two lengths; 30cm and 60cm are selected for analysis and the Coulomb type friction coefficient (Mu) of the forest is increased between 50 % and 300 % of the calibrated Mu value of the model. Whereas, the turbulent type friction coefficient (Xi) of the forest area is significantly reduced and are set to 200 m/s^2 and 400 m/s^2. The analysis reveals that flow height, flow velocity, Froude number and energy loss are significantly affected more by the Xi value, then by the length of the forest and comparatively least by the Mu value of the forest. Although for the runout distance, the same trend was observed, the difference between the Xi value, length and Mu value of forest was not as high. The results are compiled and interpreted in this thesis.