bedload transport capacity of - ETH E

Diss ETH No. 9065
BEDLOAD TRANSPORT CAPACITY OF
SLURRY FLOWS AT STEEP SLOPES
A dissertation submitted to the
SWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY ZURICH
for the
degree
of
Doctor of Technical Sciences
presented by
Dieter Rickenmann
Dipl. Bailing.
born October
ETH
11,1958
citizen of Zumikon (ZH)
and Horben
accepted
on
(TG)
the recommendation of
Prof. Dr. D. Vischer, examiner
Prof. Dr. T. Dracos, co-examiner
Dr. M.
Jaggi,
co-examiner
1990
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8
-
Abstract
During a flood event in a steep torrent, sediment may be transported
by relatively clear water, by a hyperconcentrated slurry or in the form
of a (pulsing) debris flow. The objective of this study was to examine
the effect of an increasing fluid density and viscosity on the bed load
transport capacity of the flow.
clay suspension was used to simulate the slurry consisting of water
particles. The suspension was recirculated in a steep flume;
the maximum volume concentration of clay particles in the flow was 22%.
The clay suspension showed a non-Newtonian rheologic behaviour; it was
treated as a Bingham fluid. In one test series, the flow resistance of
the clay suspension flows without any sediment transport was measured.
By using an effective viscosity for the given flow conditions, the
results could be successfully analysed with conventional Newtonian
formulae. In a second test series, the equilibrium bed load transport
rates of the clay suspension flows were determined for different flow
conditions. With increasing fluid density, transport rates were observed
for the experimental conditions by as much as
to increase continuously,
factor of 3 as compared to the corresponding clear water flows.
a
Viscosity effects were found to become important if the particle
A
fine
and
Reynolds number is smaller than about 10. Then the flow around
grains was laminar, and transport rates decreased again.
the
majority of the bed load transport tests, density effects
and viscous effects were negligible. These experiments
were analysed
together with the steep flume data of Smart and Jaggi
(1983). By adjusting the density factor, both data sets could be
described by a bed load transport formula (based on the flow rate)
similar to the one of Smart/Jaggi. By including also the comprehensive
data set of Meyer-Peter and Muller (1948) in the analysis, it was shown
that an alternative transport equation (based on the dimensionless shear
stress) is of more general applicability; with this relationship, bed
load transport rates can be predicted both for low and steep slope
For
were
the
dominant
conditions.
steeper slopes, the transported grains occupy a considerable part
the (mixture) flow depth, thus influencing the flow resistance
At
of
Depending on the known or assumed parameters, two different
procedures are proposed to determine the unknown parameters
of the flow of the grain-fluid mixture.
analysis.
calculation
-
9
-
Zusammenfassung
Im Verlaufe eines Hochwasserereignisses kann in einem Wildbach Geschiebe auf verschiedene Arten talwarts verfrachtet werden: Als Geschiebetrieb durch relativ klares Wasser, als murgangartiger Transport durch
schlammartige Flussigkeit sowie in Form eines Murgangs (mit einer
Front). Ziel der vorliegenden Arbeit war es, den Einfluss von zunehmender Dichte und Zahigkeit der Flussigkeit auf das Geschiebetransport-
eine
vermogen
untersuchen.
zu
Mit einer Ton-Suspension wurde die schlammartige Flussigkeit nachgebildet, die in Natur aus Wasser und Feinmaterial besteht. Die Suspen¬
sion wurde in einer steilen Versuchsrinne rezirkuliert, mit einer
maximalen Volumenkonzentration an Tonpartikeln von 22%. Die Ton-Suspen¬
sion verhalt sich wie eine nicht-Newton'sche Flilssigkeit; sie wurde als
Bingham'sche Flussigkeit behandelt. In einer ersten Versuchsserie wurde
der Fliesswiderstand von tonhaltigen Abfliissen ohne Geschiebetransport
gemessen. Eine Auswertung mit bekannten Newton'schen Formeln
lich, falls eine effektive Zahigkeit des Abflusses eingefiihrt
ist
mogIn
wird.
zweiten Versuchsserie wurde die
Geschiebetransportkapazitat fur
Abflussbedingungen der Ton-Suspension bestimmt. Es zeigte
sich, dass die Transportraten mit steigender Fliissigkeitsdichte zunehIn den Versuchen betrug die Zunahme bis zu einem Faktor 3, im
men.
Vergleich zu den entsprechenden Reinwasserabfliissen. Ein Einfluss der
Zahigkeit wurde fur Versuche mit einer Korn-Reynolds-Zahl kleiner als
etwa 10 festgestellt. In diesem Fall werden die Korner laminar umstromt,
einer
veschiedene
und die Transportraten nehmen wieder ab.
Mehrheit der Geschiebetransportversuche waren die Dichtemassgebend, wahrend der Einfluss der Zahigkeitsanderung vernachlassigt werden konnte. Diese Versuche wurden zusammen mit denjenigen von
Smart und Jaggi (1983) ausgewertet. Es resultierte eine Geschiebetransportformel (in Funktion des Abflusses) ahnlich der von Smart/Jaggi
Fur
die
effekte
vorgeschlagenen,
wobei
der
Dichtefaktor
angepasst
werden
musste.
In
Auswertungsschritt wurden auch die umfangreichen Versuchsresultate von Meyer-Peter und Mtiller (1948) einbezogen. Dabei
zeigte sich, dass eine Transportgleichung, die in Abhangigkeit der
dimensionslosen Sohlenschubspannung formuliert wird, eine allgemeinere
Gultigkeit aufweist; mit dieser Formel konnen Geschiebetransportraten
einem weiteren
sowohl
Bei
fUr
flache als auch fiir steile Gefalle berechnet werden.
steileren Gefallen wird
Ablusstiefe
von
ein
transportierten
betrachtlicher Teil der
Kornern
besetzt;
dies
(Gemisch-)
muss
bei
der
Bestimmung des Fliesswiderstandes berucksichtigt werden. Je nach Fragestellung werden zwei verschiedene Berechnungsverfahren vorgeschlagen,
womit die unbekannten Abflussgrossen des Korn-Fliissigkeits-Gemisches
bestimmt werden konnen.
-
10
-
Resume
d'une
Lors
de
crue
dans
torrent,
un
relativement
l'eau
claire,
par
le sediment peut
etre transports par
melange eau-suspensions a tres
forme d'une lave torrentielle (avec
un
haute concentration ou encore sous
front de propagation). Le but de la presente etude etait d'examiner
1'influence d'un accroissement de la densite et de la viscosite du
fluide sur la capacite de transport solide.
fluide
Le
teriaux
a
suspension
Cette
en nature est
compose d'eau et de malaboratoire par une suspension argileuse.
circulation dans un canal a forte pente,
d'aspect boueux, qui
fins,
ete
a
simule
en
mise
en
ete
concentration maximale
en volume des particules d'argile etant de
suspension argileuse presente les caractSristiques d'un fluide
non-newtonien; elle a ete traitee comme un fluide de Bingham. Dans une
premiere serie d'essais, la resistance a l'ecoulement de la suspension
argileuse a ete mesuree, en l'absence de tout transport solide. Une ana¬
lyse des resultats est possible sur la base des formules de Newton, si
la
22%.
La
viscosite effective de
une
l'ecoulement est
introduite.
Dans
une
deux-
serie d'essais, la capacite de transport solide de la suspension
argileuse a ete determinee pour differentes conditions d'ecoulement. II
ieme
a
ete
constate
du
la densite
que
les
quantites
fluide.
Dans
les
de
sediment
essais
transports augmentent avec
cette augmentation a
realises,
facteur 3 par rapport au transport solide observe en eau
influence significative de la viscosite n'est apparue que
pour des nombres de Reynolds des particules (rapportes au diametre du
grain) inferieur a environ 10. L'ecoulement autour des grains est alors
atteint
un
claire.
Une
laminaire et
les quantites
transporters decroissent
a
nouveau.
essais de transport solide, les effets dus a la
determinants, de telle sorte que 1'influence de
variations de la viscosite a ete negligee. Ces essais ont ete analyses
en regard des essais de Smart et Jaggi
(1983). Une formule de transport
solide (en fonction de l'ecoulement) semblable a celle de Smart et Jaggi
a pu etre proposee,
apres une adaptation du terme decrivant I'effet de
densite. Une seconde analyse, incluant les nombreux resultats d'essai de
Meyer-Peter et MUller (1948), a montre qu'une equation de transport, exprimee en fonction de la force d'entrainement adimensionelle, presentait
A I'aide de cette relation, les quantites de
un caractere plus general.
Pour
la
densite
se
sediments
faible
ou
majorite
sont
des
averes
transportes peuvent
forte pente.
etre
calculees
dans
le
cas
d'un
canal
a
a
Aux fortes pentes, les grains du materiau transports occupent une
grande partie de la profondeur de l'ecoulement (du melange). Ce fait
doit etre pris en consideration lors de la determination de la resis¬
tance a l'ecoulement. Selon la nature du probleme a resoudre, deux pro¬
cessus
connus
de
calcul differents
de l'ecoulement du
permettant
de determiner les
melange fluide-materiau solide
parametres insont
proposes.
-
11
-
Riassunto
Durante
tati
a
piene
una
valle
in
in
un
torrente
maniere:
diverse
i
sedimenti
come
possono essere trasporsolido di fondo con
trasporto
resta relativamente limpida, come liquido fangoso, oppure
propria colata di fango (con un fronte). Scopo del presente
lavoro era di indagare 1'influenza di una crescente densita e viscosita
del liquido sulla capacita di trasporto solido.
l'acqua che
vera
come
e
sospensione argillosa
La sospensione, che
raggiungeva una concentrazione volumetrica massima di argilla del 22%,
veniva recircolata in un ripido canale. Tale sospensione si comporta
come
un
come un liquido non newtoniano ed e stata trattata
liquido
definito secondo Bingham. In una prima serie di esperienze su modello si
II
che
e
liquido fangoso
misurata
solido.
se
e
la
riprodotto
stato
in natura consiste di
acqua
e
con
materiale
resistenza idraulica della
L'analisi
con
una
fino.
sospensione
e
tiene conto della viscosita effettiva del deflusso.
si
trasporto
senza
le consuete formule secondo Newton
qui possibile
In
una
seconda
capacita di trasporto solido per diverse condizioni di deflusso della sospensione. Si e potuto constatare come la
capacita di trasporto aumenti con il crescere della densita del liquido
che nelle esperienze raggiungeva un valore massimo di 3 volte superiore
ad un corrispondente deflusso con acqua limpida. Una influenza della
viscosita e stata riscontrata nelle esperienze dove il numero di Reynold
fase
si
e
stabilita la
della grana era minore di circa 10. In questo caso la corrente attorno
ai grani e laminare e le quote di trasporto diminuiscono.
Per
effetti
la
maggior parte
rilevanti
1'influenza
esperienze
precedenti
formula
erano
delle
dati
esperienze con trasporto solido gli
dalla variazione delle densita, mentre
della variazione della viscosita era trascurabile. Queste
state analizzate tenendo anche conto dei risultati delle
ricerche svolte da Smart e Jaggi (1983). II risultato e una
sono
che permette il calcolo del trasporto solido (in funzione del
simile a quella proposta da Smart e JSggi, dove per6 il ter-
deflusso)
mine
concernente
sono
state
la densita
considerate
Muller
e
anche
stato
le
adattato.
ricerche
(1948), grazie alle quali si
piu
In
una
estese
fase
successiva
svolte
da Meyer-
potuto dimostrare che una
formula per il calcolo del trasporto solido espressa in funzione della
forza di trascinamento resa senza dimensioni pud trovare applicazione
generale indipendentemente dalla pendenza longitudinale.
Peter
e
e
Quando le pendenze longitudinali diventano ripide una porzione impordella profondita di deflusso viene occupata da grani comportando
un cambiamento della resistenza idraulica. A seconda delle costellazioni
richieste vengono proposti due diversi procedimenti con i quali e possi¬
tante
bile stabilire le condizioni
grani mancanti.
idrauliche di deflusso della miscela acqua-