Experimental and numerical investigation of piping in uniform embankment dam with weak layer at the upper region

Abstract

From the past to nowadays, earth-fill dams have been built thanks to their advantages, however, piping is a problem that earth-fill dams can experience and then fail. While there are many studies about the overtopping failures of the dams, there are not too many surveys about dam failures due to piping. Dams having a height of 0.6 m, a bottom width of 2 m, and a crest width of 0.20 m were built in a channel of 1 m wide, 0.81 m high and 6.14 m long. 3 different scenarios have been created and the evolution of dam failure resulting from seepage at the dam was recorded by six cameras located at different locations. In the closed system, water was pumped from the lower reservoir to the upper channel. The dam was constructed by using a mixture consisting of 85 % sand and 15 % clay. A circular tunnel with a diameter of 2 cm was created at the middle or corner of the dam according to the scenario and at 6 cm below the dam crest. The breach areas at different time instants at upstream and downstream sides are determined by using the Gauss Area calculation method and by image processing, and then it has been found that methods give close values to each other. Breach discharge and time-varied velocity values were determined by using the continuity equation. Empirical relations were intended to be derived for the breach flow rate and empirical relations represented in the literature were trialed by using experimental findings.

Toprak dolgu barajlar geçmişten günümüze avantajları sebebi ile inşa edilmektedir ancak borulanma toprak dolgu barajların yıkılmasına neden olan en temel problemlerden biridir, ayrıca geçmişte borulanma nedeniyle yıkılan toprak dolgu barajlar da vardır. Literatürde kret seviyesinden su aşması nedeniyle baraj yıkılmaları ile alakalı birçok çalışma bulunurken borulanma ile alakalı yeterli çalışma bulunmamaktadır. 1 m genişliğinde, 0.81 m yüksekliğinde ve 6.14 m uzunluğunda kanalın içinde 60 cm yüksekliğe, 2 m taban genişliğine ve 0.20 m kret genişliğine sahip toprak dolgu baraj inşa edilmiştir. 3 farklı senaryo oluşturulmuş, sızmadan kaynaklı baraj yıkılmasının gerçekleşmesi farklı yerlere konumlandırılmış 6 kamera ile kayıt altına alınmıştır. Kanal 2 kattan oluşup kapalı sistemde aşağıda bulunan su deposundan yukarıdaki kanala pompa ile su pompalanmıştır. Toprak dolgu baraj % 85 kum ve % 15 kil içeren zemin ile inşa edilmiştir. Senaryoya göre barajın ortasında veya köşesinde ve kretin 6 cm aşağısında 2 cm çapında yuvarlak bir tünel oluşturulmuştur. Farklı zamanlara ait gedik yüzey alanları memba ve mansap tarafları için ayrı olarak Gauss alan hesabı ve görüntü işleme yöntemi ile hesaplanmış, sonuçlar karşılaştırıldığında 2 metodun birbirine çok yakın sonuç verdiği görülmüştür. Gedikten geçen debi ve zamanla değişen hız değerleri memba ve mansap tarafları için ayrı olarak süreklilik denklemi kullanılarak hesaplanmıştır. Ayrıca, farklı zamanlara ait ıslak alanlar da belirlenmiştir.