Numerical modeling of the filter sand performance in embankment dam under static and dynamic conditions

Abstract

The filter material in embankment dams is a crucial part of the dam due to protecting the core material (usually clay) against internal erosion. Internal erosion is defined as the transportation of core material particles to the filter material by seepage flow. It is the main reason for the deformation and loss of resistance in the body and foundation of a dam. Therefore, it is a serious threat risk to embankment dams. To prevent internal erosion, it is necessary to accurately evaluate the interaction between water-filter material-core material during the dam's design and operation stages. A suitable filter material should be able to control and block cracks that can form in the core material. Terzaghi (1925) did the first research on filter material and proposed a criterion based on the particle size of a clay. Another detailed study was conducted by Sherard et al. (1989) who developed an experiment called No Erosion Filter Test (NEF Test) to comprehend the relationship between filter and core materials. NEF Test is seen as the most proper method to determine the critical filter which leans on the impermeable core material in the downstream side of an embankment dam. In the NEF test, the most severe condition that can occur is represented as an erosive leak from the core material to the filter material. Within the scope of this study, the internal erosion of the backfill used in the dam is studied through outflow rate and deformations in the base sample (clay). First, the samples taken from two embankment dams in Izmir (Kalabak Dam and Rahman Dam) were brought to the geotechnical laboratory of Izmir Institute of Technology (IZTECH), and the filter material was mixed with fine materials (silt) in different contents. A series of NEF Tests were performed in the IZTECH-geotechnical laboratory on the filter and core samples of Kalabak Dam within a TUBITAK Project No. 221M071 (Ecemis, 2023). Then, the performed NEF Tests were modeled by the finite difference method (FDM) using the Itasca-FLAC3D software. Finally, the outcomes of the numerical models were compared to experimental results. Numerical models had a good agreement to decide whether filter sand performance is successful or not.

Toprak dolgu barajlarda, filtre malzemesi, çekirdeği (genellikle kil) erozyona karşı koruma işlevinden dolayı oldukça önemlidir. Çekirdek içerisindeki ince daneli malzemelerin sızıntı (iç akış) sebebiyle filtre malzemesine taşınması süreci içsel erozyon olarak tanımlanır. İçsel erozyon, dolgu barajların gövdesinde veya temelinde meydana gelen mukavemet kaybının veya deformasyonların ana sebebidir. Dolayısıyla içsel erozyon dolgu barajlar için ciddi bir tehdit unsurudur. İçsel erozyonun önüne geçebilmek için tasarım ve yapım aşamalarında su-filtre-çekirdek etkileşiminin doğru değerlendirilmesi gerekir. Uygun bir filtre malzemesi, geçirgen olmayan çekirdek kısmında oluşabilecek çatlakları kontrol edebilme ve engelleme özelliğine sahip olmalıdır. Filtre malzemesine yönelik ilk çalışma Terzaghi tarafından yapılmıştır ve filtre malzemesi için kil çapına bağlı bir tasarım kriteri önermiştir (1925). Filtre malzemesi üzerindeki diğer bir detaylı araştırma ise Sherard vd. (1989) tarafından yapılmıştır. Araştırmacılar filtre-çekirdek malzeme ilişkisini değerlendirmek için laboratuvarda Erozyonsuz Filtre Deneyi (No Erosion Filter Test, NEF Test) geliştirmiştir. NEF Testi, bir toprak dolgu barajın mansap tarafında geçirimsiz çekirdek malzemeye yaslanan kritik filtreyi belirlemek için en uygun yöntem olarak görülmektedir. Testte, oluşabilecek en riskli durum, çekirdek malzemeden filtre malzemesine erozif bir sızıntı olarak temsil edilmektedir. İzmir'deki iki toprak dolgu barajından (Kalabak Barajı ve Rahman Barajı) alınan numuneler laboratuvara getirilmiş ve filtre malzemesi farklı içeriklerde ince malzemelerle karıştırılmıştır. Bu çalışma kapsamında, İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü laboratuvarında Kalabak Barajı'nın filtre ve çekirdek numuneleri üzerinde gerçekleştirilen NEF Deneyleri serisi FLAC3D yazılımı kullanılarak modellenmiştir. İçsel erozyon, çıkış hızı ve taban numunesindeki deformasyonlar aracılığıyla doğrulanarak filtre kumunun performansı değerlendirilmiştir.