Experimental Study on the Homogeneous Earth-fill Dam Break due to Overtopping and Piping

Abstract

Most earth-fill dam failures are caused by overtopping and piping and which can result in serious losses of life and property. Therefore, investigating the progress of the flood caused by the dam’s break and detection of risky areas is of importance in terms of predetermining and preventing the damages that may occur in the downstream region. In this study, the progression of the flood caused by the homogeneous earth-fill dam break due to overtopping and piping and the movement of the sediment to the downstream by the flood wave were experimentally investigated. The dam body was constructed 30 cm high and 2 m wide by using uniform sediment with a median grain diameter of 0.441 mm. The dam bodies consist of three layers with a height of 10 cm, which were compacted with a standard technique. Experiments were recorded with cameras at 2 different points. At the end of the experiment, bathymetry graphs were obtained by using the sediment thickness data measured with a limnimeter. The dam failure due to piping started after the water in water reservoir passed through the gaps in the dam body, the sediment in the dam body was transported to the downstream region, and the crest width decreased over time, so it took longer than overtopping case. With the flood wave, the middle part of the dam body in the overtopping experiment were moved to the downstream region. In the piping experiment, as the erosion in the downstream area of the dam expanded over time, the water in the reservoir started to failure the dam body from the weakest section 60 cm away from the right shore, resulting in the part of the dam body close to the right shore being moved to the downstream area. Experimental results showed that the depth of the propagated sediment is less in the flood wave axis. In the piping experiment, sediment moved from the dam body during infiltration and erosion reduced the effect and propagation of the flood wave. This decrease increased the thickness of the propagated sediment at the downstream of the dam in the piping experiment and resulted in a longer and wider sediment propagate in the overtopping experiment.

Keywords

• Earth-fill Dam Failure
• Piping
• Overtopping
• Filling Material Propagation

Project Number

119M959

Homojen Toprak Dolgu Barajın Suyun Üstten Aşması ve Borulanma Nedeniyle Yıkılması Üzerine Deneysel Çalışma

Abstract

Toprak dolgu baraj yıkılmalarının çoğu üstten aşma ve borulanmadan kaynaklanmakta ve ciddi can ve mal kayıplarıyla sonuçlanabilmektedir. Bu sebeple, baraj yıkılmasıyla oluşan taşkının ilerleyişinin incelenmesi ve riskli alanların tespiti, mansap bölgesinde oluşabilecek zararların önceden belirlenmesi ve önlenmesi açısından önem arz etmektedir. Bu çalışmada, homojen toprak dolgu barajların üstten aşma ve borulanma sebebiyle yıkılması sonucu oluşan taşkının ilerlemesi ve baraj gövdesinden taşınacak sedimentin taşkın dalgası ile mansaptaki hareketi deneysel olarak incelenmiştir. Baraj gövdesi, medyan tane çapı 0,441 mm olan sediment kullanılarak 30 cm yüksekliğinde, 2 m genişliğinde inşa edilmiştir. Baraj gövdesi, standart bir teknikle sıkıştırılmış her biri 10 cm yüksekliğe sahip üç kattan meydana gelmektedir. Deneyler 2 farklı noktadaki kamera ile kayıt altına alınmıştır. Deney sonunda limnimetre ile ölçülen sediment kalınlıkları verileri kullanılarak batimetri grafikleri elde edilmiştir. Borulanma nedeniyle barajın yıkılması, baraj rezervuarındaki suyun baraj gövdesindeki sedimenti mansap bölgesine taşıması ve kret genişliğinin zamanla azalmasından sonra başladığı için suyun üstten aşması durumundakine göre daha uzun sürmüştür. Taşkın dalgası, üstten aşma deneyinde baraj gövdesinin orta kısmını mansap bölgesine taşımıştır. Borulanma deneyinde ise baraj mansap bölgesindeki erozyonun zamanla genişlemesi ile rezervuardaki suyun sağ sahile 60 cm mesafedeki en zayıf kesitten barajı yıkmaya başlaması, baraj gövdesinin sağ sahile daha yakın bölgesinin mansap bölgesine taşınmasıyla sonuçlanmıştır. Deney sonuçları taşkın dalgası ekseninde yayılan sedimentin kalınlığının daha az olduğunu göstermiştir. Borulanma deneyinde sızma-erozyon boyunca baraj gövdesinden taşınan sediment, taşkın dalgasının etkisini ve yayılımını azaltmıştır. Bu azalma, borulanma deneyinde baraj mansabına yayılan sedimentin kalınlığını arttırmış, üstten aşma deneyinde daha uzun ve daha geniş sediment yayılımıyla sonuçlanmıştır.

Keywords

• Toprak Dolgu Baraj Yıkılması
• Borulanma
• Üstten Aşma
• Dolgu Malzemesi Yayılımı

Supporting Institution

Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu (TÜBİTAK)

Project Number

119M959

Thanks

Bu çalışma, Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu (TÜBİTAK) tarafından 119M959 No'lu Proje ile desteklenmektedir.

References

1. [1] Orhon, M. 1997. Baraj Tipleri ve Yapım Kriterleri, Türkiye Mühendislik Haberleri, Cilt. 391, s. 12-16.
2. [2] Çalamak, M., Arıcı Y., Yanmaz A.M. 2013. Türkiye’de Baraj Mühendisliğinin Gelişimi Üzerine Bir Değerlendirme. 3rd Hydraulic Structures Symposium. Ankara. Sayı 1. DOI:10.13140/2.1.2943.9686.
3. [3] Bozkuş, Z. 2004, Afet Yönetimi İçin Baraj Yıkılma Analizleri, Teknik Dergi, Cilt. 74, s. 3335-3350.
4. [4] Xu, Y., Zhang, L.M., Jia, J. 2008. Lessons From Catastrophic Dam Failures in August 1975 in Zhumadian, China. Hong Kong University of Science and Technology, American Society of Civil Engineers, Archived from the original on 2020-03-25.
5. [5] Solava, S., Delatte, N. 2003. Lessons from the Failure of the Tton Dam. Forensic Engineering, s. 178-189. San Diego: American Society of Civil Engineers.
6. [6] Zorluer, I. 2001. Toprak Dolgu Barajlarda Borulanma ve Bir Borulanma Göçmesi: Teton Barajı, Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, Cilt. 1, s. 135-141.
7. [7] Foster, M.A., Fell, R., Spannagle, M. 2000. The Statistics of Embankment Dam Failures and Accidents, Canadian Geotechnical Journal, Cilt. 37, s. 1000–1024.
8. [8] Fell, R., Wan, C.F., Cyganiewicz, J., Foster, M. 2003. Time for Development of Internal Erosion and Piping in Embankment Dams, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Cilt. 129, s. 307-314.

9. [9] Wu, W., Altınakar, M., Al-Riffai, M., Bergman, N., Bradford, S., Cao, Z., et al. 2011. Earthen Embankment Breaching, Journal of Hydraulic Engineering, Cilt. 137, s. 1549–1564. DOI:10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0000498.
10. [10] Cao, Z., Pender, G., Wallis, S, Carling, P. 2004. Computational Dam-Break Hydraulics over Erodible Sediment Bed, Journal of Hydraulic Engineering, Cilt. 130, s. 689–703.
11. [11] Wu, W., Wang S.S. 2007. One-Dimensional Modeling of Dam-Break Flow over Movable Beds, Journal of Hydraulic Engineering, ASCE.
12. [12] Güney, M.S., Tayfur, G., Bombar, G., Elçi, Ş. 2014. Distorted Physical Model to Study Sudden Partial Dam Break Flows in an Urban Area, Journal of Hydraulic Engineering, Cilt. 140.
13. [13] Elçi, Ş., Tayfur, G., Haltas, İ., Kocaman, B. 2017. Baraj Yıkılması Sonrası İki Boyutlu Taşkın Yayılımının Yerleşim Bölgeleri İçin Modellenmesi, Teknik Dergi, Cilt. 28(3), s. 7955-7975.
14. [14] Kocaman, S., Güzel, H. 2011. Baraj Yıkılması Taşkın Dalgası Yayılmasının 3-Boyutlu Deneysel ve Nümerik Karşılaştırılması, Engineering Sciences, Cilt. 6(1), s. 406-414.
15. [15] Kocaman, S. 2002. Baraj Yıkılması Analizi ve Uygulaması. Çukurova Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, Adana.
16. [16] Arkış T. 2020. Baraj Yıkılması Sonucu Oluşan Taşkın Dalgalarının Deneysel ve Nümerik Metodlar ile Araştırılması. Dokuz Eylül Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, İzmir.
17. [17] Dumlu, E. 2022. Experimental and Numerical Investigation of the Evolution of Piping and Resulting Breach in Earth-fill Dams. İzmir Institute of Technology, Graduate School of Natural and Applied Sciences, Master’s Thesis, İzmir.
18. [18] Okeke, A. C., Wang, F., Sonoyama, T., Mitani, Y. 2012. Laboratory Experiments on Landslide Dam Failure Due to Piping: an Evaluation of 2011 Typhoon-Induced Landslide and Landslide Dam in Western Japan. Environmental Science and Engineering, s. 525–545.
19. [19] Taşkaya, E. 2023. Experimental Investigation of Propagation of Sediment Due to Earth-fill Dam Break. İzmir Katip Çelebi University, Graduate School of Natural and Applied Sciences, Master’s Thesis, İzmir.
20. [20] Taşkaya, E., Bombar, G., Tayfur G. 2022. Experimental Investigation of Sediment Movement as a Result of Homogeneous Earth-Fill Dam Overtopping Break over a Simplified Urban Area, Journal of Hydrology, Cilt. 617 (B).
21. [21] Oğuzhan Güven, S. 2022. Baraj Yıkılması Durumunda Bitki Örtüsünden Kaynaklı Pürüzlülüğün Taşkın Dalgası Yayılımı Üzerine Etkisinin Deneysel ve Sayısal Olarak Araştırılarak Sonuçların Akıllı Kent Acil Eylem Planında Kullanılabilirliğinin Değerlendirilmesi. Dokuz Eylül Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, İzmir.
22. [22] Wahl, T.L. 1996. Prediction of Embankment Dam Breach Parameters: Literature Review and Needs Assessment. USBR, Dam Safety Report DSO-98-004
23. [23] Demirpençe, H. 1995. Toprak Dolgu Barajların Yıkılması ve Oluşan Taşkının Dinamik Öteleme Metodu ile İncelenmesi. İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, İstanbul.