Experimental Investigation of the Effect of Downstream Roughness on Flood Wave and Sediment Propagation in case of an Earth-Fill Dam Break by Overtopping

Öz

Detection of flood propagation resulting from the failure of the dam is an important topic in terms of detecting and preventing risks that may occur after the dam break in the residential areas at the downstream region. The analysis of flood movement and sediment transport due to flooding is among the factors examined to determine flood movement in earth-fill dams. In this study, the effect of the presence of a residential area at the downstream of the homogeneous earth-fill dam, which was failed by overtopping, on the flood movement was investigated. The dam body was built in a rectangular reinforced concrete channel with a material, which has d50 = 0.441 mm median grain diameter. The width of the dam at the foundation is 106 cm, the width at the crest is 10 cm and the body height is 30 cm. and upstream and downstream slopes of 1:1.6. The dam body is ready by laying three layers of sediment, each layer of which is 10 cm, gradually, compacting each layer with a weight of 1.5 kg, giving the slope and opening a breach on the crest. 13 concrete cubes of 10x10x10 cm were placed to simulate the residential area in the downstream of the dam. The water level at the upstream of dam was gradually increased until the crest level and it was ensured that the water passed from the breach to the downstream of the dam. During the experiments, the distribution of the sediment was recorded with 2 cameras, water levels were measured at 3 different points. Depth profiles of the sediment were obtained with the measurements taken at the end of the experiments. In the case of residential area at the downstream of the dam, the speed of the flood wave hitting the cubes decreases and the time to reach the ruler increases. With the effect of the cubes, the flood wave depths measured downstream of the dam body have increased. Scours and accumulations similar to bridge piers have occurred in the upstream and downstream regions of the cubes. Depending on these accumulations, the sediment height spreading to the settlement area has increased.

Anahtar Kelimeler

• Earth-fill dam failure
• sediment transport
• overtopping
• roughness

Proje Numarası

119M959

Mansap Pürüzlülüğünün Toprak Dolgu Barajın Üstten Aşma ile Yıkılması Durumunda Taşkın Dalgası ve Sediment Yayılımına Etkisinin Deneysel olarak İncelenmesi

Öz

Baraj yıkılması sonucu oluşan taşkın hareketinin belirlenmesi, mansap bölgesindeki mevcut yerleşim yerlerinde yıkılma sonrası meydana gelebilecek risklerin saptanması ve önlenmesi açısından önemli bir konudur. Sel nedeniyle suyun yayılması ve sediment taşınımının analiz edilmesi, taşkın hareketinin belirlenmesi için toprak dolgu barajlarda incelenen faktörler arasındadır. Bu çalışmada, üstten aşma ile yıkılan homojen toprak dolgu barajın mansabında yerleşim bölgesi bulunup bulunmamasının taşkın hareketine etkisi araştırılmıştır. Dikdörtgen kesitli betonarme kanalda medyan dane çapı d50=0,441 mm olan malzemeyle baraj gövdesi oluşturulmuştur. Barajın temelde genişliği 106 cm ve krette genişliği 10 cm ve gövde yüksekliği 30 cm'dir ve 1:1,6 memba ve mansap eğimlerine sahiptir. Her biri 10 cm olan üç kat sedimentin kademeli olarak serilmesi, her katın 1,5 kg ağırlık ile sıkıştırılması, eğimin verilmesi ve kret üzerine bir gedik açılması ile baraj gövdesi hazır hale gelmiştir. Baraj mansabına yerleşim alanını simüle etmesi için 10x10x10 cm’lik 13 adet beton küp yerleştirilmiştir. Baraj membasında su seviyesi kret seviyesine kadar kademeli olarak arttırılmış, açılan gedikten suyun baraj mansabına geçmesi sağlanmıştır. Deneyler yapılırken 2 kamera ile sedimentin yayılımı kayıt altına alınmıştır, 3 farklı noktada su derinlikleri ölçülmüştür. Deneyler sonunda yapılan ölçümler ile sedimentin derinlik profilleri elde edilmiştir. Baraj mansabında yerleşim yeri bulunması durumunda, küplere çarpan taşkın dalgasının hızı azalmış ve cetvele ulaşma süresi artmıştır. Küplerin etkisiyle baraj mansabında ölçülen taşkın dalgası derinlikleri artmıştır. Küplerin memba ve mansap bölgelerinde köprü ayağına benzer olarak oyulmalar ve birikmeler meydana gelmiştir. Bu birikmelere bağlı olarak yayılan sediment kalınlığı pürüzlü deneyde artmıştır.

Anahtar Kelimeler

• Toprak dolgu baraj yıkılması
• sediment taşınımı
• üstten aşma
• pürüzlülük

Destekleyen Kurum

TÜBİTAK

Proje Numarası

119M959

Teşekkür

Bu çalışma, Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu (TÜBİTAK) tarafından 119M959 numaralı Proje ile desteklenmektedir.

Kaynakça

1. Urzica A, Pintilie AM, Stoleriu CC, Cîmpianu CI, Hutanu E, Pricop CI, Grozavu A. Using 2D HEC-RAS Modelling and Embankment Dam Break Scenario for Assessing the Flood Control Capacity of a Multi-Reservoir System (NE Romania). Water 2020; 13(1): 57.
2. Alppay H. Baraj Yıkılması Taşkın Risk Değerlendirmesi. Yüksek Lisans Tezi, Sakarya Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Sakarya, 2020.
3. Costa JE. Floods From Dam Failures. Open File Report 85-560, US Geological Survey: Denver, CO, USA,1985; 1-54.
4. Palamut Kemaloğlu N, Baduna Koçyiğit M, Akay H. Baraj Yıkılması Taşkın Dalgası Yayılımının 1-Boyutlu Sayısal Simülasyonlarla İncelenmesi: Rahmanlar Barajı Örneği. Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part (C) Tasarım ve Teknoloji 2019; 7(1): 97-111.
5. Palamut N. Baraj Yıkılma Analizi ve Uygulaması. Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, 2014.
6. Tıngsanchalı T, Chınnarasrı C. Numerical Modelling of Dam Failure Due to Flow Overtopping. Hydrol. Sci. J. 2001; 46 (1): 113-130.
7. Güney MŞ, Tayfur G, Bombar G, Elçi Ş. Distorted Physical Model to Study Sudden Partial Dam Break Flows in an Urban Area, J. Hydraul. Eng 2014; 140 (11).
8. Cao Z, Pender G, Wallis S, Carling P. Computational Dam-Break Hydraulics over Erodible Sediment Bed. J. Hydraul. Eng. 2004; 130 (7): 689–703.

9. Paşa Y, Peker İB, Hacı A, Gülbaz S. Dam Failure Analysis and Flood Disaster Simulation under Various Scenarios. Water Science & Technology 2023; 87(5): 1214-1231.
10. Najar M, Gül A. Investigating the Influence of Dam-Breach Parameters on Dam-Break Connected Flood Hydrograph. Teknik Dergi 2022; 692: 12501-12524.
11. Singh VP, Scarlatos PD. Breach Erosion of Earthfill Dams and Flood Routing: BEED Model. Research Report, Army Research Office, Battelle, Reseach Triangle Park, 1985; North Carolina. 131.
12. Yılmaz K, Darama Y, Oruç Y, Melek AB. Assessment of Flood Hazards Due to Overtopping and Piping in Dalaman Akköprü Dam, Employing both Shallow Water Flow and Diffusive Wave Equations. Natural Hazards 2023; 117: 979-1003.
13. Kocaman S., Güzel H. Baraj Yıkılması Taşkın Dalgası Yayılmasının 3-Boyutlu Deneysel ve Nümerik Karşılaştırılması. Engineering Sciences 2011; 6(1): 406-414.
14. Topçu E, Bağrıaçık B, Erdağ A. Bir Dolgu Barajın Rezervuarındaki Suyun Ani Çekilmesi Sırasındaki Stabilite Analizi. Mühendislik Bilimleri ve Tasarım Dergisi 2022; 10(1): 50-60.
15. Taşkaya E, Büyüker Z, Öztürk B, Bombar G, Tayfur G. Overtopping Failure of a Homogeneous Earth-Fill Dam with Two Different Breach Sizes and Rough Downstream Condition. River Flow 2022 The 11th International Conference on Fluvial Hydraulics; 8-9 November 2022; Ottawa-Kanada.
16. Taşkaya E, Bombar G, Tayfur G. Experimental Investigation of Sediment Movement as a Result of Homogeneous Earth-Fill Dam Overtopping Break over a Simplified Urban Area. J. Hydrol. 2023; 617 (B).
17. Zhang LM, Xu Y, Jia JS. Analysis of Earth Dam Failures: A Database Approach. Georisk 2009; 3(3): 184-189.
18. Kocaman S. Baraj Yıkılması Analizi ve Uygulaması. Yüksek Lisans Tezi, Çukurova Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Adana, 2002.
19. Taşkaya E, Bombar G, Tayfur G. Experimental Investigation of a Failure of a Homogeneous Earthen Dam by Overtopping. 14th International Congress on Advances in Civil Engineering, ACE; 6-8 September 2021; İstanbul-Türkiye. 750-756.