Experimental investigations on different modes of headcut migration

摘要

Flume experiments were conducted to characterize the headcut erosion process on low bed slope landforms such as floodplain. Two different series of experiments were performed to investigate the headcut erosion and migration phenomenon both in homogeneous and heterogeneous non-cohesive soil. The flume bed was prepared with homogeneous coarse sand of uniform diameter for the first series and a composite fill of coarse sand and fine particles of polyvinyl chloride for the second series. Adhesive spray was applied on the top surface, which resisted the surface erosion and ensured the development of headcut. The effects of hydraulic and geometric conditions on headcut migration rate were analyzed. When all the detached sediments resulting from the erosion process were transported easily far downstream as wash load, then the overland flow rate and the headcut height governed the plunge-pool erosion process and the headcut migration rate as well (second series of experiments). In contrast, when the detached sediment resulting from the erosion process was transported as bed-material load, then the migration rate was governed not only by the upstream parameters but also by the downstream bed morphology (first series of experiments). The experimental results of both series showed that the shape of the plunge-pool remained unchanged with time for a given flow discharge. For a given flow rate and initial headcut-height, variable migration rate was observed in the first series of experiments, whereas the second series of experiments showed a constant migration rate. Conceptual models were proposed to explain the details of headcut migration process for both cases.%Des expériences en canal ont été entreprises pour caractériser le processus d'érosion en marche d'escalier sur des reliefs de faible pente tels que les plaines d'inondation. Deux séries différentes d'expériences ont été exécutées pour étudier le phénomène d'érosion et de progression du headcut dans les sols non-cohésifs homogènes ou non. Le lit du canal a été préparé avec du sable grossier homogène de diamètre uniforme pour la première série, et un matériau composé de sable grossier et de particules fines de chlorure de polyvinyle pour la deuxième série. Un spray adhésif a été appliqué sur la surface supérieure, qui a résisté à l'érosion et a assuré le développement du headcut. Les effets des conditions hydrauliques et géométriques sur la vitesse de progression du headcut ont été analysés. Quand tous les sédiments détachés par l'érosion sont aisément transportés en suspension par lessivage loin en aval, alors le débit de surface et la hauteur du headcut régissent le processus d'érosion de l'affouillement et la vitesse de progression du headcut (deuxième série d'expériences). En revanche, quand ce sédiment érodé est transporté par charriage, alors la vitesse de progression est régie non seulement par les paramètres amont mais également par la morphologie du lit aval (première série d'expériences). Les résultats expérimentaux des deux séries ont prouvé que la forme de l'affouillement demeure inchangée au cours du temps pour un écoulement donné. Pour un débit donné et une hauteur de headcut initiale, on a observé une vitesse de progression variable dans la première série d'expériences, tandis que la deuxième série a montré une vitesse constante de progression. On a proposé des modèles conceptuels pour expliquer les détails du processus de progression du headcut dans les deux cas.