Experimental analysis of the impact of dry avalanches on structures and implication for debris flows

摘要

Objectives of this work are to experimentally analyse the dynamic impact of dry avalanches on structures and to examine the possibility of extending the results to debris flows; to identify structure efficiency in terms of extension and shape of the deposition area; to numerically validate the adequacy of shallow-water equations in reproducing the impact process and the maximum force on the obstacle; finally to propose an analytical expression for estimating the design force. Experiments were carried out on two dry sandy mixtures flowing down a steep chute and impacting on obstacles of different shape that reproduce check-dams, filter-dams, "houses" and flow-breakers. Effects of mixture composition, obstacle shape and orientation— with respect to mean flow direction—on force values and deposit extension were examined, showing that only check-dams can significantly reduce the kinetic energy and retain the flowing material. Numerical simulations were performed with a 1D code, based on shallow-water equations and the weighted average flux method, to represent forces on an infinite high obstacle (i.e., a wall) in time. Promising results allowed the use of a simple expression directly derived from momentum balance to compute the force exerted by the flow on the structure for given upstream flow depth and velocity. Limitations of the experiments in reproducing impact on defence works in real events are highlighted and suggestions for improving structural design are drawn.%Le buts de cette étude sont l'analyse expérimental de l'impact dynamique des avalanche sèches sur structures et l'examen de la possible extension des résultats à les laves torrentielles; la validation numérique de l'idonéité des équations des ondes en profondeur très faible pour représenter l'impact; enfin la propose d'un expression analytique pour estimer la force du projet. Sont été effectués expériences avec deux mixtures granulaires sèches, qui coulent dans un canal à fort inclinaison et heurtent obstacles de différent forme: digues, digues-filtrantes, 'maisons', piliers. Les effets de la composition des mixtures, de la forme et de l'orientation (auprès de la direction de la courante) des obstacles sur le valeurs de la force et sur l'extension de le dépôt sont examinés, montrant que seulement les digues peuvent significativement réduire l'énergie cinétique et retenir les matériaux qui coulent. Des simulations numériques sont réalisée employant un code, fondé sur les équations des ondes en profondeur très faible et sur la méthode 'Weighted Averaged Flux', pour représenter les forces en temps sur un obstacle infiniment haut (mur). Les résultats positifs ont consenti l'emploi d'une simple expression, obtenue directement par le bilan de la quantité de mouvement, pour évaluer le force sur la structure, désignées la profondeur et la vélocité de la courante en a mont. On met en évidence les limites des expériences en reproduisant l'impact sur structure dans événements naturels et on donne conseils pour l'amélioration du projet de la structure.