PhD
Dissertation (Summary)
Local
scouring in Natural and Artificial Step Pool Systems Download the full text !! (in English, 6.44 MB)
High-gradient (>3-5%) streams often present a
step pool structure, featuring an apparent geometric regularity and a peculiar
tumbling flow pattern. A close analogy can be found in the sequences of
grade-control structures such as check-dams and bed sills placed in alluvial
mountain rivers in order to stabilize these channels by preventing bed incision
and by reducing their longitudinal slope. The purpose of this thesis is to
elucidate the physics behind natural step pool geometry and to provide engineers
and technicians with predictive tools for designing safe and effective control
work schemes for the stabilization of steep channels. This
research has involved both laboratory and field activities. Two flume data sets
on clear-water scouring at artificial step are used herein: the first comprises
26 tests carried out in 1999 using a mobile-bed physical model set up at HR
Wallingford Ltd (UK), the second set (28 runs) was obtained in 2002 at the
Hydraulic Labs of University of Padova, Italy. Uniform and heterogeneous sediments have
been tested, along with wide ranges of sills spacing (0.5 – 1.5 m) and initial
slope (0.03 – 0.148). As to field measurements, 73 scour holes below
grade-control structures and 37 pools in 10 mountain rivers in the Eastern
Italian Alps were surveyed. Their mean longitudinal gradients range between 0.02
and 0.16. Two rivers trained with boulder structures were object of detailed
investigations and thus represent case-studies as well. Furthermore,
two channels were chosen to look at surface grain size sorting occurring along
an artificial step pool sequence.
Flume
and field data allowed to derive empirical and semi-empirical formulations for
long-term maximum scour depth, scour length and scour volume, introducing the
new concept of jet energy and the relative scouring efficiency. Also, flume
results led to the first description of the “geometric interference”
phenomenon causing reduction of scour dimensions in steep gradients, and of the
“morphodynamic interference” caused by standing waves on milder slopes. The
first quantitative evaluation in the field of the longitudinal grain size
sorting showed the mean diameter at pool bottom to range between the D80
and D87 of the surface grain size distribution found on the
equilibrium slope bed. A statistically significant similarity between
dimensionless characteristics and geometry of pools formed downstream of
grade-control structures and below natural steps has been found, and the
explanation of step formation in terms of depositional berms in a
upstream-forced cascade model is put forward. Finally, an analytical derivation
of the observed trend linking step pool overall geometry (relative steepness
factor c) to the mean channel slope is presented, starting from the
evidence that pool geometry can be considered approximately invariant.
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Tesi di Dottorato (Riassunto)Erosione localizzata in strutture a gradinata naturali ed artificiali Scarica il condensato in lingua italiana !! (308 KB) I torrenti montani a forte pendenza (>3-5 %) presentano spesso una morfologia naturale a gradinata, detta a step pool. Del resto, la sistemazione di tali torrenti mediante opere trasversali di consolidamento quali briglie e soglie di fondo determina la formazione di una analoga sequenza di salti e pozze rendendo in tal modo a gradinata il profilo longitudinale del corso d’acqua. L’attività di ricerca ha coinvolto prove sperimentali di laboratorio e rilievi di campo al fine sia di valutare la dimensione delle buche di scavo in base alle variabili idrauliche, sedimentologiche e geometriche, che di comprendere se l’analogia fra strutture a gradinata naturali ed artificiali sia statisticamente significativa, in tal caso permettendo di trarre indicazioni riguardo la dinamica formativa e la geometria delle sequenze naturali. Vent'otto prove sperimentali sono state condotte utilizzando una canaletta inclinabile senza alcuna alimentazione solida da monte. Si e’ utilizzata una miscela granulometrica composta da ghiaia pressoché uniforme e si sono testati quattro valori di pendenza iniziale: 0.03, 0.045, 0.062, 0.08. Tale intervallo aveva lo scopo di estendere verso il basso l’intervallo di pendenze già sperimentato presso HR Wallingford (UK). Tre sono le distanze tra soglie sperimentate: 1.5 m, 0.75 m e 0.5 m. La combinazione di diverse portate liquide con le varie pendenze ed i vari interassi ha condotto ad avere 112 buche di scavo le cui dimensioni (i.e. profondità, lunghezza e volume) e forma sono state correlate con le rispettive variabili idrauliche e geometriche. Per quanto riguarda le misurazioni in campo, complessivamente sono state rilevate le caratteristiche principali di 73 scavi a valle di briglie e soglie e di 37 pozze a valle di gradini naturali, in 10 torrenti delle Alpi Italiane Orientali con pendenze comprese tra 0.02 e 0.16. Inoltre, in due torrenti sistemati con briglie e soglie si è effettuato un rilievo granulometrico di dettaglio per poter analizzare la distribuzione longitudinale delle varie classi diametriche. I dati di laboratorio e di campo hanno permesso di ottenere diverse formulazioni empiriche e semi-empiriche per la previsione della massima profondità di scavo, della lunghezza di scavo e del volume eroso, introducendo il nuovo concetto di energia teorica del getto e della relativa efficienza di scavo. E’ stato inoltre descritto e modellato un fenomeno di interferenza geometrica tra opere poste a distanze ravvicinate su pendenze elevate, ed uno di interferenza morfodinamica nel caso si formino onde stazionarie su pendenze minori. L’analogia geometrica ed idraulica tra strutture a gradinata naturali ed artificiali è stata infine verificata statisticamente, fornendo così un nuovo modello geometrico-idraulico per spiegare la geometria complessiva delle sequenze a step pool naturali. |