A flood embankment under changing water level conditions - a comparison of a physical and a numerical model

WAŁ PRZECIWPOWODZIOWY W WARUNKACH ZMIENIAJĄCEGO SIĘ POZIOMU WODY – PORÓWNANIE MODELI FIZYCZNEGO I NUMERYCZNEGO Jarosława Kaczmarek, Danuta Leśniewska 1 Katedra Budownictwa i Konstrukcji Budowlanych Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie 2 Instytut Budownictwa Wodnego PAN w Gdańsku, Politechnika Koszalińska S ł o w a k l u c z o w e: wały przeciwpowodziowe, zmiany poziomu wody, modelowanie, obliczenia MES, analiza obrazu, metoda PIV. A b s t r a k t W pracy przedstawiono porównanie wyników badań na płaskim fizycznym modelu wału przeciwpowodziowego z wynikami modelowania numerycznego metodą elementów skończonych (MES). Modelowanie numeryczne przeprowadzono z zastosowaniem programu PLAXIS, dane z doświadczeń opracowano za pomocą programu geoPIV. Wykonano dwa typy badań modelowych, które polegały na naprzemiennym podnoszeniu (do całkowitego zalania) i obniżaniu (do całkowitego osuszenia) zwierciadła wody oddziałującego na model wału przeciwpowodziowego. Celem pracy było stwierdzenie przydatności metody analizy obrazu (PIV) do badania deformacji wału przeciwpowodziowego w zmiennych warunkach hydrologicznych. Otrzymano jakościową zgodność między doświadczalnymi i obliczeniowymi polami przemieszczeń w korpusie wału. Introduction Nowadays, with predicted changes in the global climate leading to more frequent incidents of intensive hydro-meteorological events which will threaten human life and material possessions, it seems essential to analyze changes that occur in flood embankments under different ambient conditions (LEŚNIEWSKA et al. 2007, BOGACZ et al. 2008, MORRIS et al. 2008). Flood embankments are typically the first line of defence against flooding water, therefore any changes caused by a rising water level within the body of an embankment should be thoroughly analyzed (LEŚNIEWSKA et al. 2008, SCHNELLMANN et al. 2010, ZARADNY 2008). Under the TROIAnet Science Network, financed by the Ministry of Science and Higher Education, laboratory tests were carried out in 2008 to analyze changes in a flood embankment body which appeared due to changing levels of the groundwater table. Some preliminary results of these analyses, conducted using the geoPIV method, revealed that even minor changes in the position of the groundwater table led to measurable deformations in the body of a flood embankment (KACZMAREK et al. 2009). This paper compares the results of tests completed on a flat physical model of a flood embankment with the results of numerical modeling using the finite element method (FEM). The numerical modeling was conducted with an aid of the PLAXIS software package while the empirical data were processed using the geoPIV programme. The experiments Two types of tests were performed, each consisting of alternately raising (up to complete flooding) and lowering (to complete desication) of a water table affecting a model of a flood embankment. Each test was run for 1.5 to 2 months. The types of the tests were different in the velocity of raising the water level: type I – slow changes and type II – rapid changes in the position of groundwater. For the analysis presented in this paper, phase I of type II tests was examined, i.e. rapid raising of the water table up to complete flooding of the body of a flood embankment. Five stages of the experiment were analyzed, Jarosława Kaczmarek, Danuta Leśniewska 54 corresponding to the water level h0 = 0 cm (dry embankment), h1 = 20 cm, h2 = 40 cm, h3 = 60 cm, h4 = 80 cm and h5 = 100 cm (the embankment completely flooded). The geoPIV software package (WHITE, TAKE 2002) was used to analyze digital photographs documenting each stage of the tests in order to obtain the corresponding displacement fields and deformations.