Experiments de flux i sedimentació de llim fi
Authors:   , Capapé Miralles Sergio 
Published: October 2023

Research on fine sediment transport (silt and clay) is less advanced than research on sand and gravel movement. Nevertheless, fine sediment can be the predominant fraction of the suspended load in some rivers, and its management in reservoirs, ports, sewage and industrial pipes is very important. As sediment becomes finer, the relation between the particles, the fluid and the boundaries becomes more complex. The main goal of the thesis is to find the transport capacity of a quartz dust from laboratory flume experiments and compare it to wash-load in rivers. The average size of the quartz dust particles is 0.004 mm (i.e. fine silt) and the flume is 14.75 m-long and 0.37 m-wide. Surprisingly, it is discovered that there is sedimentation although the hydraulic conditions “summarized by a shear velocity several orders of magnitude higher than the settling velocity of the particles” are a priori unfavourable. Moreover, the sedimentation occurs despite suspended silt transport is very low. In consequence, it is studied the formation and evolution of the silt deposits. The expressions used in the calculation of the suspended transport capacity are based on the energy equilibrium between the energy required to keep the sediment in suspension and the energy dissipated during the transport. They may include correction factors that depend on bed conditions (fixed or alluvial, hydraulically smooth or rough). In this research, the viscous effects “especially when the particle size is smaller than the thickness of the viscous sublayer” are identified as factors that affect the sedimentation (or trapping) of particles within the viscous sublayer. The experiments of this thesis start with silt concentrations ranging between 1.28 kg/m3 and 51.72 kg/m3 and last up to three days. Velocity measurements are performed with an acoustic Doppler velocimeter ADV and over 1000 samples of the mixture of water and silt are withdrawn from the flow to obtain particle size distributions (with the laser diffraction technique) and suspended silt concentrations. The sedimentation of silt over the smooth, non-erodible bottom of the flume generates deposits, with various and rare morphologies in fluvial engineering, where barchans stand out. Barchans are bedforms characteristic “as per the scientific literature” of environments with a limited supply of sediment. In this research, barchans appear although the transport of silt is very high. It is conjectured that the final morphology of the deposits is a function of the suspended silt concentration and the duration of the experiment. The average size of the bedforms in one- day experiments are 4.93 cm-wide, 10.33 cm-long and 0.45 cm-high. The deposit flattens, probably because of the cohesive effects, and flat deposits are observed in experiments with silt concentration exceeding 22.5 kdg/m3. Bedform migration constitutes a bed-load transport that is several orders of magnitude lower than the suspended transport. Overall, one third of the silt in suspension sediments after 1440 min. Temporal evolution of silt concentration is defined by a rational function with variables time and silt mass. This function gives a value of nil concentration at infinite time. The appearance of the bedforms alters the near-bed velocity measurements. Oscillations of the mean vertical velocity around the initial value are amplified with the presence of bedforms and display a pattern. From the temporal evolution of these patterns, it is calculated the bedform migration rate. Small and incipient bedforms migrate at 4 mm/min and larger bedforms migrate at 1 mm/min. These migration rates are similar to the measured ones from the side of the flume.

La recerca en el transport de sediment fi (llim i argila) està menys avançada que la relacionada amb el moviment de sorra i grava. Nogensmenys, el sediment fi en la càrrega en suspensió d'alguns rius pot ser majoritari i la seva gestió en els embassaments, els ports, el clavegueram i les conduccions industrials esdevé molt important. Com més fi és el sediment més complexes són les relacions entre les partícules, el fluid que les envolta i el seu contorn. L'objectiu principal de la tesi és trobar la capacitat del transport d'una pols de quars en un canal de laboratori i relacionar-la amb la càrrega de rentat en rius. La mida mitjana de les partícules de la pols de quars és 0.004 mm (és a dir, un llim fi proper a l'argila) i el canal de laboratori té unes dimensions de 14.75 m de longitud útil i 0.37 m d'amplada. Sorprenentment, es descobreix que la sedimentació és abundant malgrat que les condicions hidràuliques resumides en una velocitat de tall que és alguns ordres de magnitud superior a la velocitat de sedimentació de les partícules són a priori desfavorables per a que es produeixi. Encara més, la sedimentació succeeix malgrat que el transport de llim en suspensió sigui molt baix. Així és que s'investiga la creació i l'evolució dels dipòsits de llim. Les expressions més emprades en el càlcul de la capacitat del transport en suspensió provenen d'igualar l'energia necessària pel manteniment de sediment en suspensió i l'energia dissipada durant el transport de sediment, i poden incorporar factors que depenen del fons (fix o al·luvial, hidràulicament llis o rugós). En aquesta recerca, els efectes viscosos, sobretot quan la mida de les partícules és inferior al gruix de la subcapa viscosa, són identificats com a possibles factors que influeixen en la sedimentació (o atrapada) de partícules a dins la subcapa viscosa. Els experiments de la tesi comencen amb una concentració inicial de llim en suspensió que varia entre 1.28 kg/m3 i 51.72 kg/m3 i tenen una durada de fins a 3 dies. S'obtenen mesures de la velocitat amb un velocímetre acústic per efecte Doppler ADV i més de 1000 mostres de la mescla en suspensió per avaluar la concentració en suspensió i la granulometria amb tècniques de difracció làser. La sedimentació de llim a sobre la solera llisa i no erosionable del canal genera dipòsits amb morfologies diverses que no són freqüents en l'entorn de l'enginyeria fluvial. En destaquen les barcanes, que són formes de fons característiques, segons la literatura científica, d'entorns amb un subministrament limitat de sediment. En aquesta recerca, les barcanes apareixen a sobre la solera del canal malgrat que el transport de llim en suspensió és molt elevat. Es conjectura que la morfologia final dels dipòsits és una funció de la concentració en suspensió i de la durada de l'experiment. Les dimensions mitjanes de les formes de fons en els experiments d'un dia de durada són ,4.93 cm d'amplada, 10.33 cm de longitud, i 0.45 cm d'alçada. El dipòsit s'aplana, provablement com a resultat d'efectes cohesius en el llim que sedimenta, i s'observen dipòsits plans en experiments llargs amb concentracions de sediment superiors a 22.5 kg/m3. El transport de fans de llim per la migració de les formes de fans és alguns ordres de magnitud inferior al transport en suspensió. De mitjana, un terç del llim inicialment en suspensió sedimenta quan han transcorregut 1440 min. L'evolució de la concentració de llim en suspensió es defineix amb una funció racional que depèn del temps i de la quantitat inicial de llim. Segons aquesta funció racional, la concentració en suspensió per a temps infinit és zero