DISS. ETH NO NUMERICAL SIMULATION OF EMBANKMENT BREACHING DUE TO OVERTOPPING. A dissertation submitted to ETH ZURICH

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1 DISS. ETH NO NUMERICAL SIMULATION OF EMBANKMENT BREACHING DUE TO OVERTOPPING A dissertation submitted to ETH ZURICH for the degree of Doctor of Sciences presented by CHRISTIAN VOLZ Dipl. Ing., University of Stuttgart Date of birth 20th April 1977 citizen of Germany accepted on the recommendation of Prof. Dr. R.M. Boes Dr. R. Fäh Prof. Dr. P. Rutschmann 2013

2 Chapter 1 Kurzfassung / Abstract Kurzfassung: Die Überströmung und das resultierende Versagen von erodierbaren Dämmen, wie Flussdeiche, Talsperren oder natürliche Dämme, kann zu katastrophalen Ereignissen mit hohem Schadenspotenzial führen. Numerische Simulationen solcher Ereignisse sind notwendig um das Prozessverständnis zu erweitern und um Vorhersagen zu verbessern. Diese Arbeit zielt ab auf die Entwicklung eines multi-physikalischen Ansatzes für die Simulation des strömungsinduzierten Versagens erodierbarer Dämme, die überwiegend aus nicht-kohäsiven Materialen bestehen. Ein numerisches Modell wurde entwickelt, welches die entscheidenden physikalischen Prozesse abbilden soll. Zu den Prozessen gehören die Überströmung des Dammes, die dadurch induzierte Oberflächenerosion, die Sickerströmung durch den Dammkörper und das gravitationsinduzierte Versagen der steilen Seitenwände des Erosionskanals. Diese Prozesse beeinflussen sich gegenseitig auf vielfältige Weise, was im Modell zumindest vereinfacht abgebildet wird. Beispielsweise induziert die Oberflächenerosion das Versagen der Seitenwände des Erosionskanals, die Überströmung führt zur Infiltration in den Dammkörper und die scheinbare Kohäsion des Dammmaterials beeinflusst sowohl die Oberflächenerosion als auch die Stabilität steiler Seitenwände. Im numerischen Modell werden die einzelnen Module gekoppelt ausgeführt, um die gegenseitigen Wechselwirkungen abzubilden. Randbedingungen müssen dynamisch gesetzt werden und Anpassungen der verschiedenen Berechnungsgitter sind nötig. Die Überströmung des Dammes wird mit den 2D Flachwassergleichungen abgebildet und mithilfe einer Finite-Volumen Methode numerisch gelöst. Für die Modellierung der xi

3 Oberflächenerosion werden Gleichungen für die Massenerhaltung und für den Transport des Sediments formuliert und ebenfalls mit einer Finite-Volumen Methode gelöst. Zusätzlich wird das Versagen der Seitenwände des Erosionskanals mit einer vereinfachten geometrischen Modellierung abgebildet. Für die räumliche Diskretisierung im numerischen Modell werden unstrukturierte Gitter verwendet, wobei eine massenerhaltende dual-mesh Diskretisierung für den Sedimenttransport entwickelt wurde. Die Verwendung unstrukturierter Gitter ermöglicht die Anwendung auf Szenarien mit komplexer und unregelmässiger Geometrie. Desweiteren wurde ein Sickerströmungsmodell entwickelt, welches die 3D Richards- Gleichung basierend auf der Lattice-Boltzmann Methode löst. Das Modell verwendet hierfür ein strukturiertes 3D Gitter zur Abbildung der Strömung im Dammkörper und wird mit den anderen Prozessen gekoppelt ausgeführt. Die resultierenden Porenwasserdrücke im Dammkörper werden verwendet um die Auswirkungen der scheinbaren Kohäsion abzuschätzen. Das gekoppelte Modell wurde schliesslich auf Laborversuche eines ebenen und eines räumlichen Deichbruchs angewandt. Dies ermöglicht Vergleiche zwischen der gemessenen und berechneten Entwicklung des Bruchvorgangs. Um die Anwendbarkeit des Modells auf gross-skalige Szenarien zu testen, wurden zusätzlich ein kontrollierter Dammbruchversuch sowie das Versagen eines natürlichen Moränendammes qualitativ untersucht. Die Ergebnise bestätigen die grundlegenden Modellannahmen und demonstrieren die Anwendbarkeit des numerischen Modells auf realistische und grossräumige Szenarien mit komplexer Geometrie. Alle numerischen Ansätze und Verfahren wurden in die an der VAW entwickelten Software BASEMENT integriert. Dadurch sollen die Vorteile und Möglichkeiten die eine praxistaugliche Software bietet ausgenutzt werden und der Wissenstransfer gefördert werden. xii

4 Abstract: The overtopping and subsequent failure of earth embankments including dykes, reservoir dams, tailing dams or natural embankments is a major engineering concern causing hazardous events of large destructive potential. Improvements of numerical simulations of such breach events are important for the understanding of the involved processes and to improve the model predictions. The purpose of this work is the development of a multi-physical simulation approach for non-cohesive earth embankment failures due to overtopping and progressive erosion which is applicable to practical engineering scenarios. A numerical model is developed considering multiple relevant physical processes, as the overtopping flow, the embankment surface erosion, the sub-surface flow through the embankment and side wall failures at the deepening breach channel. These processes have mutual interactions which shall be considered. For example, the surface erosion triggers the side wall failures, the overtopping flow leads to infiltrations into the embankment and the apparent cohesion of the material influences the surface erosion and the side wall stabilities. Coupling algorithms are implemented to consider these mutual interactions and to obtain a combined modelling approach. Boundary conditions must be set dynamically and mesh adaptations are required during breaching. The overtopping flow is simulated with the 2D Shallow-Water equations using an explicit Finite-Volume method combined with a Godunov-type approach. To simulate the embankment surface erosion, empirical transport formulas and advection-diffusion equations are applied for bed- and suspended-load transport in combination with 2D sediment mass continuity equations using a Finite-Volume method. Additionally, the lateral breach widening, caused by gravitationally-induced side wall failures, is modelled with a geometrical approach which is enhanced to consider effects of apparent cohesion. For spatial discretization, an accurate novel dual-mesh approach with separate, unstructured meshes for mass conserving hydrodynamic and sediment transport computations is developed. The use of unstructured meshes hereby allows for applications to project sites with complex geometries and topographies. Furthermore, a sub-surface flow model solving the 3D Richards equation is developed based on the Lattice-Boltzmann method. It applies a structured 3D mesh to simulate the water infiltration and the variably-saturated flow in the embankment and provides the input data needed to asses effects of apparent cohesion. The combined model is applied to two recent laboratory studies concerning plane and spatial dyke breaches. These enable detailed comparisons between the measured and xiii

5 simulated breach formations, which are needed to confirm the basic model assumptions. To test the model on field-scale scenarios, a controlled dam breach and a failure of a naturally formed moraine embankment are additionally investigated. The results demonstrate the model applicability to realistic scenarios of large extents and complex geometries. The developed numerical approaches are integrated into the software BASEMENT, thereby exploiting advantages and features of a mature software framework and promoting the transfer of knowledge to engineering practice. xiv