A two-phase SPH depth integrated model for debris flow propagation considering pore water pressure evolution

Moussavi Tayyebi, Saeid (2019). A two-phase SPH depth integrated model for debris flow propagation considering pore water pressure evolution. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.57431.

Description

Title: A two-phase SPH depth integrated model for debris flow propagation considering pore water pressure evolution
Author/s:
  • Moussavi Tayyebi, Saeid
Contributor/s:
  • Pastor Pérez, Manuel
  • Martín Stickle, Miguel
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2019
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM)
Department: Matemática e Informática Aplicadas a la Ingenierías Civil y Naval
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

Los flujos de derrubios son un fenómeno geológico que tiene lugar con cierta regularidad en regiones montañosas del planeta causando cada año cuantiosas pérdidas económicas y un elevado número de víctimas en todo el mundo. El desarrollo de modelos continuos que permitan representar la propagación de este tipo de flujos másico geofísicos, desde su desencadenamiento hasta su deposición, no es una tarea sencilla debido a la complejidad del fenómeno, conduciendo a un sistema de ecuaciones en derivadas parciales hiperbólico, dependiente del tiempo y no lineales. Los flujos de derrubios son uno de los tipos de deslizamiento que causan mayor número de daños, presentando una naturaleza multifísica en el que el comportamiento acoplado esqueleto sólido-fluido intersticial juega un papel fundamental en la fase de propagación. En esta Tesis Doctoral se presenta un modelo matemático integrado en profundidad para flujos de derrubios basado en las ecuaciones de Biot-Zienkiewicz incluyendo leyes de arrastre para tener en cuenta la interacción entre el esqueleto sólido y el fluido intersticial. Este modelo incorpora la influencia de la disipación de excesos de presión de poros, aspecto crucial para la evaluación de riesgos asociada a esta tipología de flujos gravitatorios. El modelo matemático de dos fases (esqueleto sólido y fluido intersticial) que se presenta en esta Tesis Doctoral extiende el modelo propuesto por Pastor y colaboradores en 2015 ya que permite una descripción más precisa de la evolución de las presiones intersticiales al incorporar no sólo los cambios de tensión total debidos a la variación de la altura del flujo, sino a cambios en la porosidad. Este nuevo modelo matemático puede ser empleado en la propagación de flujos de derrubios con distintas permeabilidades permitiendo, permitiendo reproducir la dispersión lateral observada en este tipo de flujos de derrubios la cual depende de la presión intersticial. El modelo matemático ha sido resuelto numéricamente a través del método Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) con un doble juego de partículas, una para representar el movimiento del esqueleto y otra para representar el movimiento del agua intersticial. Como novedad un esquema de diferencias finitas ha sido incluido a las partículas de sólido para incorporar la evolución de las presiones de poros a lo largo de la fase de propagación del flujo de derrubios. Hasta donde llega el conocimiento del autor, esta es la principal novedad de la presente Tesis Doctoral, ya que es la primera vez en la que un modelo continúo integrado en profundidad desarrollado para la propagación de flujos de derrubios es resuelto numéricamente con la técnica SPH con dos juegos de partículas incluyendo la disipación de los excesos de presión de poros (modelo SPH-DF). De esta forma esta Tesis Doctoral extiende el trabajo de 2017 de Manuel Pastor y colaboradores. El funcionamiento así como las limitaciones del presente modelo han sido evaluadas a través de una serie de simulaciones de verificación que incluyen 1) problemas de rotura de presa, 2) ensayos a pequeña escala incorporando rejillas permeables en la superficie de deslizamiento y 3) dos casos reales de flujos de derrubios acaecidos en Hong Kong. Los buenos resultados obtenidos a través de los análisis de validación indican que el modelo matemático propuesto es capaz de reproducir adecuadamente la velocidad de propagación así como la extensión y profundidad de la zona afectada por el deslizamiento. Más aún, el modelo representa adecuadamente la evolución de las presiones intersticiales a lo largo de la fase de propagación considerando una superficie basal tanto permeable como impermeable. ----------ABSTRACT---------- Landslides are a geological phenomenon which occur frequently in mountainous regions or along rivers, causing major economic damage and a large number of casualties around the world. Development of continuous based models to represent the propagation of these geophysical mass flows, from initiation to deposit in the run-out zones, is not an easy task due to the complexity of the phenomenon. Moreover, many of the interesting fast catastrophic landslides, such as debris flows, involve more than one phase where the coupling between the phases plays a fundamental role. Such multiphase materials can be properly described by using a multiple set of nodes for different phases, and a suitable drag law to take into account the interaction between particles. The principal objective of this Doctoral Thesis is to develop mathematical and numerical modelling for simulating debris flows in which considering the effect of pore-water pressure dissipation is essential for risk analysis. A debris flow consists of low to high permeable soil in which lateral spreading could be highly affected by excess pore-water pressure. The numerical modeling of these types of debris flow has not been investigated until now. In this study, the two-phase model proposed by Pastor et al. (2017) is extended and also an improvement in description of pore pressure evolution (Pastor et al., 2015) is presented in order to take into account with more precision changes caused not only by vertical consolidation and height variations, but also by new considerations which include changes of basal surface permeability and porosity variations. The new mathematical approach is based on the depth integrated mathematical model of Zienkiewicz and Shiomi (1984), and is capable to reproduce the propagation of debris flows with soil permeability ranging from high to low. These mathematical equations are discretized by using Smooth Particle Hydrodynamic (SPH) technique where a double set of nodes, one to represent the movement of the solid particles and another to represent the movement of the fluid particles, is defined. As a novelty, this Doctoral Thesis provides a contribution to enhance the two-phase numerical model with adding a 1D finite difference grid to each SPH node that represents a solid particle in order to improve the description of pore-water pressure (SPH-FD model). The performance and limitations of the model is assessed using a series of benchmark exercises, including (i) dam break problem to show the main features of the model, (ii) flume tests equipped with a (permeable) rack which performed in Trondheim, and (iii) two real cases for which we have had access to their reliable information. The good results obtained from the validation analysis of the mentioned benchmarks indicated that the proposed model is capable to properly reproduce the propagation velocity, runout distance and deposit thickness of the debris flows, and more importantly to correctly performs the time-space evolution of pore-water pressures during the whole propagation stage from initiation to propagation over an impermeable and permeable bottom boundary, and up to deposition.

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Item ID: 57431
DC Identifier: http://oa.upm.es/57431/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:57431
DOI: 10.20868/UPM.thesis.57431
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 04 Dec 2019 06:09
Last Modified: 04 Dec 2019 06:09
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