Abstrakt
Flow in flood dikes, earth dams, and embankments occurs in variably saturated conditions, with pores of the earth material filled partly with water and partly with air. In routine engineering analysis, the influence of pore air is neglected and the air pressure is assumed equal to atmospheric. In some circumstances, for example, during overtopping of the dike by water, the effect of pore air on water flow and stability of the structure can be important. These features cannot be captured with the commonly used Richards equation. In this paper, we analyze earlier experiments on the overtopping of a model dike made of fine sand. During the experiments, a significant amount of air was trapped near the outer slope of the dike, which later escaped through a fracture formed in wet sand. The observations were compared with numerical simulations using the Richards equation and the two-phase immiscible flow model. The deformation and damage of the dike were not modelled, but the initial evolution of the entrapped air pressure (before damage occurred) was in a good agreement with two-phase flow simulations.
Cytowania
-
1
CrossRef
-
0
Web of Science
-
1
Scopus
Autorzy (6)
Cytuj jako
Pełna treść
- Wersja publikacji
- Accepted albo Published Version
- Licencja
- otwiera się w nowej karcie
Słowa kluczowe
Informacje szczegółowe
- Kategoria:
- Publikacja w czasopiśmie
- Typ:
- artykuł w czasopiśmie wyróżnionym w JCR
- Opublikowano w:
-
COMPUTATIONAL GEOSCIENCES
nr 23,
strony 325 - 337,
ISSN: 1420-0597 - Język:
- angielski
- Rok wydania:
- 2019
- Opis bibliograficzny:
- Tisler W., Gorczewska-Langner W., Danuta L., Stanisław M., Ossowski R., Szymkiewicz A.: Simulations of air and water flow in a model dike during overflow experiments// COMPUTATIONAL GEOSCIENCES. -Vol. 23, iss. 2 (2019), s.325-337
- DOI:
- Cyfrowy identyfikator dokumentu elektronicznego (otwiera się w nowej karcie) 10.1007/s10596-018-9796-7
- Bibliografia: test
-
- Abo Elela, M.M.I.: Filtration phenomena in earth dike during intensive precipitation. PhD Thesis, Polish Academy of Sciences, Institute of Hydro-Engineering, Gdańsk, Poland (1996)
- Aubertin, M., Mbonimpa, M., Bussière, B., Chapuis, R.P.: A model to predict the water retention curve from basic geotechnical properties. Can. Geotech. J. 40(6), 1104-1122 (2003) otwiera się w nowej karcie
- Banerjee, M., Singh, V.P., Singh, H.N., Shankar, D., Singh, U.S.: Ground rupturing due to entrapped air/gas in the unconfined zone. Int. J. Geosci. 1(03), 149 (2010) otwiera się w nowej karcie
- Bogacz, P.: Degradation of flood embankments-results of observation of the destruction mechanism and comparison with a numerical model. Open Eng. 7(1), 237-243 (2017) otwiera się w nowej karcie
- Bogacz, P., Kaczmarek, J., Leśniewska, D.: Influence of air entrapment on flood embankment failure mechanics-model tests. Technol. Sci. 11, 188-201 (2008) otwiera się w nowej karcie
- Brinkgreve, R.B.J., Vermeer, P.A.: Plaxis manual, version 7, 5-1 (1998)
- Brooks, R.H., Corey, A.T.: Hydraulic Properties of Porous Media. Technical Report Hydrology Paper 3. Colorado State University, Fort Collins, Colorado, USA (1964) otwiera się w nowej karcie
- Burdine, N.T.: Relative permeability calculations from pore size distribution data. Transactions of the American Institute of Mining. Min. Metall. Pet. Eng. 198, 71-77 (1953) otwiera się w nowej karcie
- Chapuis, R.P.: Predicting the saturated hydraulic conductivity of soils: a review. Bull. Eng. Geol. Environ. 71(3), 401-434 (2012) otwiera się w nowej karcie
- Delfs, J.O., Wang, W., Kalbacher, T., Singh, A.K., Kolditz, O.: A coupled surface/subsurface flow model accounting for air entrap- ment and air pressure counterflow. Environ. Earth Sci. 69(2), 395-414 (2013). https://doi.org/10.1007/s12665-013-2420-1 otwiera się w nowej karcie
- Dunn, A.M., Silliman, S.E.: Air and water entrapment in the vicinity of the water table. Ground Water 41, 729-734 (2003) otwiera się w nowej karcie
- Faybishenko, B.A.: Hydraulic behavior of quasi-saturated soils in the presence of entrapped air: laboratory experiments. Water Resour. Res. 31(10), 2421-2435 (1995) otwiera się w nowej karcie
- Gamnitzer, P., Hofstetter, G.: Fully coupled multi-phase modelling of pumping induced settlements, air-and water flow in multi- layered normally consolidated soils. Comput. Geotech. 79, 10-21 (2016) otwiera się w nowej karcie
- Gawin, D., Baggio, P., Schrefler, B.A.: Coupled heat, water and gas flow in deformable porous media. Int. J. Numer. Methods Fluids 20(8-9), 969-987 (1995) otwiera się w nowej karcie
- Gawin, D., Sanavia, L.: Simulation of cavitation in water saturated porous media considering effects of dissolved air. Transp. Porous Media 81(1), 141-160 (2010) otwiera się w nowej karcie
- Hammecker, C., Antonino, A.C.D., Maeght, J.L., Boivin, P.: Experimental and numerical study of water flow in soil under irrigation in northern senegal: evidence of air entrapment. Eur. J. Soil Sci. 54(3), 491-503 (2003) otwiera się w nowej karcie
- Helmig, R.: Multiphase flow and transport processes in the subsurface: a contribution to the modeling of hydrosystems. Springer, New York (1997) otwiera się w nowej karcie
- Hsieh, P.A., Wingle, W.L., Healy, R.W.: VS2DI-A graphical software package for simulating fluid flow and solute or energy transport in variably saturated porous media (2000) otwiera się w nowej karcie
- Huisman, J.A., Rings, J., Vrugt, J.A., Sorg, J., Vereecken, H.: Hydraulic properties of a model dike from coupled Bayesian and multi-criteria hydrogeophysical inversion. J. Hydrol. 380(1-2), 62-73 (2010) otwiera się w nowej karcie
- Khoei, A.R., Mohammadnejad, T.: Numerical modeling of multiphase fluid flow in deforming porous media: a comparison between two-and three-phase models for seismic analysis of earth and rockfill dams. Comput. Geotech. 38(2), 142-166 (2011) otwiera się w nowej karcie
- Kolditz, O., Görke, U.J., Shao, H., Wang, W. (eds.): Thermo- hydro-mechanical-chemical processes in porous media: bench- marks and examples (vol. 86). Springer Science & Business Media, Berlin (2012) otwiera się w nowej karcie
- Kuang, X., Jiao, J.J., Wan, L., Wang, X., Mao, D.: Air And water flows in a vertical sand column. Water Resour Res. 47(4), W04506 (2011). https://doi.org/10.1029/2009WR009030 otwiera się w nowej karcie
- Leśniewska, D., Bogacz, P., Kaczmarek, J., Zaradny, H.: Air trapping phenomenon and cracking. Model tests on flood embankment. Floodsite Project report: www.floodsite.net (2007) otwiera się w nowej karcie
- Leśniewska, D., Zaradny, H., Bogacz, P., Kaczmarek, J.: Study of flood embankment behaviour induced by air entrapment. In: Samuels, P., Huntington, S., Allsop, W., Harrop, J. (eds.) Flood risk management: research and practice, pp. 655-665 (2008) otwiera się w nowej karcie
- Leśniewska, D.: Mechanizm wewne ¸trznej erozji wałów prze- ciwpowodziowych w trakcie intensywnych powodzi. Materiały Budowlane 11, 19-22 (2013)
- Lewis, R.W., Schrefler, B.A.: The finite element method in the static and dynamic deformation and consolidation of porous media (vol. 2). Wiley, Chichester (1998)
- Marinas, M., Roy, J.W., Smith, J.E.: Changes in entrapped gas content and hydraulic conductivity with pressure. Ground Water 51(1), 41-50 (2014). https://doi.org/10.1111/j.1745-6584.2012. 00915.x otwiera się w nowej karcie
- McLeod, H.C., Roy, J.W., Smith, J.E.: Patterns of entrapped air dissolution in a two-dimensional pilot-scale synthetic aquifer. Ground Water 53(2), 271-281 (2015). https://doi.org/10.1111/ gwat.12203 otwiera się w nowej karcie
- Melnikova, N.B., Krzhizhanovskaya, V.V., Sloot, P.M.: Modeling earthen dikes using real-time sensor data. J. Hydrol. 496, 154-165 (2013) otwiera się w nowej karcie
- Mualem, Y.: A new model for predicting the hydraulic conduc- tivity of unsaturated porous media. Water Resour. Res. 12(3), 513-522 (1976). https://doi.org/10.1029/WR012i003p00513 otwiera się w nowej karcie
- Pietruszczak, S., Pande, G.N.: Constitutive relations for partially saturated soils containing gas inclusions. J. Geotech. Eng. 122(1), 50-59 (1996) otwiera się w nowej karcie
- Siemens, G.A., Take, W.A., Peters, S.B.: Physical and numerical modeling of infiltration including consideration of the pore-air phase. Can. Geotech. J. 51(12), 1475-1487 (2014) otwiera się w nowej karcie
- Šimůnek, J., Van Genuchten, M.T., Sejna, M.: The HYDRUS-1D software package for simulating the one-dimensional movement of water, heat, and multiple solutes in variably-saturated media. University of California-Riverside Research Reports 3, 1-240 (2005) otwiera się w nowej karcie
- Stadler, L., Hinkelmann, R., Helmig, R.: Modeling macroporous soils with a two-phase dual-permeability model. Transp. Porous Media 95(3), 585-601 (2012) otwiera się w nowej karcie
- Sun, D.M., Zang, Y.G., Semprich, S.: Effects of airflow induced by rainfall infiltration on unsaturated soil slope stability. Transp. Porous Media 107(3), 821-841 (2015) otwiera się w nowej karcie
- Szymańska, P., Tisler, W., Schütz, C., Szymkiewicz, A., Neuweiler, I., Helmig, R.: Experimental and numerical analysis of air trapping in a porous medium with coarse textured inclusions. Acta Geophysica 64(6), 2487-2509 (2016) otwiera się w nowej karcie
- Szymkiewicz, A.: Modelling Water flow in unsaturated porous media: accounting for nonlinear permeability and material heterogeneity. Book Series: GeoPlanet: Earth and Planetary Sciences. Springer, Berlin (2013) otwiera się w nowej karcie
- Szymkiewicz, A., Tisler, W., Burzyński, K.: Examples of numerical simulations of two-dimensional unsaturated flow with VS2DI code using different interblock conductivity averaging schemes. Geologos 21(3), 161-167 (2015) otwiera się w nowej karcie
- Szymkiewicz, A., Helmig, R., Kuhnke, H.: Two-phase flow in het- erogeneous porous media with non-wetting phase trapping. Trans- port Porous Med. 86(1), 27-47 (2011). https://doi.org/10.1007/ s11242-010-9604 otwiera się w nowej karcie
- Szymkiewicz, A., Helmig, R., Neuweiler, I.: Upscaling unsatu- rated flow in binary porous media with air entry pressure effects. Water Resour. Res. 48(4), W04522 (2012). https://doi.org/10. 1029/2011WR010893 otwiera się w nowej karcie
- Szymkiewicz, A., Kryczałło, A.: Obliczanie współczynnika filtracji piasków iżwirów na podstawie krzywej uziarnienia: przegla ¸d wzorów empirycznych. [Calculating permeability of sands and gravels based on granulometric curve: overview of empirical formulas]. In:żynieria Morska i Geotechnika, pp. 110- 121 (2011)
- Szymkiewicz, A., Neuweiler, I., Helmig, R.: Influence of heterogeneous air entry pressure on large scale unsaturated flow in porous media. Acta Geophys. 62(5), 1179-1191 (2014). https://doi.org/10.2478/s11600-014-0224-7 otwiera się w nowej karcie
- Tisler, W., Szymkiewicz, A.: Numerical simulations of seepage in dike using unsaturated and two phase flow model. Dreg Dike Conference (2014) otwiera się w nowej karcie
- Tisler, W., Szymkiewicz, A.: Influence of the air phase on water flow in dikes. In: E3s Web of Conferences (vol. 17, p. 00094). EDP Sciences (2017) otwiera się w nowej karcie
- Touma, J., Vauclin, M.: Experimental and numerical analysis of two-phase infiltration in a partially saturated soil. Transp. Porous Media 1(1), 27-55 (1986). https://doi.org/10.1007/BF01036524 otwiera się w nowej karcie
- Touma, J., Vachaud, G., Parlange, J.-Y.: Air and water flow in a sealed, ponded vertical soil column: experiment and model. Soil Sci. 137(3), 181-187 (1984) otwiera się w nowej karcie
- Vachaud, G., Vauclin, M., Khanji, D., Wakil, M.: Effects of air pressure on water flow in an unsaturated stratified vertical column of sand. Water Resour. Res. 9(1), 160-173 (1973). https://doi.org/ 10.1029/WR009i001p00160 otwiera się w nowej karcie
- van Duijn, C.J., Eichel, H., Helmig, R., Pop, I.S.: Effective equations for two-phase flow in porous media: the effect of trapping at the micro-scale. Transp. Porous Media 69(3), 411-428 (2007). https://doi.org/10.1007/s11242-006-9089-9 otwiera się w nowej karcie
- van Esch, J.M., Sellmeijer, J.B., Stolle, D.: Modeling transient groundwater flow and piping under dikes and dams. In: 3Rd International Symposium on Computational Geomechanics (Comgeo III) (vol. 9) (2013)
- van Genuchten, M.T.: A closed form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils. Soil Sci. Soc. Am. J. 44(5), 892-898 (1980). https://doi.org/10.2136/sssaj1980. 03615995004400050002x otwiera się w nowej karcie
- van Genuchten, M.V., Leij, F.J., Yates, S.R.: The RETC code for quantifying the hydraulic functions of unsaturated soils (1991)
- Vasin, M., Lehmann, P., Kaestner, A., Hassanein, R., Nowak, W., Helmig, R., Neuweiler, I.: Drainage in heterogeneous sand columns with different geometric structures. Adv. Water Resour. 31(9), 1205-1220 (2008). https://doi.org/10.1016/j.advwatres.2008.01.004 otwiera się w nowej karcie
- Vuković, M., Soro, A.: Determination of hydraulic conductivity of porous media from grain-size composition. Water Resources Pubns (1992)
- Wang, Z., Feyen, J., Nielsen, D.R., Genuchten, M.T.: Two-phase flow infiltration equations accounting for air entrapment effects. Water Resour. Res. 33(12), 2759-2767 (1997) otwiera się w nowej karcie
- Wang, Z., Feyen, J., Genuchten, M.T., Nielsen, D.R.: Air entrapment effects on infiltration rate and flow instability. Water Resour. Res. 34(2), 213-222 (1998) otwiera się w nowej karcie
- Wheeler, S.J.: A conceptual model for soils containing large gas bubbles. Geotechnique 38(3), 389-397 (1988a) otwiera się w nowej karcie
- Wheeler, S.J.: The undrained shear strength of soils containing large gas bubbles. Géotechnique 38(3), 399-413 (1988b) otwiera się w nowej karcie
- Zaradny, H.: Experiment setup for simulation of the flow of water and pollutants. Report IBW PAN, 10 pp. 14 figs (1992) otwiera się w nowej karcie
- Zaradny, H.: Physical modeling of infiltration into dikes for stability purposes. The second term. Report IBW PAN, Contract No. DWW-510 24 pp (1993)
- Zaradny, H.: Physical modelling of infiltration into dikes for stability purposes. The final report. Report IBW PAN, Contract No. DWW-510 29 pp (1994)
- Zaradny, H.: Entrapped air-reason for the unexpected pore pressure behaviour in levees and earth dams. In: Proceedings of XXVIII IAHR Congress-hydraulic engineering for sustainable water resources management at the turn of the millennium, Graz, Austria (p. 7) (1999)
- Zhang, X.Y., Zhu, Y.M., Fang, C.H.: The role of air flow in soil slope stability analysis. J. Hydrodyn. Ser. B 21(5), 640-646 (2009) otwiera się w nowej karcie
- Weryfikacja:
- Politechnika Gdańska
wyświetlono 113 razy
Publikacje, które mogą cię zainteresować
Experimental and Numerical Analysis of Air Trapping in a Porous Medium with Coarse Textured Inclusions
- P. Szymańska,
- W. Tisler,
- A. Szymkiewicz
- + 3 autorów
Influence of heterogeneous air entry pressure on large scale unsaturated flow in porous media
- A. Szymkiewicz,
- I. Neuweiler,
- R. Helmig