Debris Flow Impact on Rigid Vertical Barrier Wall, under the Protection by Tree Trunk Patches: Numerical and Analytical Modelling

Abstract

Debris flow is a geological hazard characterized by the irreversible deformation of sediment and water mixture. Due to its highly destructive potential, especially with the rise in the frequency of intense rainfall events and urbanization in hilly and mountainous areas, it is crucial to implement effective measures to reduce the debris flow risk. To mitigate debris flow disasters, most of the previous research has focused, mostly through experimental methods, on placing different rigid barriers as structural prevention against debris flow to dissipate its energy. On the other hand, simulating debris flow resistance on the tree trunk patches has received little attention. In the present work, analytical and numerical simulation of the peak impact pressure of debris flow on a vertical rigid wall has been analysed under the protection of a patch of tree trunks. Along the debris flow path, tree trunks with identical diameters have been arranged in linear and rectilinear configurations. The mathematical analysis employs the Reynolds Transport Theorem, while the numerical simulations use the Reynolds-Averaged-Navier-Stokes equations. Numerical simulations have shown that a rectilinear arrangement of tree trunks in a designated area is more effective than other configurations. Additionally, increasing the density of tree trunks within a specified area provides 50% more protection compared to simply adding more rows of tree trunks. Additionally, this study estimates a new dynamic coefficient (α) based on the Froude number and devises a new expression for the drag force coefficient for different tree trunk configurations. Keywords: Debris Flow, Rigid Barriers, Tree Trunks, Reynolds Transport Theorem, Reynolds-Averaged-Navier-Stokes.

Enkaz akışı, çökelti ve su karışımının geri döndürülemez deformasyonu ile karakterize edilen jeolojik bir tehlikedir. Özellikle aşırı yağış olaylarının artması ve dağlık bölgelerde kentleşmenin artmasıyla birlikte, son derece yıkıcı potansiyeli nedeniyle, enkaz akışı riskini azaltmak için etkili önlemlerin uygulanması büyük önem taşımaktadır. Enkaz akışı felaketlerini azaltmak için önceki araştırmaların çoğu, deneysel yöntemlerle, enkaz akışına karşı enerjisini dağıtmak için yapısal önleme olarak farklı sert bariyerler yerleştirmeye odaklanmıştır. Ancak ağaç gövdesi kısımlarında moloz akışı direncinin akima olan etkisi konusunda daha az araştırma yapılmıştır. Bu çalışmada, dikey sert bir duvar üzerindeki moloz akışının tepe darbe basıncının analitik ve sayısal simülasyonu, bir ağaç gövdesi parçasının koruması altında analiz edilmiştir. Enkaz akış yolu boyunca aynı çaplara sahip ağaç gövdeleri doğrusal ve doğrusal konFigure ürasyonlarda düzenlenmiştir. Matematiksel analizde Reynolds Taşıma Teoremi kullanılırken sayısal simülasyonlarda Reynolds-Ortalamalı-Navier-Stokes denklemleri kullanılmıştır. Sayısal simülasyon sonuçları, belirli bir alanda ağaç gövdelerinin doğrusal konFigure ürasyonunun diğer konFigure ürasyonlara göre daha etkili olduğunu ve belirli bir alanda ağaç gövdelerinin yoğunluğunun arttırılmasının, ağaç gövdelerinin sıra sayısındaki artışa göre %50 daha fazla koruyucu olduğunu göstermiştir. Ayrıca bu çalışma, Froude sayısının bir fonksiyonu olarak yeni bir dinamik katsayı (α) önermiş ve farklı ağaç gövdesi konFigure ürasyonları için sürükleme kuvveti katsayısı için yeni bir ifade tanımlamıştır. Anahtar Kelimeler: Enkaz Akışı, Sert Bariyerler, Ağaç Gövdeleri, Reynolds Taşıma Teoremi, Reynolds-Ortalamalı-Navier-Stokes.