Numerical simulation of infiltration and evaporation for unsaturated infinite soil slopes

Abstract

Yağmur tarafından tetiklenen heyelanlar dünyanın birçok bölgesinde yaygın olup, birçok can ve mal kaybına sebep olmaktadır. Bu sığ heyelanlar yeraltı su seviyesinin önemli derecede aşağıda kaldığı yer yüzeyine paralel doğrultuda, tipik olarak 3-5 m derinlikte gerçekleşmekte olup kısa süreli şiddetli yağmurlar ile veya birkaç gün süren düşük şiddetli yağmurlar ile tetiklenirler (Huvaj vd., 2013). Yağmur suyunun infiltrasyonu ile tetiklenen bu heyelanların stabilitesi, kayma yüzeyinin yer yüzeyine paralel olması düşünülerek genellikle sonsuz şev modelleri ile incelenir. Bu çalışmada, suya doygun olmayan sonsuz bir şevdeki infiltrasyon ve buharlaşmanın simulasyonun yapılabildiği ve ıslanma-kuruma sırasındaki histeresis etkisinin ve de bu iki rejim arası geçişlerinde dahil edildiği bir numerik model geliştirilmiştir. Geçiş eğrisi modeli literatürde bulunan geçiş eğrilerinin şekilleri ile uyumlu olmuştur. Histeresis modellemesi için önerilen ilişkiler farklı modellerde (örneğin, elastoplastisite modelleri) veya diğer fiziksel problemler için artımlı formda emmeyi tahmin etmek üzere kullanılabilir. Darcy denklemi artımlı formda düşünülerek sonsuz şevde infiltrasyon ve buharlaşma durumlarındaki su akışını değerlendirmede kullanılmıştır. Önerilen nümerik model infiltrasyon kolonu deneyi sonuçları kullanılarak doğrulanmaya çalışılmıştır.Akış modeli sonsuz şev analizinde (eleman düzeyinde hidrolik ve mekanik davranışı birbirine bağlamadan) kullanılmıştır. Yine yenilme için yağmur şiddeti-süre sınır eğrileri elde etme ve matrik emme ve su muhtevası profillerini belirleme amacıyla parametrik çalışma yürütülmüştür. Burada zemin özelliklerine ve yağmur şiddetine bağlı olarak çok çeşitli yenilme mekanizmaları gözlenmiştir. Yağmur nedeniyle tetiklenen heyelanlar arkasındaki çeşitli mekanizmaları anlamak, heyelandan kaynaklı tehlikeleri azaltacak alansal modellerin ve erken uyarı sistemlerinin geliştirilmesinin yolunu açacaktır.Geliştirilen hidrolik model farklı fiziksel problemlerde için hidromekanik yapının artımlı olarak modellenmesinde kullanılabilir.

Rainfall triggered landslides are common threat in many regions of the world and cause loss of lives and properties. These are shallow failures (typically 3-5 m depths from the ground surface) that occur along a plane parallel to the ground surface where the groundwater level is located at significant depths below, and they are triggered after a heavy rainfall in a short time or after days of lower intensity rainfall (Huvaj et al., 2013). Considering a failure plane oriented parallel to the ground surface, infinite slope models are used to analyse stability of these landslides after rainfall infiltration in general. In this study, a numerical model was developed to simulate the infiltration and evaporation in the unsaturated infinite soil slopes by considering the effect of wetting-drying hysteresis, as well as transitions between the two regimes. The scanning curve model fits the general shape of retention curves found in the literature. The incremental form of Darcy's equation was used to evaluate water flow within the infinite slope in case of both infiltration and evaporation. The proposed numerical model was validated with results of infiltration column test.The flow model was used with infinite slope analysis (without coupling hydraulic and mechanical behavior at the element scale), and a parametric study was conducted to obtain suction and water content profiles, as well as rainfall intensity-duration thresholds for failure. Three distinct mechanisms that led to instability was observed, depending on soil proporties and rainfall intensity. The understanding of various mechanisms of landslide trigger due to rainfall may eventually pave the road for areal models and early warning systems to mitigate the hazard of such landslides.The proposed hydraulic model can also be used in incremental form to predict suction in different hydromechanical frameworks for other physical problems.