Finite element analysis on piping control effect of the suspended cut-off wall in two-stratum dike foundations

ABSTRACT

With the permeability enlargement method, we carried out Finite Element Analysis on the piping development in a double-stratum dike foundation with suspended cut-off wall. Piping initialization as well as its development, erosion domain and seepage distribution under various hydraulic head is studied for double strata. The influences of the wall’s position and penetration on the seepage control are mainly analyzed. Results show that: (1) the erosion is composed of five stages, (a) sudden local piping after the formation of a passageway exit, (b) the channel developing towards the cut-off wall, along the surface of the sand layer, (c) lateral development along the cut-off wall, (d) vertical development leaping over the cut-off wall, and (e) horizontal development after leaping over. The failure mode and mechanism remain consistent with the phenomenon observed in the flume model test; (2) piping erosion transforms from horizontal to vertical, improving the critical hydraulic head effectively and reducing the risk of the dike collapse. The wall positioned at the downstream of the dike works more efficiently; (3) the suspended cut-off wall has little influence on the erosion initialization but exerts an effective control on its development. The seepage control efficiency increases as the wall penetration increases.

RÉSUMÉ

Nous avons effectué une analyse par éléments finis avec évolution possible de la perméabilité, pour étudier le développement de circulations hydrauliques dans une fondation de digue à double couches, avec un mur parafouille suspendu. L’initialisation de circulations ainsi que leur développement, les phénomènes d’érosion et la distribution des infiltrations sous différentes charges hydrauliques sont étudiés pour un milieu à deux couches. Les influences de la position et de la profondeur du mur sur le contrôle des infiltrations sont analysées. Les résultats montrent que : (1) l’érosion est composée de cinq stades, (a) initialisation locale et brutale d’une circulation après la formation d’une sortie en aval, (b) développement d’un chenal de circulation en direction du mur parafouille, le long de la surface de la couche de sable, (c) développement latéral le long du mur, (d) développement vertical en sautant par-dessus le mur et (e) développement horizontal après le saut. Le mode et le mécanisme de défaillance restent cohérents avec le phénomène observé lors de l’essai sur modèle de canal ; (2) l’érosion régressive passe de l’horizontale à la verticale, améliorant efficacement la charge hydraulique critique et réduisant le risque d’effondrement de la digue. Le mur positionné à l’aval de la digue fonctionne plus efficacement ; (3) le mur parafouille suspendu a peu d’influence sur l’initiation de l’érosion mais exerce un contrôle efficace sur son développement. L’efficacité du contrôle des infiltrations augmente à mesure que la profondeur du mur augmente.

KEYWORDS:

• Two-stratum dike foundations
• flume model test
• dynamic development process of piping
• finite element analysis
• suspended cut-off wall
• effect of seepage control

MOTS CLES:

• Fondations bicouches d’une digue
• modèle expérimental
• développement dynamique d’érosion régressive
• analyse par éléments finis
• mur parafouille
• contrôle des infiltrations

Disclosure statement

No potential conflict of interest was reported by the authors.

Additional information

Funding

This work was supported by the International Science & Technology Cooperation Program of China [2010DFA74520]; the National Key R&D Program of China [2017YFC1502602]; and the Key Projects in the National Science & Technology Pillar Program during the Eleventh Five-Year Plan Period [2008BAB42B05 & 2008BAB42B06].