3D Analysis of Seepage under Hydraulic Structures with Intermediate Filters

Seepage flow under hydraulic structures provided with intermediate filters has been investigated. The flow through the banks of the canal has been included in the model. Different combinations of intermediate filter and canal width were studied. Different lengths of the floor, differential heads, and depths of the sheet pile driven beneath the floor were also investigated. The introduction of an intermediate filter to the floor of hydraulic structures reduced the uplift force acting on the downstream floor by up to 72%. The maximum uplift reduction occurred when the ratio of the distance of filter location downstream from the cutoff to the differential head was 1. Introducing a second filter in the downstream side resulted in a further reduction in the exit hydraulic gradient and in the uplift force, which reached 90%. The optimum locations of the two filters occurred when the first filter was placed just downstream of the cutoff wall and the second filter was placed nearly at the middistance between the cutoff and the end toe of the floor. The results showed significant differences between the three-dimensional (3D) and the two-dimensional (2D) analyses.

Stochastic analysis of seepage under water-retaining structures

This paper investigated the problem of confined flow under dams and water retaining structuresusing stochastic modelling. The approach advocated in the study combined a finite elementsmethod based on the equation governing the dynamics of incompressible fluid flow through aporous medium with a random field generator that generates random hydraulic conductivity basedon lognormal probability distribution. The resulting model was then used to analyse confined flowunder a hydraulic structure. Cases for a structure provided with cutoff wall and when the wall didnot exist were both tested. Various statistical parameters that reflected different degrees ofheterogeneity were examined and the changes in the mean seepage flow, the mean uplift forceand the mean exit gradient observed under the structure were analysed. Results reveal that underheterogeneous conditions, the reduction made by the sheetpile in the uplift force and exit hydraulicgradient may be underestimated when deterministic solutions are used.

High-resolution seismic reflection investigation of gas accumulation and seepage in the tidal channels of the Ria of Aveiro barrier lagoon (Portugal)

O metano é um gás de estufa potente e uma importante fonte de energia. A importância global e impacto em zonas costeiras de acumulações e escape de gás metano são ainda pouco conhecidas. Esta tese investiga acumulações e escape de gás em canais de maré da Ria de Aveiro com dados de cinco campanhas de reflexão sísmica de alta resolução realizadas em 1986, 1999, 2002 e 2003. Estas incluem três campanhas de Chirp (RIAV99, RIAV02 e RIAV02A) e duas campanhas de Boomer (VOUGA86 e RIAV03). O processamento dos dados de navegação incluíram filtros de erros, correcções de sincronização de relógios de sistemas de aquisição de dados, ajuste de “layback” e estimativa da posição de “midpoint”. O processamento do sinal sísmico consistiu na correcção das amplitudes, remoção de ruído do tipo “burst”, correcções estáticas, correcção do “normal move-out”, filtragem passabanda, desconvolução da assinatura e migração Stolt F-K. A análise da regularidade do trajecto de navegação, dos desfasamentos entre horizontes e dos modelos de superfícies foi utilizada para controlo de qualidade, e permitiu a revisão e melhoria dos parâmetros de processamento. A heterogeneidade da cobertura sísmica, da qualidade do sinal, da penetração e da resolução, no seu conjunto constrangeram o uso dos dados a interpretações detalhadas, mas locais, de objectos geológicos da Ria. É apresentado um procedimento para determinar a escolha de escalas adequadas para modelar os objectos geológicos, baseado na resolução sísmica, erros de posicionamento conhecidos e desfasamentos médios entre horizontes. As evidências de acumulação e escape de gás na Ria de Aveiro incluem turbidez acústica, reflexões reforçadas, cortinas acústicas, domas, “pockmarks” e alinhamentos de “pockmarks” enterradas, horizontes perturbados e plumas acústicas na coluna de água (flares). A estratigrafia e a estrutura geológica controlam a distribuição e extensão das acumulações e escape de gás. Ainda assim, nestes sistemas de baixa profundidade de água, as variações da altura de maré têm um impacto significativo na detecção de gás com métodos acústicos, através de alterações nas amplitudes originais de reflexões reforçadas, turbidez acústica e branqueamento acústico em zonas com gás. Os padrões encontrados confirmam que o escape de bolhas de gás é desencadeado pela descida da maré. Há acumulações de gás em sedimentos Holocénicos e no substrato de argilas e calcários do Mesozóico. Evidências directas de escape de gás em sondagens em zonas vizinhas, mostraram gás essencialmente biogénico. A maioria do gás na área deve ter sido gerado em sedimentos lagunares Holocénicos. No entanto, a localização e geometria de estruturas de escape de fluidos em alguns canais de maré, seguem o padrão de fracturas do substrato Mesozóico, indicando uma possível fonte mais profunda de gás e que estas fracturas funcionam como condutas preferenciais de migração dos fluidos e exercem um controlo estrutural na ocorrência de gás na Ria.

Stability of the tunnel face reinforced by bolts under seepage flow conditions

Il presente lavoro tratta la stabilità del fronte di scavo, rinforzato con barre di consolidamento ed interessato da drenaggi in avanzamento, di gallerie sotto falda in rocce tenere o terreni. Tale studio è stato sviluppato dal progetto di Tesi attraverso l’analisi all’equilibrio limite che approssima il fronte di scavo con un rettangolo e considera un meccanismo di rottura composto da un cuneo, a tergo del fronte, caricato da un prisma. Il metodo descritto consente di tenere conto dell’effetto stabilizzante delle barre, mediante una distribuzione della pressione di supporto non uniforme. Nel caso di gallerie sotto falda, lo stesso metodo permette inoltre di considerare l’effetto destabilizzante dei gradienti idraulici. Sono state ricavate soluzioni analitiche per la valutazione della stabilità, ed implementate successivamente nel software di analisi numerica MATLAB. Dalle analisi condotte è emerso che il numero minimo di barre per garantire la stabilità del fronte di scavo è in molti casi elevato e risulta impossibile da porre in opera in terreni scarsamente coesivi o in gallerie sotto elevati battenti d’acqua. Per risolvere questa situazione si può prevedere l’inserimento di drenaggi in avanzamento, con lo scopo di diminuire i gradienti idraulici nei pressi del fronte della galleria. Il modello che descrive il nuovo andamento dei carichi idraulici, considerando la presenza di dreni, è stato realizzato con il software commerciale agli elementi finiti COMSOL. Una volta determinati gli andamenti dei carichi idraulici, sono stati condotti studi parametrici sull’effetto dei dreni combinato con gli elementi di rinforzo. Dopo tali analisi sono stati ricavati nomogrammi adimensionali che tengano conto della presenza contemporanea delle barre e dei dreni. Tali diagrammi costituiscono uno strumento utile e valido per la progettazione del rinforzo del fronte di scavo. Infine sono stati realizzati confronti fra casi di studio reali e risultati ottenuti dal modello.

Tree species and diversity effects on soil water seepage in a tropical plantation

Plant diversity has been shown to influence the water cycle of forest ecosystems by differences in water consumption and the associated effects on groundwater recharge. However, the effects of biodiversity on soil water fluxes remain poorly understood for native tree species plantations in the tropics. Therefore, we estimated soil water fluxes and assessed the effects of tree species and diversity on these fluxes in an experimental native tree species plantation in Sardinilla (Panama). The study was conducted during the wet season 2008 on plots of monocultures and mixtures of three or six tree species. Rainfall and soil water content were measured and evapotranspiration was estimated with the Penman-Monteith equation. Soil water fluxes were estimated using a simple soil water budget model considering water input, output, and soil water and groundwater storage changes and in addition, were simulated using the physically based one-dimensional water flow model Hydrus-1D. In general, the Hydrus simulation did not reflect the observed pressure heads, in that modeled pressure heads were higher compared to measured ones. On the other hand, the results of the water balance equation (WBE) reproduced observed water use patterns well. In monocultures, the downward fluxes through the 200 cm-depth plane were highest below Hura crepitans (6.13 mm day−1) and lowest below Luehea seemannii (5.18 mm day−1). The average seepage rate in monocultures (±SE) was 5.66 ± 0.18 mm day−1, and therefore, significantly higher than below six-species mixtures (5.49 ± 0.04 mm day−1) according to overyielding analyses. The three-species mixtures had an average seepage rate of 5.63 ± 0.12 mm day−1 and their values did not differ significantly from the average values of the corresponding species in monocultures. Seepage rates were driven by the transpiration of the varying biomass among the plots (r = 0.61, p = 0.017). Thus, a mixture of trees with different growth rates resulted in moderate seepage rates compared to monocultures of either fast growing or slow growing tree species. Our results demonstrate that tree-species specific biomass production and tree diversity are important controls of seepage rates in the Sardinilla plantation during the wet season.