Simulation der Flussdynamik bei Schuttströmen: Übergang von starren zu erodierbaren Böden in Experimenten zum Bruch von Granulatdämmen

Schuttstrom, eine verbreitete Naturgefahr in gebirgigen Gebieten, zeigt unterschiedliche Flussdynamiken, abhängig davon, ob er auf einem Felsgrund (starre Böden) oder auf einer erheblichen Ablagerung (erodierbare Böden) auftritt. Die Untersuchung dieses Flussübergangs ist entscheidend für das Verständnis und die Minderung der Gefahren durch Schuttströme. Diese Studie führt ein instationäres und nicht homogenes Modell ein, das konzipiert wurde, um den Übergang zwischen starren und erodierbaren Böden in Schuttströmen zu simulieren. Das Fundament des Modells beruht auf den Prinzipien der Erhaltung von Masse, Impuls und kinetischer Energie. Es integriert eine linearisierte mu(I) Rheologie, um die Deformation von granulatartigen Flüssen auszudrücken und dabei das komplexe Zusammenspiel unter den Partikeln während des Flusses einzufangen. Zusätzlich berücksichtigt das Modell den Einfluss der Coulomb-Reibung entlang der Seitenwände. Um numerische Lösungen abzuleiten, unterliegen die Erhaltungsgleichungen einer Tiefenintegration unter Anwendung des HLL-Schemas (Harten, Lax und Van Leer) in Synergie mit einer numerischen Methode des endlichen Volumens. Darüber hinaus wurde zur Bestätigung der Vorhersagen des Modells ein neuartiges Experiment zum Bruch eines Granulatdamms durchgeführt. Diese Experimente nutzten einen schmalen Glaskanal (3,5 Meter lang und 0,04 Meter breit), wobei Variationen in der ursprünglichen Ablagetiefe stromabwärts zur Etablierung unterschiedlicher grundlegender Randbedingungen verwendet wurden. Hochgeschwindigkeitskamerafotografie erleichterte die Anwendung der Partikelverfolgungsvelocimetrie (PTV), um die granulare Bewegung zu erfassen und ein Geschwindigkeitsfeld zu erzeugen. Eine gründliche Analyse des gemessenen Geschwindigkeitsfeldes ermöglichte die Validierung der Vorhersagen des Modells und bestätigte dessen Wirksamkeit bei der genauen Simulation des Flussübergangs zwischen starren und erodierbaren Böden in Schuttströmen.