Surveying three-dimensional perspectives of the flow structure around the bridge pile depending on the vegetation pattern distribution

Abstract

Modeling techniques have enabled us to understand how to protect vital infrastructures using nature-based solutions. In this research, we demonstrated that by selecting a specific vegetation pattern distribution upstream of the pile as a nature-based solution, we could reduce the amount of scouring around the bridge piles. This is essential to avoid the negative impacts that occur after landslides, flash floods, or mudflows close to populated areas. This solution can mitigate the global problem of bridge failure. To achieve this goal, an Acoustic Doppler Velocimetry device (ADV) was used to measure the velocity components in an experimental channel with a 90 cm width, 15 meters long, and 60 cm high. Two different widths of vegetation were used: the overall vegetation, with a 90 cm width, and the patched one, with a 10 cm width, positioned upstream of the bridge pile. In the case of using patched vegetation, a 36% reduction was observed in the amount of scouring around the bridge pile compared to the free-vegetation case, showing the positive effect of using vegetation to reduce scouring. In both cases, the amount of negative Reynolds shear stresses decreased when the presence of vegetation was registered. Using octant analysis, the overall vegetation was shown to convert internal events into external ones in front of the pile. However, in the case of using patched vegetation, internal events were also observed in addition to external events. Patchy vegetation changed the transverse direction of outward vortices from internal to external. In the presence of patchy vegetation, the dominance of the inward event decreased sharply. The presence of vegetation in the flow path affected some bursting events and, as a result, reduced scouring. The results showed that each of the used vegetation models has a different effect on bursting events, and these events can affect the amount of scouring hole depth.

Las técnicas de modelado nos permiten comprender cómo proteger infraestructuras vitales mediante soluciones basadas en la naturaleza. En esta investigación, demostramos que, al seleccionar una distribución específica del patrón de vegetación aguas arriba de un pilote, podríamos reducir la cantidad de socavación alrededor de los pilotes de un puente. Esto es clave para evitar los impactos negativos que ocurren después de los deslizamientos de tierra, las inundaciones repentinas o los flujos de lodo cerca de áreas pobladas. Esta solución puede mitigar la desestabilización de infraestructuras como los puentes. Para lograr este objetivo, se utilizó un dispositivo de Velocimetría Acoustic Doppler (VAD) para medir los componentes de velocidad en un canal experimental de 90 cm de ancho, 15 metros de longitud y 60 cm de altura. Se utilizaron dos anchos diferentes de vegetación: la vegetación en general, con un ancho de 90 cm, y la parcheada, con un ancho de 10 cm, ubicada aguas arriba del pilote del puente. En el caso de usar vegetación parcheada, se observó una reducción del 36% en la cantidad de socavación alrededor del pilote del puente en comparación con la vegetación libre, mostrando el efecto positivo de utilizar vegetación para reducir la socavación. En ambos casos, la cantidad de tensión negativa de Reynolds disminuyó en presencia de vegetación. Mediante un análisis de octantes, se demostró que la vegetación en general convirtió los eventos internos en externos frente a la estructura. Sin embargo, en el caso de utilizar vegetación parcheada, también se observaron eventos internos además externos. En presencia de vegetación irregular cambió la dirección transversal de los vórtices hacia afuera de internos a externos. En presencia de vegetación irregular, la dominancia del evento interno disminuyó bruscamente. La vegetación en la trayectoria del flujo afectó algunos eventos de fractura y, como resultado, redujo la socavación. Los resultados mostraron que cada uno de los modelos de vegetación utilizados tiene un efecto diferente en los eventos de fractura y estos eventos pueden afectar la profundidad del agujero de socavación.