Channel adjustments to a succession of water pulses in gravel bed rivers

Gravel bed rivers commonly exhibit a coarse surface armor resulting from a complex history of interactions between flow and sediment supply. The evolution of the surface texture under single storm events or under steady flow conditions has been studied by a number of researchers. However, the role of successive floods on the surface texture evolution is still poorly understood. An experimental campaign in an 18 m-long 1 m-wide flume has been designed to study these issues. Eight consecutive runs, each one consisting of a low-flow period of variable duration followed by a sudden flood (water pulse) lasting 1.5 h, have been conducted. The total duration of the experiment was 46 h. The initial bed surface was created during a 280 h-long experiment focused on the influence of episodic sediment supply on channel adjustments. Our experiments represent a realistic armored and structured beds found in mountain gravel bed rivers. The armor surface texture persists over the duration of the experiment. The experiment exhibits downstream fining of the bed-surface texture. It was found that sorting processes were affected by the duration of low-flow between flood pulses. Since bed load transport is influenced by sediment sorting, the evolution of bed load transport is impacted by the frequency of the water pulses: short interpulse durations reduce the time over which fine material (transported as bed load) can be winnowed. This, in turn, contributes to declining reduction of the bed load transport over time while the sediment storage increases.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Influence of the sediment supply texture on morphological adjustments in gravel-bed rivers

The role played by the texture of the sediment supply on channel bed adjustments in gravel-bed rivers is poorly understood. To address this issue, an experimental campaign has been designed. Flume experiments lasting 96 h in a 9 m long, 0.60 m wide have been performed with different sand-gravel mixtures as feed textures. The response of the surface texture has been found to be highly dependent on the grain size distribution of the feed. When the feed texture included gravel, the finest fractions of the sediment supply infiltrate beneath the surface. Conversely, sand remains on the surface when the feed texture lacks gravel. This different textural response becomes obscured when water discharge increases. Further, the sediment transport rate approaches the feed rate differently depending on the content of gravel in the feed texture. When a small proportion of gravel is part of the feed texture, bed load transport rate asymptotically approaches the feed rate. However, when a significant fraction of gravel is part of the feed grain size distribution, bed load transport rate approaches the feed rate by following an oscillatory path. These findings have been verified in terms of a one-dimensional numerical model. This modeling reveals that the higher the differences in mobility among the grain sizes contained in the feed texture, the more evident is the nonasymptotic transient trend toward equilibrium.Peer ReviewedPostprint (published version

Coupling between downstream variations of channel width and local pool–riffle bed topography

A potential control of downstream channel width variations on the structure and planform of pool–riffle sequence local bed topography is a key to the dynamics of gravel bed rivers. How established pool–riffle sequences respond to time-varying changes in channel width at specific locations, however, is largely unexplored and challenging to address with field-based study. Here, we report results of a flume experiment aimed at building understanding of how statistically steady pool–riffle sequence profiles adjust to spatially prescribed channel width changes. We find that local bed slopes near steady-state conditions inversely correlate with local downstream width gradients when the upstream sediment supply approximates the estimated transport capacity. This result constrains conditions prior to and following the imposed local width changes. Furthermore, this relationship between local channel bed slope and downstream width gradient is consistent with expectations from scaling theory and a broad set of field-based, numerical, and experimental studies (n=88). However, upstream disruptions to coarse sediment supply through actions such as dam removal can result in a transient flipping of the expected inverse correlation between bed slope and width gradient, collectively highlighting that understanding local conditions is critical before typically implemented spatial averaging schemes can be reliably applied.Postprint (published version

Regressió del delta del Llobregat: efecte de les obres d’enginyeria al riu d’ençà del segle XIX

La pressió humana envers el Llobregat, un riu al·luvial mediterrani, ha canviat els seus paisatges fluvial i deltaic. La reducció d’aportació de sediment groller del riu ha provocat una regressió del delta de fins a 800 m des d’inicis del segle XX, unes dades inèdites fins el moment. L’article es centra en la component fluvial, tractant de lligar-la amb l’evolució del delta. Quines causes són responsables del retrocés del delta? Es desenvolupa un mètode per conèixer el transport sòlid de fons mitjançant informació autèntica de la morfologia del riu en el passat. L’article compara els càlculs amb mesuraments molt limitats, entre els quals hi ha el volum de sediment atrapat a la nova i profunda desembocadura. Els endegaments fets els darrers 70 anys al curs baix del Llobregat pel pas d’infraestructures han disminuït la disponibilitat de sediment en els darrers 30 km del riu, però aquesta no és la causa principal de la reducció de l’aportació de sediment groller cap a la costa. La construcció de nombroses rescloses al curs mig durant el segle XIX i la freqüència de crescudes que produeixen les grans aportacions de sediment serien responsables del retrocés de la línia de la costa del delta des de finals del segle XIX i al llarg del XX. La retenció de sediment als embassaments és menys rellevant que la regulació que aquests exerceixen en el règim de cabals, pel que fa a l’aportació de sediment a la costa. Conseqüentment, per proveir sorra a les platges del delta del Llobregat és més eficient l’enretirada de rescloses i eixamplar la llera desmantellant endegaments que no pas traspassar sediment als grans embassaments.Postprint (published version

Variable hillslope-channel coupling and channel characteristics of forested mountain streams in glaciated landscapes

Channel morphology of forested, mountain streams in glaciated landscapes is regulated by a complex suite of processes, and remains difficult to predict. Here, we analyze models of channel geometry against a comprehensive field dataset collected in two previously glaciated basins in Haida Gwaii, B.C., to explore the influence of variable hillslope\u2013channel coupling imposed by the glacial legacy on channel form. Our objective is to better understand the relation between hillslope\u2013channel coupling and stream character within glaciated basins. We find that the glacial legacy on landscape structure is characterized by relatively large spatial variation in hillslope\u2013channel coupling. Spatial differences in coupling influence the frequency and magnitude of coarse sediment and woody material delivery to the channel network. Analyses using a model for channel gradient and multiple models for width and depth show that hillslope\u2013channel coupling and high wood loading induce deviations from standard downstream predictions for all three variables in the study basins. Examination of model residuals using Boosted Regression Trees and nine additional channel variables indicates that ~10 to ~40% of residual variance can be explained by logjam variables, ~15\u201340% by the degree of hillslope\u2013channel coupling, and 10\u201320% by proximity to slope failures. These results indicate that channel classification systems incorporating hillslope\u2013channel coupling, and, indirectly, the catchment glacial legacy, may present a more complete understanding of mountain channels. From these results, we propose a conceptual framework which describes the linkages between landscape history, hillslope\u2013channel coupling, and channel form. \ua9 2018 John Wiley & Sons, Ltd

Efectes de les extraccions de material al·luvial sobre el riu i la costa. L’exemple de la Tordera

Aquest article presenta la síntesi actualitzada de la recerca que s’ha dut a terme a la Tordera des de 2005. S’hi fa un resum dels impactes més importants que ha sofert el riu, principalment de les grans extraccions de material realitzades entre les dècades de 1960 i 1980. Hem dut a terme l’anàlisi de la incisió fluvial, és a dir de l’efecte d’aquestes extraccions sobre la llera, tot comparant informació cartogràfica de diferents períodes dels segles xx i xxi. Aquesta informació demostra que: 1) la incisió del riu assoleix magni- tuds mètriques, se superen els 3-4 m, 2) aquesta erosió generalitzada no s’ha aturat malgrat que les grans extraccions van finalitzar fa més de 35 anys tot i que 3) el ritme s’ha esmorteït d’ençà 2002. S’espera que aquest ritme continuï reduint-se durant els propers anys. La reducció del subministrament de material sòlid del riu cap a la costa, produïda per les extraccions de material al·luvial, és la causa principal de la regressió del delta, que ha reculat més de 200 m en algun punt.Postprint (published version

Large wood debris that clogged bridges followed by a sudden release: the 2019 flash flood in Catalonia

The aim is the reconstruction of the October 2019 flash flood, that was documented through extensive field work: rainfall (300 mm in just a few hours), flood marks, times of flood passage and witnesses' snapshots and reports, channel changes, log drift (20,000 trees) and woody debris at bridges, as well as large damage and six fatalities. The methods are: hydrological model built for the rainfall-runoff in the basin and the flood routing in the river, use of hydraulic principles such as flow at waterfalls, flow against obstacles (trees), etc. and finally 1D/2D free surface numerical models. The uppermost 100 km2 produced discharges of 700 m3/s (up to 50 m3/s/km2, locally). Three bridges failed, but their cascading failure (when one failure triggers the next one downstream) was not proved. The main channel widened more than 10 times, dragging away soil and vegetation like a bulldozer. The resulting large wood debris that clogged two bridges worsened the inundation. An anomalous flow downstream, probably a surge of around 1090 m3/s, due to the failure of a woody jam at a narrow bridge, took two lives. Water Authority is now warning flood planners that vegetated, torrential basins may cause catastrophic floods in the valley towns, if their narrow bridges are sensitive to woody debris.Catalan Water Authority and its Tarragona officers, Meteoprades and Fons Signatus, Joan March and a number of witnesses. The UPC's contribution was funded by the contract CTN2000029 of the “Agència Catalana de l′Aigua”. The UB's contribution has been developed within the framework of the AGORA project, funded by the "Agència Catalana de l′Aigua". Our thanks to the "Museu de la Vida Rural", in l′Espluga de Francolí, and all the citizens who contributed to the return of experience. The UIB's research has been supported by the Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades (CGL2017-82868-R and PID2020-113036RB-I00/AEI/10.13039/501100011033 research projects, which are partially supported by the European Regional Development Funds).Peer ReviewedPostprint (published version

The daring Bridge Pavillion (Pabellón Puente) over the river Ebro (Expo 2008): affect on river erosion and protection and auscultation requirements

El artículo trata del riesgo de erosión fluvial en una pila compleja de gran anchura, construida en el cauce del río Ebro en Zaragoza. Se describe el problema de erosión local en la pila, las características del modelo físico ensayado y los mantos de escollera que consiguen detener la erosión, así como la ejecución y auscultación de esta protección.The paper deals with the risk of scouring at a very wide complex pier built within the channel of Ebro river at Zaragoza (Spain). The main points described in the paper are: the local scour problem, the characteristics of the physical model used and the riprap apron able to stop scouring, as well as the execution and monitoring of this protection.Peer ReviewedPostprint (published version

Incisión de ríos por extracción aluvial y retirada de presas. Estudio matemático y experimental.

Tesi amb una secció retallada per drets de l'editorThis Thesis deals with incision (bed degradation or general bed scouring) in rivers. More specifically it deals with the incision caused by gravel mining and by dam removal. The main goal of the research is to know cause-eect relationships in both cases. It means that the aim of the work is to propose some methodology to foresee quantitatively the main expected eects for a given extraction (defined by the amount of sediment that will be mined, its duration, etc.) or for a dam that is planned to be removed (its height, the way of remove it, etc.). The study includes collection and analysis of river data (concerning historical bed profiles, sediment mining records and grain size distributions), mathematical and numerical analysis and modeling in addition to an experimental campaign. The study of incision by gravel mining has used actual data from two Spanish rivers (Gáallego and Tordera Rivers). From these two reaches the volume of material mined (data from official mining records) and historical bed pro les (before and after mining) have been obtained independently.Esta Tesis trata sobre la incisión (erosión generalizada del lecho) en ríos. En particular, sobre la incisión causada por extracciones de material aluvial y por retirada de presas. El objetivo principal es conocer las relaciones causa-efecto en ambos casos. Es decir, cómo, dada una determinada extracción (definida por el volumen de material que se pretende extraer, su duración etc.) o una presa para retirar (su altura, modo de demolición etc.), en un cierto río, podamos conocer cuantitativamente los principales efectos que son esperables: incisión del lecho y distribución del caudal sólido que se envía hacia tramos inferiores (para el caso de la demolición de presa). El estudio comprende recopilación y análisis de datos de ríos (perfiles longitudinales históricos, volúmenes de extracción de material, distribuciones granulométricas), análisis y modelado matemático y numérico, además de una campaña experimental. El estudio de la incisión por extracción de material se basa en datos reales procedentes de dos ríos (Gállego y Tordera) de los que se conocen por un lado los volúmenes de material extraído (datos procedentes de los expedientes oficiales de extracción), y por otro la evolución del perfil longitudinal (antes y después del inicio de las extracciones). En el primero de los ríos estudiados, a partir de los datos históricos del perfil longitudinal se ha observado que el volumen perdido por el río por efecto de la incisión es prácticamente el doble que el volumen de material extraído. Esto significa que, en ciertas condiciones, existe la posibilidad de que la erosión progrese independientemente de la acción que la ha desencadenado (en este caso la extracción aluvial). Este hecho pone en duda la metodología, tan habitual, de obtener el volumen de material extraído a partir del cambio de volumen experimentado por el cauce. El motivo de este desajuste (entre los volúmenes erosionado y extraído) debe de buscarse en el aumento de la capacidad del río conforme se incide. A medida que el cauce se profundiza, los caudales que anteriormente desbordaban por las llanuras de inundación, ahora, con la nueva situación de la sección (tramo) incidida, ya no desbordan. Es decir que se produce un aumento de la capacidad hidráulica que según las circunstancias puede hacer aumentar la incisión por un aumento de la tensión media en el fondo. En definitiva, a partir de la evolución de los perfiles longitudinales, se ha observado que el último tramo (de 11 km de longitud) del río Gállego ha descendido más de 3 m en promedio y en determinados puntos más de 5 m. En algunas zonas, este proceso de incisión se ha producido después de haberse finalizado las extracciones. El estudio de la incisión en el río Gállego se completa con el desarrollo de una metodología sencilla (basada en la hipótesis de régimen uniforme por lo que al flujo de agua se refiere) para predecir la incisión en ríos causada por las extracciones de material aluvial. Se trata de un modelo unidimensional que resuelve las ecuaciones del flujo de agua y de conservación de la masa de sedimento para un cauce cuya anchura no cambia con el tiempo. Bajo estas hipótesis, el método propuesto resuelve una ecuación lineal de tipo difusivo siendo la cota del lecho la variable dependiente. Toda la complejidad de los procesos asociados al transporte queda incluida en un único coeficiente K, llamado de difusión. El modelo matemático se ha calibrado con los datos procedentes del río Gállego para un periodo temporal que cubre no sólo el periodo durante el cual se han llevado a cabo las extracciones sino también los años posteriores. El análisis de la incisión por extracción aluvial se ha completado con los datos de campo y de los volúmenes oficialmente extraídos del río Tordera. Se trata de un caso menos compacto en el sentido de que la incisión afecta a un tramo de mayor longitud (más de 25 km) y de forma más desigual. Además, mientras que la incisión del río Gállego ha sido causada por la extracción de material, en el caso de la Tordera, si bien se cree que la extracción es la causa principal de la erosión, pensamos que hay otras causas que pueden haber contribuido, aunque en menor medida (aumento de la masa forestal en la cuenca, estrechamiento del cauce). La mala calidad de los datos oficiales de volúmenes de material extraído recopilados para el estudio no permiten reproducir de forma satisfactoria el proceso de erosión que se ha observado en el río Tordera. El trabajo tiene como segundo tema un estudio sobre la incisión en ríos por retirada de presas. Este estudio se ha llevado a cabo en dos vertientes: experimental y numérica. El estudio experimental ha consistido en la realización de 4 ensayos, cada uno con un caudal de agua distinto. La altura total de la presa se ha divido en tres franjas horizontales que se retiran de forma gradual. Los objetivos principales de la investigación han sido: (i ) estudiar el papel de los cambios de anchura del cauce a medida que se incide y (ii ) estudiar la influencia de las mezclas durante el proceso de erosión del lecho. En particular, se buscaba comprobar si las secciones experimentaban dos fases consecutivas de estrechamiento y ensanchamiento, vinculadas a sendas fases de fuerte y moderada incisión. Por otro lado, previo a los experimentos de incisión por eliminación de presas, se realizó un experimento de creación del delta aguas arriba de la presa (llenado del vaso). Durante el experimento se ha medido la evolución de los perfiles longitudinales. Al analizar el ensayo se han tomado muestras de forma intensiva de todo el material acumulado aguas arriba de la presa. Con estas muestras se ha podido estudiar cómo se clasifica el material en el delta. De los experimentos de retirada de presa, se ha obtenido la evolución temporal de los perfiles longitudinales del cauce incidido formado en el delta, así como de la anchura del cauce a medida que se incide. Estos resultados, que constituyen el cuerpo principal de datos, se han obtenido en filmaciones de los experimentos por 5 video-cámaras (dos en lo alto del canal para medir la anchura del cauce y otras tres en el costado del canal para medir la incisión). A partir de estos datos, se han obtenido expresiones de origen empírico para describir (i ) la erosión regresiva del depósito y (ii ) el caudal sólido que desde la última sección del depósito se envía hacia el tramo inferior después de eliminar la presa. Estas expresiones, apoyadas en un análisis dimensional, dependen, entre otros factores, del caudal líquido y de la altura de la presa que se elimina. También a partir de los datos experimentales de la evolución de la cota y la anchura del cauce formado en el depósito (y de las ecuaciones del modelo matemático para la incisión por retirada de presas), se han obtenido nuevas condiciones que deben cumplir las secciones de un río para que éstas sufran erosión/acreción o bien estrechamiento/ensanchamiento en función de los gradientes de anchura y de la pendiente, es decir de la curvatura del cauce. Por último, la Tesis contiene un estudio numérico de la incisión por retirada de presas. Se trata de un modelo basado en los trabajos de Cantelli et al. [2007] al que se la ha añadido la posibilidad de que el lecho esté formado por un material no uniforme. Está basado en ecuaciones sencillas para describir el flujo de agua (régimen uniforme) y en la conservación de la masa de sedimentos, pero que sirva para describir la evolución del lecho (cota y anchura del cauce) en una dimensión. Para ello, las ecuaciones de conservación de la masa de sedimentos, que se han aplicado tanto a la base inferior del lecho como a los taludes laterales, se han integrado transversalmente. De esta integración se obtiene que la cota del lecho es descrita mediante una ecuación de tipo difusivo, mientras que la evolución de la anchura es descrita por una ecuación de tipo convectivo (o de onda). Ambas ecuaciones son no lineales y están acopladas entre ellas (incluyen términos cruzados que involucran la anchura y la pendiente -o la cota- del cauce). A estas dos ecuaciones hay que añadir tantas ecuaciones como frecuencias contenga el material superficial del lecho de modo que pueda describirse su evolución. Los resultados del modelo se han comparado con los resultados experimentales. Las conclusiones de la Tesis se dividen entre las correspondientes al estudio de incisión por extracción aluvial y las obtenidas del estudio de erosión por retirada de presas. Para el primer caso se ha desarrollado una metodología sencilla que permite conocer la incisión en ríos por extracción aluvial (efectos) en función de la distribución temporal y espacial de estas extracciones (causas) y de las características del río en el que se llevan a cabo. Por otro lado, los datos históricos del río Gállego demuestran que el volumen de material erosionado es aproximadamente el doble del material extraído. Este hecho pone de manifiesto que el aumento de la capacidad del cauce (consecuencia de la incisión) puede hacerla aumentar (la incisión), incluso cuando la extracción ha analizado. El estudio experimental de la erosión por retirada de presas ha confirmado que las secciones del cauce en el depósito que se erosiona experimentan dos fases, una primera de rápido estrechamiento seguida por otra fase más lenta de ensanchamiento. A partir del estudio experimental se han encontrado expresiones empíricas que describen cómo se produce la erosión del depósito y cuál es la distribución del caudal sólido que es enviado hacia aguas abajo (efectos) después de la retirada en función, entre otros, de la altura de la presa que se elimina (causas). Por último, con los datos experimentales se ha calibrado un modelo matemático de evolución morfológica del lecho (cota del lecho y evolución de las secciones) así como de la distribución del material del cauce. Los modelos matemáticos propuestos para describir la incisión por extracción aluvial o por retirada de presas, así como las expresiones empíricas propuestas para este último caso pueden usarse en otros casos reales.Postprint (published version

Experimental and numerical analysis of the shear failure in steel fibre reinforced concrete

El principal objectiu d'aquesta tesina ha estat el d'analitzar els efectes de les fissures i la seva propagació en el comportament mecànic d'un material quasi-fràgil com el formigó. Concretament tracta de la ruptura per tallant a Formigons Reforcats amb Fibres (FRF) en assajos de tipus "push-off" en probetes prismàtiques. L'anàlisi consta d'un estudi experimental mitjançant el qual s'ha estudiat el comportament en mode mixte de la ruptura així com d'una anàlisi numèrica per a determinar els paràmetres que controlen en el mode I de fractura a partir dels quals s'ha realitzat la modelització per elements finits dels assajos a tallant