Piping detection by Distributed Temperature Sensing: Understanding the development of thermal anomalies

Internal erosion is the cause of a significant percentage of damages involving water-retaining structures all over the world. In most cases, however, early detection of the phenomenon allows avoiding dramatic accidents. Developing monitoring techniques capable of detecting ongoing internal erosion with sufficient advance represents therefore a significant step towards a higher level of flood safety. Temperature measurements performed in embankment dams have been proven to be effective in identifying leakages consequent to internal erosion. This work investigates the effectiveness of distributed fibre-optic temperature sensing for the early detection of internal erosion in river and sea dikes. The attention is focused on dikes prone to backward erosion piping, a mechanism that affects the foundation layer of structures resting on sandy soils. The measurements performed in a large-scale piping test are presented and discussed. The test enabled the recognition of the main factors that influence the onset of thermal anomalies in regions affected by piping. Subsequently, the effect of the above-mentioned factors was quantitatively studied with the aid of finite element modelling and dimensional analysis. It was discovered that early detection of piping cannot completely rely on the propagation of a thermal front (hot or cold depending on the season) that moves from the waterside to the landside with different speed in intact and eroded regions. Indeed, depending on the permeability and thickness of the sandy layer and on the size of the embankment, the duration of the flood event might not be sufficient for the front to reach a pipe not yet fully developed. However, another mechanism is exploitable for detection: the effect of the flow velocity on the natural vertical temperature gradient. Since this gradient decreases with depth, the effectiveness of this mechanism depends on the depth at which piping occurs. The thesis also contains some tips for an effective numerical modelling of the advection-diffusion equation in permeable soils, both intact and affected by piping. Finally, the thesis describes a small-scale setup that was developed to investigate the temperature distribution in the surroundings of a pipe. The model incorporates a distributed fibre-optic sensor with a sub-centimetre spatial resolution. Such resolution was achieved adopting a novel sensing technology, in which the spectral shift of the Rayleigh backscatter is measured using optical frequency-domain reflectometry. Preliminary results show how the cross-sensitivity of the sensor to temperature and strain influenced the measurements and how this was partially overcome.

L'erosione interna è causa di una percentuale significativa di danni riguardanti le opere di ritenuta idraulica. Nella maggior parte dei casi tuttavia l'identificazione precoce del fenomeno permette di evitare incidenti drammatici. Sviluppare tecniche di monitoraggio in grado di individuare l'erosione interna in atto con sufficiente anticipo rappresenta pertanto un passo significativo verso una maggiore sicurezza idraulica. Questo lavoro indaga l'efficacia della misure distribuite di temperatura per l'individuazione precoce dell'erosione interna negli argini fluviali e costieri. La ricerca si concentra sugli argini suscettibili a sifonamento, intesa come l'erosione retrogressiva che interessa lo strato di fondazione di strutture poggianti su terreni sabbiosi. Vengono presentate e discusse le misure realizzate in un esperimento di sifonamento a grande scala. Il test ha permesso l'identificazione dei principali fattori che influenzano l'insorgenza delle anomalie termiche nelle regioni affette da sifonamento. Successivamente, l'effetto dei suddetti fattori è stato studiato quantitativamente con l'ausilio della modellazione agli elementi finiti e dell'analisi dimensionale. E’ emerso che l'individuazione precoce del sifonamento si non può basare esclusivamente sulla propagazione di un fronte termico (caldo o freddo a seconda della stagione) che si muove dal fiume verso campagna con velocità differente nelle zone integre ed erose. Infatti, in funzione della permeabilità e spessore dello strato sabbioso e della dimensione del rilevato, la durata della piena può non essere sufficiente affinché il fronte raggiunga un sifone non ancora pienamente sviluppato. Tuttavia si può sfruttare un meccanismo alternativo: l'effetto della velocità del flusso idraulico sul gradiente verticale naturale. Poiché tale gradiente diminuisce con la temperatura, l'efficacia di questo meccanismo dipende dalla profondità a cui il sifonamento si manifesta. La tesi contiene anche alcuni consigli per una modellazione numerica efficiente del problema di avvezione-diffusione in terreni permeabili, sia integri che affetti da sifonamento. Infine la tesi descrive un apparato sperimentale sviluppato per studiare in piccola scala la distribuzione di temperatura nei dintorni di un sifone. Il modello incorpora un sensore distribuito in fibra ottica con risoluzione spaziale sub-centimetrica. Tale risoluzione è stata ottenuta adottando una tecnica di misura innovativa basata sull'analisi della componente di Rayleigh nel dominio delle frequenze. I risultati preliminari mostrano l'influenza sulle misure della contemporanea sensibilità del sensore a temperatura e deformazione e come questo problema è stato parzialmente risolto.