Numerical Modeling of Groundwater-Driven Sand Infiltration into Defective Sewer Pipes using CFD-DEM

ABSTRACT: Cracks and defects can happen in sewer pipes for various reasons such as aging, existence of chemically aggressive compounds in soil or ground movement. For pipes buried in cohesionless soils (e.g., sand), if the developed cracks are large enough, the surrounding soil may start infiltrating into the pipe. The erosion of sand into the pipe can be further accelerated in the presence of groundwater table due to the additional momentum provided by the water flow through the cracks. As these dynamics may go undetected, large cavities and sinkholes can develop when a large quantity of sand is eroded, which may compromise the integrity of the nearby buried utilities and structures. In this study, we use coupled Computational Fluid Dynamics-Discrete Element Method (CFD-DEM) to resolve the complex interactions of sand-water flow around pipe cracks. Focusing on the factors affecting the erosion rate and extent, a parametric study was carried out to examine the effect of groundwater table, crack width, crack angle and the height of sand layer above the pipe. It was found that the erosion process is accelerated with increasing the groundwater level, however, only to a certain extent, beyond which, it remains constant. The results of this numerical study will allow for better understanding of the process of soil erosion into defective pipes.

RÉSUMÉ: Les fissures et les défauts peuvent survenir dans les tuyaux d’égouts pour différentes raisons telles que le vieillissement ou la présence de substances chimiques agressives dans le sol avoisinant. Dans le cas où un tuyau possédant de larges fissures est enfoui dans un sol sans cohésion (ex : sable), le sol peut s’infiltrer à l’intérieur de ce dernier. L’érosion du sable dans le tuyau peut être accélérée par la présence d’une nappe phréatique à cause de la quantité de mouvement additionnelle apportée par l’eau lorsqu’elle passe dans les fissures. Comme ces effets dynamiques peuvent se produire sans être détectés, de grandes cavités et des dolines peuvent apparaitre quand une quantité de sable suffisante est érodée, posant ainsi un risque pour les structures souterraines se trouvant aux alentours. Dans cette étude, la mécanique des fluides numérique couplée avec la méthode des éléments discrets sont utilisées pour décrire les interactions complexes du flux de sable et d’eau autour de fissures dans un tuyau. Une étude paramétrique se concentrant sur les facteurs qui influence le taux et l’ampleur de l’érosion est entreprise pour étudier les effets de la nappe phréatique, largeur des fissures, angle des fissures, et de la hauteur de la couche de sable qui repose au-dessus du tuyau. Les résultats indiquent que le processus d’érosion est accéléré par le niveau de la nappe phréatique seulement jusqu’à un certain point après quoi le taux d’érosion devient constat. Les résultats de cette étude aideront à mieux comprendre le processus d’érosion du sol dans les tuyaux fissurés.