Analysé de línfluence des caracteristiques mecaniques et hyrauliques sur le comporterment des barrages en terre et en enrochement

La variation de la pression interstitielle est également fonction du comportement non-linéairedes matériaux constituant l'ouvrage, et notamment de la forme la surface de charge, comme mo

INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE GRENOBLE

pour obtenir le grade de

DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE

le 21 janvier 1999Titre:

(École Centrale de Paris)(Électricité de France)(Institut National Polytechnique de Grenoble)

PrésidentRapporteurRapporteurExaminateurExaminateurExaminateur

INPG • 46 avanua F611 Vlalla' - 38031 GRENOBLE CEDEX 1 - FRANCE· Tel 33 4 76 57 45 00 Fa 33 4 76 57 45 01

A la mémoire de mon père

A ma mère

A mafemme et mes enfants

AVANT PROPOS 1

'

-Cette thèse a été réalisée au sein du service d'Études de Développements (ED) du CentreNational d'Équipement Hydraulique d'Électricité De Franceà Chambéry (EDF-CNEH), et le laboratoireSols Solides Structuresà Grenoble Je remercie EDF-CNEH par le financement de cette thèse Elle aété dirigée par Monsieur Félix DARVE, Professeur de l'Institut National Polytechnique de Grenoble, etMonsieur Jean Jacques FRY, responsable du groupe "Géotechnique et Structures en terre" du service

ED Malgré leur emploi du temps souvent très chargé Il ont toujours su m'écouter avec attention et meconseiller de la meilleure manière

Je tiens à remercier Monsieur Pierre FORAY, Professeur de l'INPG, qui a accepté de présider lejury de ma soutenance

Je remercie très vivement Monsieur Pierre DELADGE, Directeur de Recherche à CERMES del'École des Ponts et des Chaussées, et Monsieur Jean-Marie FLEUREAU, Professeur de l'EcoleCentrale de Paris, qui ont accepté d'être rapporteur de ce travail

J'adresse mes vifs remerciementsà Madame Arézou MODARESSI, qui a accepté de participer

à mon jury de thèse

Mes plus vifs remerciements vont également à C BRUNET, à P DIVOUX, C SERRA et à

toutes les personnes du groupe" Géotechnique et Structures en terre» qui m'ont beaucoup aidé, età

toutes les personnes du service ED, qui m'ont manifesté leur sympathie, pendant ces trois années

Avec une configuration hydraulique pure, des calculs ont permis d'étudier l'influence de laperméabilité du sol, de la compressibilité de l'eau et de la désaturation sur la diffusion de la pression

au cours des phases de remplissage et de vidange de la retenue A partir d'une configuration coupléehydraulique-mécanique et dans le cadre de l'élasticité, d'autres calculs ont permis de mettre enévidence l'influence du module de compressibilité du sol sur l'évolution de la pression interstitielle dansl'ouvrage La variation de la pression interstitielle est également fonction du comportement non-linéairedes matériaux constituant l'ouvrage, et notamment de la forme la surface de charge, comme montre lacomparaison des lois de comportement Mohr-Coulomb et Hujeux

Les calculs non-linéaires couplés sont effectués, interprétés avec différents critères de rupture

et comparés aux approches classiques pour l'estimation de la stabilité du parement amont pendant lavidange rapide d'un barrage avec quatre matériaux argileux compactés, utilisant deux lois decomportement de Mohr-Coulomb et de Hujeux La comparaison de ces résultats est exploitée utilepour mieux connaître les limites de chacune des méthodes

Mots clés

Barrage; Couplage hydraulique-mécanique; Sol non-saturé; Hydraulique; Vidange;

Pression interstitielle; Suintement; Stabilité

ABSTRACT 1

'

-Thesis subject :

CHARACTERIST/C ON THE SOIL AND ROCK-FILL DAM BEHA VIOR

This dissertion is devoted ta analyse the influence of the hydraulic and mechanical parameters

on the excess pore pressure diffusion in the embankment dam during the filling up or the emptying ofreservoir, and ta determine the stability during staged rapid draw-down of reservoir, a tricky item andthe most misunderstood problem of the fill dam behavior, with Gefyn, NS2D, Talren and Flac codes ofcalculation The comparisons and the analysis of the se results have been done for evaluate thetraditional approaches

The first study examine the influences of the permeability, the water compesssibility and thenon-saturation on the exces pore pressure diffusion during of the filling or the emptying of the damreservoir The hydraulique-mechanical elasticity calculus show a modulus influence on the pore waterdiffusion in the body dam This pore-pressure generation is also influenced by non-linear behavior damsail, and particularity by the loading suriaces

The non-linear stability calculations have been done with the different failure criteria, in a view ofevaluating Iwo traditional and recent approachs in the stability evaluation of the reservoir constitutivemodels The comparaison of these results have been assessed ta get a better knowlegge of each field

of application of each approach

· II- S_O_M_M_A_I_R_E I

CHAPITRE 1 INTRODUCTION

1.LES BARRAGES

1.2.LES BARRAGES RlGIDES: BARRAGES EN BÉTON ET BARRAGES EN ~IAÇONNERlE 02

1.1 LES FONDEMENTS DE LA CLASSIFICATION

3636

2.2 LES MODULES

2.3 LES LOIS DE COMPORTEMENT

2.3.1 La loi de compoTU:ment de Mobr-Coulomb :

2.3.2 La loi de comportement de Hujeux

2.3.3 Lemodèle de non saturation de Gefdyn.

2.3.4 Caractérisation de quatre matériaux argileux compactés

2.3.5 Interprétation et critères de rupture

45 50 50 51 58

1.3.LES Oum.s UllUSÉS DANS CE TRAVAIL

2.DETERMINATION DES PRESSIONS

2.1 ECOULEMENT EN HYDRAUUQUE PURE

2.2 DECHARGEMENT EN MECANIQUE PURE

3 APPLICATION A UN BARRAGE HOMOGENE TYPE

3.1 PROBLÉMATIQUE

3.2 CASETUDIE

3.2.I.CONDmONSlN1TIALES

3.2.2.CONDmONS AUX LIMITES

3.3.2.1 APPROCHES CLASSIQUES PARLECALCUL A LARUPTURE

3.3 RESULTATS

7372

7980

8181

86

87

87

919192

1/

1.3 PARAMETREs DE CALCUL 104

CHAPITRE V MODELISATION COUPLEE DE LA VIDANGE

2.1 ANALYSE ANALYTIQUE DE L'INFLUENCE DU MODULE ËL\STIQUE 135 2.2 ANALYSE EMPIRlQUE DE L'INFLUENCE RESPECTIVE DE LA CONSOUDATION ET DU

3.2 ANALYSE TIlEORlQUE DE L'EFFET DE LA PLASTIF1CATION SUR L'EVOLUTION DE LA

Dans le passé, les hommes ont fait des barrages dans des buts multiples, pour irriguer en Inde

et en Égypte, pour inonder les forteresses des ennemis à l'époque des Royaumes combattants oupour protéger contre les crues en Chine, pour produire de l'énergie des moulinsà grains et pour descentrales hydroélectrique Pour les premiers, il s'agissait de barrages en terre ou en enrochement.Dans un passé plus proche, les romains ont construit sur leur territoire et ceux qu'ils occupaient, desbarrages en pierre de taille liaisonnée par un mortier de chaux hydraulique

Il existe plusieurs catégories de barrage, que l'on peut en général regrouper en deux grandesclasses: les barrages en béton et les barrages en remblai Un barrage est construit pour une ouplusieurs fonctions parmi les cinq fonctions principales suivantes:

elÉcrêtement des crues

Un barrage peut être construit vers la source d'un fleuve pour diminuer les pics des crues.Mais pour réaliser tous ces buts, tout d'abord, un barrage doit être stable et étanche pendanttoute sa vie

l,2.LES BARRAGES RIGIDES: BARRAGES EN BÉTON ET BARRAGES EN MAÇONNERIE.

Les barrages en béton et en maçonnerie sont des barrages rigides et qui sont bien adaptés auxfondations rocheuses Ils se classent en:

• Barrages-poids qui résistentà la pression de l'eau et aux mouvements sismiques par leur poids

• Barrages-vỏtes, résistant à la pression de l'eau par leur forme qui reporte cettepoussée sur les

deux flancs de la vallée Ils ne conviennent donc que pour des vallées étroites par rapport à leur

profondeur Ce sont des ouvrages qui dépendent presque totalement du comportement de leursdeux appuis.

• Barragesàcontrefort, lorsqu'une vallée est trop large pour un barrage-vỏte, on établit un barrage

à contrefort qui comporte un voile d'étanchéité s'appuyant sur des piliers régulièrement espacés.Ils sont tributaires de la qualité de la fondation et extrêmement sensibles aux tassementsdifférentiels Ce sont les barrages les plus fragiles

• Barrages-vỏtes multiples en béton, lorsqu'une vallée comporte plusieurs appuis possibles uneforme en vỏtes multiples peut être favorable

1.3 LES BARRAGES SOUPLES OU LES BARRAGES EN REMBLAI.

Sur des terrains d'assises compressibles, un barrage en terre ou en enrochement est plusfavorable qu'un barrage en béton car il est capable de se déformer et de suivre les grandstassements de la fondation Parfois, même sur des terrains rocheux ou moins compressibles, le type

de barrage en remblai est choisi pour son cỏt moins élevé Les barrages en remblai sont desbarrages souples qui s'adaptent aux déformations des sols de fondations, ils se classent en:

1.3.1 Barrages en enrochement

Un barrage en enrochement est essentiellement un empilement de blocs Il résiste à lapoussée de l'eau par son poids et par le frottement de la surface de contact massif-fondation Unautre caractère important de l'enrochement est d'être entièrement perméable, ce qui impose deprévoir un organe d'étanchéité

En ce qui concerne sa stabilité on note les points suivants:

Les enrochements sont toujours des géomatériaux sans cohésion, c'est pourquoi la stabilitédes talus du barrage en enrochement ne dépend que du frottement (ou de l'angle de frottement) quiintervient à travers la granulométrie des grains, leur nature, leur forme, leur enchevêtrement (indicedes vides) Cela veut dire que la méthode de construction influence la stabilité du barrage, il existedeux façons de mettre en place les enrochements:

• Soit en enrochement rangé: les blocs sont en général mis en placềla grue, les intervalles étant

remplis par des petits morceaux placés à la main En même temps, on peut arroser les

enrochements afin d'éliminer les poussières et de favoriser la mise en place blocs les uns parrapport aux autres.

• Soit en enrochements en vrac: les blocs sont déversés par les bennes des camions et régalés aubulldozer Les remblais peuvent être densifiés par la vibration de rouleaux vibrants, par la chutedes blocs eux-mêmes pour atteindre l'état la plus compacité possible ou par des jets d'eau soushaute pression qui lubrifient le contact entre blocs et font pénétrer les petits grains entre les grandsblocs

Les barrages en enrochement ont été développés en Californie dans la période 1870-1900 pour

le stockage d'eau destinéeà l'extraction du minerai d'or des montagnes de la Sierra Les matériauxlocaux disponibles étaient les enrochements et les arbres Le premier barrage en enrochement étaitdoncà étanchéité amont en bois Puis vers 1900, sont apparus les barrages à étanchéité amont enbéton

On a remarqué que les barrages en enrochement résistent bien aux séismes, à condition queles pentes des parements soient adaptées et que les enrochements du parement soient bien arrimés.Mais ils résistent moins bienà la submersion Pour l'éviter, on peut prévoir une revanche d'au moins1.5 m pour les petits ouvrages et de 5à 6 m pour les grands,à vérifier par les calculs hydrologiques

En général, l'enrochement qui est un sol à gros grains n'est pas du tout imperméable, il fautajouter un organe d'étanchéité, soità l'amont soità l'intérieur du barrage A l'amont on peut mettre unmasque en béton ciment, en béton bitumineux, ou en tôle d'acier qui peut résister aux fluctuations duclimat Les fissures de ces parements dues aux tassements de la fondation ou de la digue peuventêtre facilement réparées Pur un masque étanche interne, on peut le réaliser en béton de ciment, enargile ou en béton bitumineux Celui-ci est évidement mieux protégé contre les variations detempératures; par contre les réparations ultérieures sont très complexes et onéreuses

Le tassement d'un barrage en enrochement est initié par trois causes : son poids, la poussée

de l'eau, les déformations de la fondation Ce tassement provoque:

• l'abaissement de la cote du couronnement, ce qui diminue la revanche du barrage,

• des déformations et la fissuration du masque étanche

Globalement, l'ordre de grandeur du tassement d'un barrage en enrochement doit être inférieur

En Italie, les pierres étaient rangées à la main et les français d'Afrique du Nord mirent au point

le rangement des enrochements à la grue Aux États Unis et en Angleterre, la technique d'arrosageintense des enrochements était appliquée pour diminuer le tassement de l'ouvrage Dans les années

1960, apparaît l'u1ilisation du rouleau vibrant pour le compactage des remblais ce qui rigidifie lastructure grâce à un module de déformation deux à quatre fois plus fort que pour les enrochementsdéversés Grâce à ces progrès, le barrage d'Oroville aux États-Unis, 200 m de hau1, a été construit

en 1968 Dans les années 1970, la conception des barrages en enrochement est reconnue commeétant empirique et basée sur l'expérience et le jugement Cependant, l'expérience n'indique pas lefacteur de sécurité Pour mieux comprendre les caractéristiques des enrochements, des essaismécaniques ont été réalisés avec des appareils spéciaux acceptant de très larges diamètres jusqu'à

130 cm Alors le barrage de Nurek, 300 m de hau1, et le barrage de Rogun, 335 m de hau1 ont étéconstruits en URSS en 1980 et en 1990

',

Enrocbem~nlSde rt'cbar&e dt' prolc:clioD

Barrage co corocbemcnt l noyau arsileux

Figure 1 1. Modeles de barrage en enrochement

1.3.2 Les barrages en terre.

Comme un barrage en enrochement, un barrage en terre est un remblai de sol Il résiste à la

poussée de l'eau par son poids et le frottement sur sa fondation

Pour les ingénieurs, le terme« terre» indique tous les matériaux géologiques qui sont meubles

et étanche

Le diamètre des particules de sol s'étend de quelques microns à quelques centaines demillimètres, généralement on divise les grains de sol en quatre groupes par ordre de grosseurdécroissante: le gravier, le sable, le silt et l'argile Chaque classe a des caractéristiques différentesque l'on peut caractériser en deux catégories principales: le sol pulvérulent (le gravier, le sable, et lesilt sableux) et le sol cohérent (l'argile et le silt argileux )

Figure 1.2 Ouelques modeles du barrage en terre

Quelques caractéristiques principales de ces deux catégories:

Le sol cohérent qui comprend des grains fins, voire très fins, a une cohésion entre grains et une

perméabilité très faible, on peut donc le considérer comme imperméable La résistance des solscohérents dépend de deux caractéristiques, la cohésion et le frottement Elles évoluent avec lateneur en eau (diminutionavecl'augmentation de la teneur en eau du sol).

Le sol pulvérulent qui comprend des gros grains n'a pas de cohésion entre les grains (ou parfois descohésions apparentes duesàdes forces capillaires), et sa perméabilité est plus grande que celle dessols cohérents La résistance des sols pulvérulents qui est essentiellement le frottement en translation

ou en rotation entre les grains ne dépend pas explicitement de leurs teneurs en eau

On a donc deux principales possibilités de barrage en terre: soit en terre grossière gravier ou

du sable avec un rideau d'étanchéité, soit un barrage en terre à grains fins homogène comme del'argile ou des sols argileux

Le plus haut de tous les barrages en terre homogène dans le monde est le barrage de UpperMill Branch Tailling aux États Unis, la hauteur, par rapportà sa fondation, est de 338 m, et de 213 mpar rapportà lacotede terre naturelle En France, le barrage en terre zoné le plus haut est le barrage

de Serre Poncon, sa hauteur est de 129.5 m par rapportà la cote de la fondation et 123 m par rapport

àla cote du terrain naturel

Il existe huit fonctions principales de conception d'un barrage:

2.1 Étanchéité:

parois étanche

Figure 1.3 Organe d'étanchéité d'un barrage en terre

Le but principal du barrage est l'accumulation de l'eau, c'est pourquoi le barrage doit êtreétanche L'étanchéité est assurée par une paroi imperméable placée dans le corps ou un masqueétancheàl'amont du barrage, pour les matériaux constitutifs perméables, ou par le corps du barrage

en terre homogène imperméables Si les terrains d'assise sont relativement perméables, on doitrallonger l'organe d'étanchéité jusqu'au terrain imperméable ou améliorer l'étanchéité les terrains parl'injection

l'aval existe une nappe, on met aussi une couche de protection sur la surface au contact avec l'eau.

Chapitre 1: Introduction

9

2.6 Évacuation dt:S crut:S

Les organes d'évacuation de crues doivent être installés pour éviter le déversement dessus la crête du barrage Ce déversement peut éroder la face aval et le couronnement del'ouvrage Ce qui peut entraîner la rupture de barrage

par-2.7 Environnement

L'apparition d'un barrage et de son réservoir peuvent changer les conditions del'environnement : l'augmentation de l'humidité, la montée de la nappe phréatique dans les zonesautour de l'amont du barrage, la désertification à l'aval ou la pollution de l'eau du réservoirà causedes restes des arbres et des petites bêtes sont des impacts qui doit être évités Les études d'impactsont destinéesà connaître l'influence de la construction du barrage sur l'environnement au stade del'avant projet, pour les réduire ou les éliminer

2.8 Sécurité

La Commission Internationale des Grands Barrages (CIGB) a défini la sécurité d'un barrage de

la manière suivante • La sécurité d'un barrage résulte de l'élimination de toutes conditions ouévolutions qui pourraient conduireà sa détérioration ou à sa destruction L'écart entre les conditionspour lesquelles un barrage a été étudié, ou ses conditions actuelles si elles sont différentes de celles

du projet, et celles conduisantà sa détérioration ou à sa destruction mesure son niveau de sécurité.Aussi, pour être sûr, un barrage doit posséder des marges de sécurité pour faire face, non seulementaux situations normales d'exploitation, mais également aux risques exceptionnels qui peuvent seprésenter durant sa vie ' En général, dans tous les cas, un barrage ne fonctionne pas globalementà

l'état limite de rupture, les problèmes de sécurité du barrage pendant l'étude, la construction,l'exploitation, l'entretien et la surveillance doivent être effectués rigoureusement avec tous lesmoyens récents disponibles

3 LES MATÉRIAUX CONSTITUTIFS D'UN BARRAGE EN REMBLAI

En principe, tous les sols non solubles et non décomposables peuvent être utilisés commematériaux constitutifs d'un barrage Un sol mélangé naturellement se situe dans le système declassification qui dépend du pourcentage en masse des sols, d'après USCS, comme suit:

• Cailloux et blocs erratiques.

• Graviers bien étalés ou uniformes; gravierssi~eux; graviers argileux

• Sables bien étalés ou uniformes; sablessi~eux; sables argileux

• Sables fins silteux ou sables très fins ousi~s inorganiques peu plastiques

• Argiles inorganiques peu plastiques; argiles graveleuses; argiles sableuses; argiles silteuses;argiles inorganiques de plasticité élevée

Deux groupes sont distingués en fonction de leur perméabilité comme suit:

• Solsàgrains fins imperméables, comprenant les argiles et les limons

• Solsà grains grossiers perméables, comprenant tout le reste même les enrochements

Ces deux catégories de sols ont des caractéristiques très importantes pour un matériau debarrage Ces matériaux doivent être densifiés sous une énergie de compactage Les résultats del'essai de compactage, l'essai Practor, montrent que, sous une énergie constante, les massesvolumiques d'un sol varient et passent par un maximum quand sa teneur en eau varie La hauteur dupic nous donne la masse volumique maximale du sol sec et la teneur en eau maximale qui guidentles travaux de compactage pour un barrage en remblai

4 LES DIVERSES SITUATIONS DE LA VIE D'UN BARRAGE

La vie d'un barrage peut se diviser en deux étapes principales: construction et exploitation del'ouvrage Pour chacune de ces étapes, l'ouvrage doit résister à des conditions de chargement

normales ou accidentelles Le dimensionnement et la conception consistent à vérifier la tenue del'ouvrageàchacune des situations décrites ci dessous

Tableau 1 1. E:tapes de la vie d'un barrage

4.1 CONDITIONS NORMALES

4.1.1 Finde construction et mise en place des ouvrages annexes

C'est une période importante qui joue un rôle principal sur la qualité et la sécurité pour toute lavie du barrage Elle nécessite un contrôle très attentif de la qualité du matériau constitutif du barrage

et des conditions aux limites particulières En général, on met en place et on compacte en plusieurscouches, d'environ 0,2à 1 mètre pour le sol et d'environ quelques mètres pour le béton Le temps deconstruction, de quelques moisà quelques années, dépend entièrement de la grandeur de l'ouvrage,

du matériau (nature et emplacement) et de la technique choisie Ceci comprend les conditionsd'environnement changeant pendant la période de construction Doncilfaut bien prendre en compteces variables dans les mesures de contrôle pour obtenir la meilleure quamé possible

4.1.2 La mise en eau

Pour les barrages en remblai, la première mise en eau fait augmenter le degré de saturationdes matériaux constitutifs du barrage au fur et à mesure de la montée de la retenue Au cours decette phase, les matériaux se ramollissent et s'affaiblissent La moitié des ruptures interviennent dansces deux premières étapes Ces deux effets provoquent un tassement supplémentaire du remblaiainsi que des déplacements horizontaux La mise en eau peut être faite en même temps que laconstruction ou après la construction partielle, la durée de cette période dépend du débit du coursd'eau, et les mises en eau u~érieures sont moins dangereuses que la première

Quelque temps après la première mise en eau, le réseau d'écoulement dans l'ensemble del'ouvrage atteint un état stable, alors l'application des pressions engendre une variation de contrainteeffective et donc une variation de déformation En réalité, les déplacements liés de la période demise en eau et ceux liés au régime permanent sont difficilesà distinguer Il faut généralement deuxà

trois années d'exploitation de la retenue pour pouvoir séparer les déplacements dusà la mise en eau

de ceux liés au régime normal d'exploitation

4.1.3 La vidangeàvitesse len te

En France, tous les 10 ans, une vidange est obligatoire d'après la loi pour les travauxd'entretien de l'ensemble de l'ouvrage La vitesse de vidange est choisie pour qu'il n'y ait aucunrisque pour le barrage

4.2 CONDITIONS EXTREMES

4.2.1 La crue et le séisme pendant la construction

La construction du barrage dure peut-être plus d'un an, voire quelques années, pendant cettedurée, une partie du barrage qui a été déjà construite peut subir la sollicitation des crues ou duséisme Il est possible que dans cette partie de l'ouvrage apparaisse des zones plastiques quiprovoquera les affaiblissements internes du corps du barrage

4.2.2 La crue en exploitation

Si une crue arrive dans la retenue, le barrage peut être submergé si le système d'évacuationn'est pas satisfaisant Les barrages en terre supportent mal la submersion et sont détruits au bout dequelques heures de déversement Le barrage doit supporter la force de l'eau maximale et laisserpasser le débit maximum sur son évacuateur

4.2.5 Travaux, accident d'exploitation et sabotage

Quelques fois, le barrage subit les forces ou les sollicitations venant des actions terroristes etdes erreurs de travaux

S.LES MODES DE RUPTURE

5.1 DEFINITION D'UNE RUPTURE DE GRAND BARRAGE

D'après la CIGS le sens du mot ~ rupture» est le suivant: " rupture ou mouvement d'une partied'un barrage ou de la fondation, tel que l'ouvrage ne puisse plus retenir d'eau En général, le résultatsera un lâcher d'un volume d'eau important, ce qui entraîne des risques pour les personnes ou lesbiensàl'aval"

La définition d'un grand barrage de la CIGS:

le barrageaprésenté des difficultés particulières de fondation

le barrage est d'une conception inhabituelle

Tableau 1.2. Définition d'un grand barrage

Le registre mondial des grands barrages, publié par la CIGS, est le recensement des ouvragesconstruits dans le monde La dernière mise à jour date de 1988 Elle mentionnait 17406 barrages(sauf Chine) dans un tableau récapitulatif, mais dans un graphique elle reportait 17743 barrages avec

337 cas d'écart dont l'origine n'est pas claire

5.2 LES STATISTIQUES DE RUPTURE

Pendant la construction et l'exploitation, le barrage doit subir beaucoup de sollicitationsdifférentes Certains barrages n'ont pu résisterà ces sollicitations se sont rompus La CIGS a lancéune grande enquête mondiale dans le but de rassembler la plus large information possible sur lesruptures des barrages par des recensements faits entre 1986 et 1995 Les causes de rupture sontdonnées dans le tableau 1.3 :

Chapitre1:Introduction

14

Tableau 1.3. Statistique des causes de rupture de barrages en terre

Le graphique de la figure 1.7 montre la répartition des ruptures en fonction du type d'ouvrage

On constate un nombre plus important de ruptures de barrages en lerre mais on vérifie que le taux

de rupture des barrages en terre est voisin de la moyenne et proche de 1%. On remarque que le taux

de rupture des barrages en béton est légèrement plus faible 0.85 %. La différence n'est pas trèssignificative

'f),

TE PC csType de barrage

Figure 1.7 Répartition des ruptures en fonction du type d'ouvrages (sauf Chine)

Notations:ER - Enrochement; TE· Terre; PG· Poids; VA· Vỏte; ca -Acontreforts; MV· Vỏtes multiples

(les barrages de type TEiER ont tout été classés en TE)

La figure 1.8 montre la distribution du taux de rupture (en %) par période de construction

L'amélioration d~s techniques est traduite sur le graphique par la diminution du taux de rupture enfonction de la période de construction, 4à 6% en 1900 et 1% en 1980- 1990 Lapériode avant 1900

Chapitre t: Introduction

15

correspond à peu de barrages construits mais à un taux de rupture (3.3 à 5.2%) équivalent à celui de

la période 1900 - 1919 (3.9 à 5.8 %) Celte similitude entre les deux périodes se justifie par peud'avancée sur le plan scientifique à celte époque Les progrès n'ont eu lieu qu'à 1930 avec la théorie

de Terzaghi, le premier congrès de la CIGB en 1936 et le deuxième congrès de mécanique des sols.Cela indique la mauvaise connaissance des barrages construits entre 1800-1930 et les forts taux deruptures qui ont eu lieu durant celte période

La figure 1.9 montre que 95% des ruptures proviennent les barrages de hauteur modérée

(inférieure à 60 mètres), 73% des ruptures font référence à des barrages de moins 30 mètres Le taux

de rupture par tranche de hauteur augmente légèrement avec la hauteur jusqu'à 100 mètres etdiminue fortement pour les barrages supérieurs à 100 mètres La moyenne des dates de fin deconstruction des barrages de plus de 100 mètres, qui se sont rompus, est 1967 Alors que lesbarrages de moins de 30 mètres, qui se sont rompus, sont en moyenne de vieux barrages Celamontre la progression de la technologie de conception et de construction des barrages Avant 1900,ces limites concernaient les barrages de moins 30 mètres Aujourd'hui, elles ont été repoussées etpeu de petits barrages construits se sont rompus Les ruptures des barrages de plus grande hauteurcorrespondent à des barrages qui sont de plus en plus récents

6 5

~ 3

o

<1900 190;)

:~1

~TJll.,( minimum TJll.,( ma."<.imum

Figure 1.8 Répartition des ruptures en fonction de l'année d'achèvement (sauf Chine)

H<lU }Od~O 604+<100 !Quel, II<J. JO<Hcj)l,) 604-k!UO IOO<H

Figure 1.9. Répartition des ruptures en fonction de la hauteur des barrages (sauf Chine)

On peut également noter quelques conclusions de la CIGB, en 1995, [Bullet95]

• La plupart des ruptures concernent des barrages de faible hauteur Presque 70% ont moins de 30

m de hauteur, en ne tenant compte que des barrages dont la hauteur est connue Et un très grandnombre de ruptures apparaissent dans les premières années (la moitié des ruptures survientavant

la cinquième année)

• Pour les barrages en béton, les problèmes de fondation constituent la cause de rupture la plusfréquente: érosion interne (21%) et résistance au cisaillement insuffisante (21 %) de cettefondation

• Dans les barrages en remblai, la submersion constitue la principale cause de la rupture (31%comme cause principale, 18% comme cause secondaire), suivie par l'érosion interne du corps dubarrage (15% comme cause principale et 13% comme cause secondaire) et l'érosion interne desfondations (12% comme cause principale, 5% comme cause secondaire)

auDtc de fl.Dde cOQSltllctioQ

Figure 1.10 Répartition du taux de rupture par période de construction

Pour les barrages en maçonnerie, la cause de rupture la plus fréquente est la submersion(43%) suivie par l'érosion des fondations (29%).

.0

E

oz

Figure 1.'1. Répartition des causes de rupture due aux fondations et aux matériaux et il l'exécution

Figure 1.12. Répartition des causes de rupture due il des actions imprévues et au comportement

5.3 AN,\LYSE DES CAUSES

La classification des causes de ruptures des barrages en remblai, a été codifiée par la CIGB,[EisNa86] et [Bullet95]

2.1 Due aux fondations:

2.1.2 Déformations et tassements

2.1.3 Résistance au cisaillement

2.1.4 Percolation

C".1p;rr9': Introduction 18

2.1.5 Érosion interne (renard)

2.1.12 Traitement de consolidation

2.1.17 Réactivation d'un glissement ancien

2.2 Due aux matériaux etàl'exécu1ion des remblais,à l'exclusion des finres et des drains

2.2.3 Argiles dispersives

2.2.4 Limons et sables fins uniformes

2.2.12 Mise en place

2.2.13 Compactage

2.3 Dueàdes actions imprévues

2.3.1 Pression hydrostatique et poussée des sédiments

2.3.9 Rupture d'un barrageàl'amont

2.3.10 Retard dans les travaux de construction

2.4 Due au comportement

2.4.2 Noyau imperméable

2.4.3 Au1res systèmes d'étanchéité

2.4.4 Zones de transition

2.4.8 Protection des talus

2.4.9 Liaison entre éléments en béton et remblai adjacent

2.4.15 Glissements aval

2.4.16 Rupture ou écoulement anormal dans un conduità l'intérieur du remblai

L'ensemble de ces causes contribueà trois grands mcdes de rupture:

Fonction

éviter l'eau que l'eau ne déverse

éviter l'eau que l'eau déstabilise le remblai

éviter l'eau que l'eau ne passe au travers

Cause de rupture

risque de submersionrisque d'instabilitérisque d'érosion interne

Dans les chapitres suivants, nous nous intéresserons qu'au risque d'instabilité

6 LES ENJEUX DE LA MODÉLISATION

Pour connaître le comportement d'un ouvrage en terre, tou1 d'abord, on doit bien comprendreles réponses du solà des sollicitations appliquées En général, on observe les modes de rupture, sur

le terrain ou sur modèle réduit, on propose une théorie explicative concernée, puis on crée lesappareils pour mesurer les paramètres explicatifs, ensuite on résou1 le problème en appliquant lathéorie aux cas réels

Il Y a plus de deux cents ans, le concept de la résistance du sol a été publié par Coulomb(1773) celui-ci fou mit la première base de la mécanique des sols Avec la théorie de la consolidation

de Terzaghi (1925), l'importance des pressions interstitielles était établie, il y eu1 de nombreuxdéveloppements de cette branche de la mécanique Enfin, la première méthode de calcul à la rupturedes remblais associant angle de frottement, la cohésion et pression interstitielle furent proposée un

an plus tard par Wolman Fellenius (1926), [CosSa81] Ces apports essentiels permirent une baissespectaculaire du nombre de ruptures de barrages Grâce à ces concepts modernes, les situationsd'instabilités étaient enfin comprises et étudiées

Chapitre1:Introduction

20

Ces bases fondamentales eurent un très grand retentissement Les outils développés sur cesconcepts sont encore utilisés de nos jours et pourraient faire croire que l'essentiel a été écrit.

Cependant, un demi·siècle plus tard, il était normal que d'autres progrès apparaissent Ledéveloppement des méthodes numériques dans les années 70 allait en effet décupler les résolutionsmathématiques des nombreux problèmes physiques qui se posent en Mécanique des sols Laméthode des éléments finis développa l'usage du calcul des structures élastiques dans des conditionsaux limites et de géométrie de plus en plus complexes Le développement des modèles rhéologiquesallait ensuite prendre le relais En France, ils furent particulièrement favorisés par la mise en placed'un Groupement de Recherches Coordonnées Géomatériaux, (GRECO), Dans le cadre du GRECO,

à partir de 1986, les développements de la mécanique des sols sont considérables sur 4 pointsprincipaux: les nouveaux appareils de laboratoire, les nouveaux concepts du comportement des sols,l'intégration de ces concepts dans les logiciels, et leur validation

Du point de vue de la modélisation numérique, dans les vingt dernières années, on constatequ'il apparait plusieurs lois de comportement, d'abord de type non linéaire, ensuite élasto-plastiqueparfaite, puis élasto-plastique avec écrouissage Les outils de modélisation permettent également deformuler des lois de comportement des joints avec couplage mécanique et hydraulique tandis que lamodélisation du comportement des sols non saturés permet d'étudier les sols réels

Avec les modèles couplés mécaniques-hydrauliques disponibles actuellement, on peutmodéliser le comportement d'un barrage pendant toute sa vie, la construction, le remplissage Maisdes trois modes de rupture, seule la stabilité est actuellement modélisable On peut obtenir lesimages du champ des déformations et du champ des contraintes correspondant, ainsi que du champ

de pressions interstitielles pour plusieurs cas de sollicitations On peut calculer les coefficients desécurité au glissement et prévoir les surfaces de glissements potentielles Dans tous les cas, lasécurité doit être considérée comme une priorité, et ainsi on doit prévoir les zones ó les plusgrandes déformations peuvent provoquer des fissures intemes On doit également surveillerattentivement les travaux, analyser les gradients hydrauliques, afin d'éliminer la possibilité de renard,cause principale de rupture qu'on a abordée au·dessus, et qu'on ne peut pas déterminer facilementpar les calculs

ChapItre 1:Introduction

21

Mais l'usage en est limité par deux raisons: les utilisateurs doivent bien connaỵtre les relationsconstitutives et les limitations de chaque modèle, les modélisations complexes sont cỏteuses etlimitent le nombre de calculs pour reproduire la réalité.

7 APLICA TlON A LA MODELISATION DE LA VIDANGE RAPIDE

Si les statistiques montrent que le risque d'instabilité est réduit, plusieurs accidents, tell'accident de CERCEY, [LedeI93] indiquent que la sécurité n'est pas encore acquise sur les barrages

en remblai, notamment en argile

Cette thèse va chercher à améliorer la méthode permettant de déterminer la sécurité et plusparticulièrement la stabilité des barrages en argile en proposant une alternative aux méthodesclassiques de calcul de stabilité, basée sur la modélisation couplée hydraulique-mécanique

L'objectif de la démarche est d'utiliser et de comparer les méthodes de calcul classiques et lesmodélisations afin de mieux comprendre et calculer les phénomènes intervenant au cours d'une mise

en eau, et surtout d'une vidange rapide d'une retenue d'un barrage en remblai Chaque type desollicitation entraine une évolution transitoire des pressions interstitielles et des contraintes au seindes différents terrains constitutifs d'un barrage, donc une évolution de la marge de sécurité visà visd'une éventuelle rupture par glissement Il s'agit donc de comprendre quels paramètres influencentces évolutions des pressions d'eau Ces paramètres caractérisent le squelette comme lacompressibilité du sol ou le seuil de plasticité, ou l'écoulement d'eau comme la perméabilité et lacompressibilité de l'eau

La méthode des éléments finis permet ainsi de connaỵtrề la fois des coefficients de sécuritélocaux et les déformations du modèle Dans ce travail, les coefficients de sécurité locaux obtenus par

la méthode des éléments finis, seront comparés aux déformations déviatoires trolNées pour chaquezone Enfin le lieu des coefficients minimaux sera comparé avec les méthodes classiques :coefficients de sécurité globaux obtenus par la méthode de Bishop intégrant les pressionsinterstitielles trolNées par NS2D ouB=1 de la méthode de Bishop

Chapitre1:Introduction

22

La démarche s'appliqueàdéfinir un problème type de stabilité Tout d'abord, la première phase

consiste à considérer uniquement dans un premier temps l'écoulement au sein de la digue

L'importance des paramètres liés aux pressions interstitielles est alors examinée Après cette phase

de calcul en hydraulique pure, un calcul élastique-plastique couplé, avec le modèle de Mohr Coulomb

de la digue est réalisé et ensuite comparé au calcul de stabilité par les méthodes classiques Puis uncalcul élasto-plastique couplé avec une analyse de sensibilité sur le module de compressibilité deMohr-Coulomb est menée Enfin des calculs élasto-plastiques couplés avec écrouissage de Hujeux

de quatre sols différents sont réalisés pour analyser l'apport des non-linéarités et comparer avec lesrésultats calculés les méthodes classiques

Chapitre 1: Introduction

23

CHAPITRE Il

PROPRIETES MECANIQUES DES ARGILES COMPACTEES

1.1 LES FONDEMENTS DE LA CLASSIFICATION

1.1.1 Granulométrie

Le géomatériau qui sert à construire un ouvrage en remblai comprend du sol et de la roche

discontinue non soluble et non décomposable et peut être compacté par énergie mécanique ouhydraulique Rappelons que la dimension de grain du géomatériau s'étend de quelques microns à

quelques décimètres et on a montré que les grains qui ont la même dimension ont presque lesmêmes caractéristiques On peut donc les classifier en des groupes différents: Les cailloux, lesgraviers, les sables, les sins, les argiles Il existe de nombreuses définitions

ChapUr.2 :Proprlfj,,,s m"canlqu8s des ma,,,,/aux compacltJs

24

Blocs erratiques ou Cailloux Graviers Sables 1 Silts

1

Argiles Collọdesenrochements

Tableau2 1 Classes granulométriques (l'unité de diametre des grains est en mm)

Notations: ASTM : American Societyjor Testing and Materials,

MSHO : American Association of State Higllll"OY and Transponation Officiais,

uses: Unified Soil Classification System

oli D 60=diamètre des grains (en mm) correspondant à 60% de passant en masse,

D lo=diamètre des grains (en mm) correspondant à 30% de passant en masse,

DIO=diamètre des grains (en mm) correspondant à 10% de passant en masse,

Tableau2.2 Classification en pourcentage de grains d'argile

Chapitre2 :Propr/~tésmt}canlques des matériaux compacttJs

25

Un des systèmes simples basé uniquement sur la plasticité du sol (tableau 2.3) est souventutilisé en pratique.

Ou des systèmes mixtes basésà la fois sur le pourcentage de grains, la plasticité et la ligne A

dont la forme selon la formulation précédente:

Ip=0.73(WL • 20),

Elle se trouve dans l'abaque de plasticité de Casagrande

Tableau2.3 Classification en plasticité

(2.3)

Dans les systèmes d'USCS, AASHO, on définit les noms de sols avec des indicescomplémentaires ou des noms composés, par exemple, SW (weil graded sand) ou GP-ML (poorgraded gravel and low plasticity sin)

1.1.3Capillarité et cohésion capillaire

En pratique, il existe une zone capillaire au-dessus de la nappe phréatique dont la hauteurdépend principalement de la dimension des veines poreuses et de celle des grains du sol

cr = l'angle de la tension capillaire par rapportà la paroi du tube d'essai ou du pore du sol,

Yw=le poids volumique de l'eau,

d = le diamètre équivalent des pores Dans les sols, on suppose que ce diamètre est à peuprès égalà20%du diamètre effectif(0'0),

Chapitre2 :ProprldttJs mécaniques des mattlrlaulf compactés

26

rcssion .U

Figure.2 t.Ascension capillaire de l'eau dans un tube de verre et succion dans la zone capillaire

Les transferts hydrauliques dans cette zone, ou en général, dans les sols non saturés, sontrégis par deux phénomènes: la loi d'évolution de la pression d'eau et celle de la perméabilité avec lateneur en eau

La pression, qui fixe la valeur du potentiel hydraulique, moteur de l'écoulement, n'est autre que

la pression capillaire décrite par la loi de Laplace:

(2.5)4Tcosa

de chaque grain sec exerce une attraction ionique, défaut du cristal ou déséquilibre électrique, sur lesmolécules d'eau et les cations qui passent à leur portée Les premières sont donc capturées et

fortement liées au grain On parle d'eau adsorbée, les couches suivantes reçoivent une attractionmoindre mais suffisante pour se souder en ménisque On note ainsi que des ménisques se créentdans un sol sec par transfert gazeux.La loi de Kelvin exprime la baisse de pression de vapeur d'eau

associéeàla pression capillaire de l'eau:

2T, Lu P

ut=Ua-U w= - g

p, po : pression de vapeur d'eau dans l'air et de l'eau libre;Ta :température absolue,

R : constante des gaz parfaits; M : masse molaire de l'eau

(2.6)

La valeur de la tension capillaire théoriquement peut atteindre une dizaine de bars ou unecentaine de mètres de hauteur d'eau Selon l'équation (2.5), la succion est linéaire en fonction de laprofondeur dans la zone saturée de remontée capillaire, cela ne se vérifie pas clairement en pratique

Tableau2.4 Hauteur capillaire pour les sols différenrs, d'apres Hansbo (1975):

Pour les sols compactés:

Limon jusqu'à quelques dizaines de mètres jusqu'à -0,5 MPa

Tableau2.5 Hauteur capillaire et succion pour les sols compactes

ménisaue

Figure.2.2 Deux grains de sol retenu ensemble par une pellicule capillaire

Chapitre2 :Propri6Ms m6caniques des matériaux compactf!s

28

Les forces capillaires peuvent se développer dans les ménisques reliant deux ou plusieursgrains voisins et appliquent les grains les uns contre les autres, le sol acquiert une cohésionsupplémentaire que l'on appelle la cohésion apparente ou la cohésion capillaire Celte cohésion vadisparaỵtre quand le sol est entièrement saturé ou sec, c'est à dire quand il n'existe pas deménisques

Les propriétés mécaniques des sols dans celte zone capillaire, non saturée, sont très variables

et fonction du degré de saturation et de leurs histoires En 1978, Fredlund, [FreRa93], [DruNe95], amontré que la résistance au cisaillement d'un sol non-saturé pouvait être représentée par l'équationsuivante:

1 = c'+ (u.-uw)tg<pb +(cr-u.)tg<p'

ó c'est la cohésion qlland les de/u variahles de contraintes (lia-il •.) et (a-Il.) sont nlllles,

rp'est l'angle de frottement interne en fonction des changements de (a-Il,.),

rpb est lin angle indiquant le talU d'allgmentation de la résistance au cisaillement en fonction des variables de

1.1.4Perméabilité

Darcy a montré que l'eau coule à travers un sol quand il y existe une charge hydraulique

D'après Darcy, le débit par unité d'aire est proportionnel à la perte de charge et inversementproportionnelàla hauteur de conduite On l'écrit fréquemment sous la forme:

c 11 est la viscosité de I·eau.

cYwest le poids spécifique de I·eau

c i =h/I est le gradient hydraulique

La perméabilité d'un sol dépend de sa granulométrie du pourcentage d'argile dans I·ensemble

de la température Le coefficient de perméabilité est déterminé par le perméamètre à charge

constante pour les sables et àcharge variable pour les sols fins Casagrande et Fadum classent les

sols de la façon suivante

1 10" 10.2 10.3

10" 10.5 10-6 10,7 10-8 10'9 1O"o(mls)

-mélange de sables de silt et del'argile

Tableau 2.6 Coefficient de perméabilité des sols différents

On déduit le coefficient de perméabilité àpartir des corrélations:

• de A, Hazen k(cmls)=CD2,o (cmls) pour les sables,

• de Casagrande k = 1.4ko.8Se2•avec ka.8Sest le coefficient du même sol pour un indice des videségalà 0.85

• Ou on peut calculer la perméabilité verticale de l'argile d'après l'équation de Zhilenkov, [ZhiKK86]:

K=4.10- exJ e )

1.O.17e, - 0.048

ó e est l'indice des vides de l'argile,

el est l'indice des videsà la limite de liquidité

Les argiles sont des sols à grains fins qui ont généralement un comportement n plastique»,

une cohésion et une faible perméabilité Elles contiennent certains minéraux argileux qui sont : lakaolinite, l'illite, la montmorillonite, la halloysite, la chlorite, la vermiculite, l'attapulgite, La

dimension de tous ces minéraux argileux est très petite, de diamètre inférieurà2~m. La structure des

minéraux argileux est sous la forme d'un feuillet ou d'une aiguille C'est pourquoi la surfacespécifique, le rapport entre la surface d'un solide et sa masse, est généralement très grande : lakaolinite (1,5 m2/g), l'illite (80 m2/g) , la montmorillonite (800 m2/g) d'après Yong et Warkentin (1975),[Ho1K091J. Les activités surfaciques, les activités électrique-chimiquềl'interface entre l'eau, les ionsfrontières et les ions libres, favorisent la constitution des couches d'eau autour de chaque cristald'argile qui sont appelées: eau adsorbée Cette couche d'eau joue un rơle très important dans lecomportement de l'argile ou du sol argileux Par exemple, un sol mélangé comprend plusieurscatégories de grains, s'il contient quelques pourcentages de grains argileux, son comportement tendvers celui d'une argile et sera plastique et moins perméable

Lavariation de la teneur en eau d'un sol se traduit par une variation d'épaisseur de la couched'adsorbée, donc de sa plasticité Les limites d'Atterberg constituent les bornes de cette influence Si

on divise simplement la couche d'eau adsorbée en deux, l'une très liée à la particule correspondà lalimite de plasticité et l'autre moins liée correspond à la limite de liquidité Une argile normalementconsolidée et peu surconsolidée a souvent une structure en nid d'abeilles ou une structurefloconneuse, ces deux catégories ont une porosité élevée; l'argile surconsolidée ou compactéepossède la structure de base donc la porosité est plus faible.

1.3 LES SABLES ET LES GRA VES

Les matériaux de type sables et graviers contiennent des grains dont le diamètre est de 0,05

mm à 20 mm Les solsà grains grossiers sont des produits de l'altération physique et sont constituéspar des minéraux d'une roche mère comme: le quartz, le mica, le feldspath, la calcite

Un gros grain, qui a souvent une forme cubique, et la structure d'un assemblage des grosgrains est une structure élémentaire dans laquelle chaque grain est en contact avec plusieurs de sesvoisins" Selon l'arrangement des grains, cette structure peut être plus ou moins compacte Onintroduit l'indice de densité relative ID, pour estimer l'état d'un solàgrains grossiers naturel

Le comportement du sable est généralement indépendant de la présence de l'eau, il estnormalement sans cohésion, sauf dans le cas non-saturé ó les sables montrent une cohésionapparentềcause de la tension des ménisques capillaires Celte cohésion disparaỵtra quand le sableest toutà fait sec ou saturé

1.4 LES ENROCHEMENTS

Les enrochements sont essentiellement des gros cailloux dont le diamètre varie de 75 mm à

environ 300 mm Ils existent naturellement ou ont été fabriqués par concassage des blocs de roche

Parmi les remblais, les enrochements ont la meilleure résistance contre la poussée horizontale

de l'eau, celte résistance dépend de l'angle de frottement qui est régi par la granulométrie, la natureminéralogique, la forme et surtout l'enchevêtrement des grains

Ils montrent aussi une capacité à supporter d'assez gros tassements, et résistent bien aux

séismes Mais leur perméabilité est très forte, les enrochements demandent toujours un organed'étanchéité comme un masque, un écran, et d'autre part, ils supportent mal la submersion