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

INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE GRENOBLE THESE Lit ooi9 pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE GRENOBLE Spécialité: Mécanique Option: Géomécanique présentée et soutenue publiquement par CHAUNGOCAn 7006'13 le 21 janvier 1999 Titre: ANALYSE DE L'INFLUENCE DES CARACTERISTIQUES MECANIQUES ET HYRAUUQUES SUR LE COMPORTEMENT DES BARRAGES EN TERRE ET EN ENROCHEMENT Directeurs de thèse: M Félix DARVE et M Jean Jacques FRY Composition du jury: M.P.FORAY (Institut National Polytechnique de Grenoble) Président M P DELAGE (École Nationale des Ponts et des Chaussées) Rapporteur M J M FLEUREAU (École Centrale de Paris) Rapporteur Mme A MODARESSI (École Centrale de Paris) Examinateur M.1 J FRY (Électricité de France) Examinateur M F DARVE (Institut National Polytechnique de Grenoble) Examinateur INPG • 46 avanua F611 Vlalla' - 38031 GRENOBLE CEDEX - FRANCE· Tel 33 76 57 45 00 Fa 33 76 57 45 01 3616 code INPG - http://www.fnpg.fr A la mémoire de mon père A ma mère A mafemme et mes enfants AVANT PROPOS ' - - - - - Cette thèse a été réalisée au sein du service d'Études de Développements (ED) du Centre National d'Équipement Hydraulique d'Électricité De France Chambéry (EDF-CNEH), et le laboratoire Sols Solides Structures Grenoble Je remercie EDF-CNEH par le financement de cette thèse Elle a été dirigée par Monsieur Félix DARVE, Professeur de l'Institut National Polytechnique de Grenoble, et Monsieur 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 me conseiller de la meilleure manière Je tiens remercier Monsieur Pierre FORAY, Professeur de l'INPG, qui a accepté de présider le jury de ma soutenance Je remercie très vivement Monsieur Pierre DELADGE, Directeur de Recherche CERMES de l'École des Ponts et des Chaussées, et Monsieur Jean-Marie FLEUREAU, Professeur de l'Ecole Centrale de Paris, qui ont accepté d'être rapporteur de ce travail J'adresse mes vifs remerciements Madame Arézou MODARESSI, qui a accepté de participer mon jury de thèse Mes plus vifs remerciements vont également C BRUNET, P DIVOUX, C SERRA et toutes les personnes du groupe" Géotechnique et Structures en terre» qui m'ont beaucoup aidé, et toutes les personnes du service ED, qui m'ont manifesté leur sympathie, pendant ces trois années RÉSUMÉ .- _ Ce mémoire est consacré l'analyse de l'influence des paramètres hydrauliques et mécaniques sur la diffusion de la surpression interstitielle dans le corps d'un barrage en remblai lors de la variation du niveau d'eau du réservoir Il approfondit plus particulièrement la détermination de la stabilité du barrage en terre au cours de la vidange rapide, qui est le point délicat et le plus méconnu dans comportement des barrages en remblai Différents codes de calcul ont été utilisés et testés: Gefdyn, NS2D, Talren et Flac Les analyses de leurs résultats ont été effectuées pour évaluer la stabilité et comparer aux approches traditionnelles Avec une configuration hydraulique pure, des calculs ont permis d'étudier l'influence de la perméabilité 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 couplée hydraulique-mécanique et dans le cadre de l'élasticité, d'autres calculs ont permis de mettre en évidence l'influence du module de compressibilité du sol sur l'évolution de la pression interstitielle dans l'ouvrage La variation de la pression interstitielle est également fonction du comportement non-linéaire des matériaux constituant l'ouvrage, et notamment de la forme la surface de charge, comme montre la comparaison 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 la vidange rapide d'un barrage avec quatre matériaux argileux compactés, utilisant deux lois de comportement de Mohr-Coulomb et de Hujeux La comparaison de ces résultats est exploitée utile pour mieux conntre les limites de chacune des méthodes Mots clés Barrage; Couplage hydraulique-mécanique; Sol non-saturé; Hydraulique; Vidange; Pression interstitielle; Suintement; Stabilité ABSTRACT ' - - - - - Thesis subject : ANAL YSIS OF THE INFLUENCE OF THE HYDRAULIQUE AND MECHANICAL 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 of reservoir, and ta determine the stability during staged rapid draw-down of reservoir, a tricky item and the most misunderstood problem of the fill dam behavior, with Gefyn, NS2D, Talren and Flac codes of calculation The comparisons and the analysis of the se results have been done for evaluate the traditional approaches The first study examine the influences of the permeability, the water compesssibility and the non-saturation on the exces pore pressure diffusion during of the filling or the emptying of the dam reservoir The hydraulique-mechanical elasticity calculus show a modulus influence on the pore water diffusion in the body dam This pore-pressure generation is also influenced by non-linear behavior dam sail, and particularity by the loading suriaces The non-linear stability calculations have been done with the different failure criteria, in a view of evaluating Iwo traditional and recent approachs in the stability evaluation of the reservoir constitutive models The comparaison of these results have been assessed ta get a better knowlegge of each field of application of each approach · II- I S_O_M_M_A_I_R_E CHAPITRE INTRODUCTION LES BARRAGES 1.2.LES BARRAGES RlGIDES: BARRAGES EN BÉTON ET BARRAGES EN ~IAÇONNERlE 02 1.3 LES BARRAGES SOUPLES OU LES BARRAGES EN REMBLAI 03 LES HUIT FONCTIONS DE CONCEPTION D'UN BARRAGE LES MATÉRIAUX CONSTITUTIFS D'UN BARRAGE EN REMBLAI JO LES DIVERSES SITUATIONS DE LA VIE D'UN BARRAGE Il 4.1 CONDmONS NORMALES 12 4.2 CONDmONS EXTREMES 13 LES MODES DE RUPTURE 14 5.1 DEFINITION DUNE RUPTURE DE GRAND BARRAGE 14 5.2 LES STATISTIQUES DE RUPTURE 14 5.3.ANALYSE DES CAUSES 18 5.4MODES PRINCIPAUX DE RUPTURE 20 LES ENJEUX DE LA MODÉLISATION 20 APLICATION A LA MODELISATION DE LA VIDANGE RAPIDE 22 CHAPITRE fi PROPRIETES MECANIQUES DES ARGILES COMPACTEES LES TROIS GRANDES CLASSES DE MATERIAUX 1.1 LES FONDEMENTS DE LA CLASSIFICATION 24 1.2 LES ARGILES 31 1.3 LES SAB LES ET LES GRAVES 32 1.4 LES ENROCHEMENTS 32 15 LES PARAMÈTREs DE DESCRlPTION DE L'ASSEMBLAGE 33 LES ARGll.ES 2.1 LE CRlTÈRE DE RUPTURE SommaIre 24 36 36 2.2 LES MODULES 45 2.3 LES LOIS DE COMPORTEMENT 50 2.3.1 La loi de compoTU:ment de Mobr-Coulomb : 50 2.3.2 La loi de comportement de Hujeux 51 2.3.3 Le modèle de non saturation de Gefdyn 58 2.3.4 Caractérisation de quatre matériaux argileux compactés 59 2.3.5 Interprétation et critères de rupture 68 CHAPITRE m APPROCHES CLASSIQUES DE LA STABILITE EN VIDANGE RAPIDE 1.CALCUL A LA RUPTURE 73 I.I.CALCUL DE LA STABIllTÉ AUX GUSSEMENTS 72 1.2 OBJECIlFS DU CALCUL 79 1.3.LES Oum.s UllUSÉS DANS CE TRAVAIL 80 2.DETERMINATION DES PRESSIONS 81 2.1 ECOULEMENT EN HYDRAUUQUE PURE 81 2.2 DECHARGEMENT EN MECANIQUE PURE 86 APPLICATION A UN BARRAGE HOMOGENE TYPE 87 3.1 PROBLÉMATIQUE 87 3.2 CAS ETUDIE 91 3.2.I.CONDmONS lN1TIALES 91 3.2.2.CONDmONS AUX LIMITES 92 3.3.2.1 APPROCHES CLASSIQUES PAR LE CALCUL A LA RUPTURE 94 3.3 RESULTATS 96 CHAPITRE IV MODELISATION DE LA VIDANGE EN HYDRAULIQUE PURE DESCRIPllON DU CALCUL Sommaire 101 1.1 OBJECIlFS DU CALCUL 101 1.2 LES OUTILS IITll.lSÉS 103 1/ 1.3 PARAMETREs DE CALCUL ANALYSE DES CAUSES DE GENERATION ET DISSIPATION DE PRESSION 104 106 2.1.ELEMENTS DE SUINTEMENT ET NON SATURATION 106 2.1.1 MODÉUSATION LA SURFACE DE SUINTEMENT 106 2.1.2 INFLUENCE DES ÉLÉMENTS DE SUINTEMENT 109 2.2 INFLUENCE DE LA COMPRESSIBILITÉ DE L'EAU: 115 2.4 INFLUENCE DE LA PERMÉABIllTÉ DU SOL 119 COMPARAISON DES RESULTATS DE NS2D, GEFDYN ET FLAC 122 3.1 COMPARAISON DES IŒsULTATS DE GEFDYN ET NS2D 122 3.2 COMPARAISON DES IŒsULTATS DE GEFDYN ET FLAC 129 4, CONCLUSION 131 CHAPITRE V MODELISATION COUPLEE DE LA VIDANGE PRINCIPLE DE LA MODELISATION COUPLEE 133 1.1 COMPORTEMENT MÉCANIQUE DU SOL 133 1.2 COMPORTEMENT couPLÉ MÉCANIQUE-HYDRAUUQUE DU SOL 134 2, EFFET DU COUPLAGE ELASTIQUE SUR LA PRESSION INTERSTITIELLE 2.1 ANALYSE ANALYTIQUE DE L'INFLUENCE DU MODULE ËL\STIQUE 2.2 ANALYSE EMPIRlQUE DE L'INFLUENCE RESPECTIVE DE LA CONSOUDATION DÉCHARGEMENT 135 135 ET DU 141 2.3 ANALYSE DES RÉSULTATS DU MODELE NUMÉRlQUE 143 2.4 CONCLUSIONS SUR L'EFFET DU COUPLAGE 173 EFFET DU COUPLAGE NON LINEAIRE SUR LA RESISTANCE DU BARRAGE 3.1 APPROCHE COUPLÉE AVEC UN MOD8.E ÉLASTO-PLASTIQUE 175 176 3.2 ANALYSE TIlEORlQUE DE L'EFFET DE LA PLASTIF1CATION SUR L'EVOLUTION DE LA PRESSION INTERSTITIELLE 177 3.3, L'ANALYSE LA STABILITÉ DE LA DIGUE AU COURS DE LA VIDANGE 194 3.4, L'ANALYSE LA STABIUrÉ DE LA DIGUE AU COURS DE LA VIDANGE AVEC LES MATÉRIAUX DIFFÉRENTS 211 COMPARAISON ET CONCLUSION 232 CONCLUSION GENERALE 233 Sommaire III CHAPITRE INTRODUCTION LES BARRAGES 1.1 LEUR DESTINATION Les barrages sont des ouvrages qui servent domestiquer un cours d'eau afin de créer une retenue ou d'exhausser le niveau amont ou de séparer deux zones d'eau douce et salée Les hommes ont noté que les castors ont construit les premiers barrages en mélangeant du bois et de la terre pour leur vie 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 l'époque des Royaumes combattants ou pour protéger contre les crues en Chine, pour produire de l'énergie des moulins grains et pour des centrales 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, des barrages 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 grandes classes: les barrages en béton et les barrages en remblai Un barrage est construit pour une ou plusieurs fonctions parmi les cinq fonctions principales suivantes: Chapitre 1: Introduction al Énergie Aujourd'hui, on peut trouver partout dans le monde des barrages associés une centrale hydraulique produisant de l'électricité, ou parfois des petits barrages pour les turbines eau, bl Irrigation Une autre fonction habituelle, dans les pays agricoles, est de produire de l'eau pour l'irrigation, Parfois le barrage joue le rôle de séparation de l'eau douce et de l'eau salée dans les plaines près de la mer d Fourniture d'eau Dans les zones arides, le barrage et son réservoir peuvent fournir de l'eau potable et modifier les mauvaises conditions de l'environnement On peut dire parfois que les barrages participent l'action contre la pollution dl Navigation Dans les zones montagneuses ou avec un relief, les cours d'eau ne sont pas navigables, un barrage permet de les régulariser pour la navigation el Écrêtement 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 pendant toute sa vie l,2.LES BARRAGES RIGIDES: BARRAGES EN BÉTON ET BARRAGES EN MAÇONNERIE Les barrages en bộton et en maỗonnerie sont des barrages rigides et qui sont bien adaptés aux fondations rocheuses Ils se classent en: • Barrages-poids qui résistent la pression de l'eau et aux mouvements sismiques par leur poids • Barrages-vỏtes, résistant la pression de l'eau par leur forme qui reporte cette poussée sur les deux flancs de la vallée Ils ne conviennent donc que pour des vallées étroites par rapport leur Chapltr8 1: Introduction [MicRa89] E.MICHALSKI, A.RAHMA élastoplastiques (1989), Modélisation du comportement des sols en définition des paramètres des modèles Hujeux-Cyclade et recherche des valeurs des paramètres pour diHérents sols, Rapport d'étude du BRGM.1989 [Ozana88] O OZANAM-HAUTEFEUILLE, Modélisation numérique des sols élastoplastiques non saturés - Appliqué aux barrages en remblais, Thèse de Docleu'r, Ecole Centrale de Paris.1988 [Paris98] W.G PARISEAU, Poroelastic seltlement of Hydraulic filli J Rocck Mech Min Sci Vol.35 , Great Britain, 1998 [PicoI97] E PICOLLET, Contrbutjon aux algorithmes de résolution non linéaire des problème couplés en Géomécanique, Thèse de Docteur, Ecole Centrale de Paris 1997 [PrePo96] J.H PREVOST, R POPESCU, Constitutive relations for soil malerials Department of engineering and operations research, Princeton university, New Jersey, EJGE 1996 hltp:l/geotech.civen.okstate.e< E=" -, Gp< Eup.: E~pc' El.:lp.: :) ëup:: ~ b= E·6m1s ksuint=! E·5" Annexe A.2 EVOLLTION DE LA CO:'\v"ERGE."CE EN FORCE l.é+ , ' '-' _ ,~ , - ARGILE PEU PLASTIQUE Loi Hujeux, Calcul couplé, En vidange, la compressibilité de l'eau Cw = SE·? Pa" Ann A·S - -'-' -El.! -"",", ••••• E.l , w • _.E.I " - - '-' ' - e -"~-, -'-' - -"-' - e 1:lI:& • I.œ~ml _ ~ ~ _ _ 'œ~1l- _ ' - - - - ., ' - , - ~.: - ' -"- - -'-' - "-' \.,,& l- ~ _ - -'-' -,,- ~.l_ _ ARGILE MOYENNEMENT PLASTIQUE Loi Hujeux, Calcul couplé, En vidange, la compressibilité de l'eau Cw =0 Annexe A-10 , cvournON DaU CONVDC;P;CI: f:'( 'OILCE ,., " - - , , ' - - El.opoo~ ELop.oJ Q oc>.J - - E p - - "- -~-"-' -"-< - -~ , " .- ,~"l -~ _ ~ -"- , "le;.nl'-_ _ ~ _ ~ ' - - ' ' - - "-< - - F -e- " - .0::&:: ~ : g-~ ~ &-: nt.