Analyse des déformations des noyaux de barrages En terre par la modélisation numérique

Facteur temps

La théorie de la consolidation unidimensionnelle de terzaghi a conservé une grande utilité dans la pratique de la mécanique des sols parce que, malgré les nombreuses simplifications qu’elle apporte à la nature, elle décrit convenablement les traits essentiels de l’évolution au cours du temps des tassements des massifs de sols fins. En particulier, elle produit bien une observation courante, qui est que la durée des tassements est proportionnelle au carré de l’épaisseur de la couche compressible. On le voit dans l’expression du facteur-temps, qui est la mesure adimensionnelle du temps dans la solution de l’équation différentielle : Le facteur-temps a pour expression: 𝑇𝑣 =𝐶𝑣 ×𝑡𝐻2 Dans un massif de sol de propriétés mécaniques données (représentées par Cv) , pour obtenir le même facteur-temps, donc le même degré de consolidation, donc le même pourcentage du tassement final, il suffit de choisir une même valeur du rapport t/H2 ,c’est à dire que le temps de consolidation est proportionnelle au carré de H , épaisseur d’une couche limitée par une surface perméable et une surface imperméable. La longueur H représente la plus grande distance que l’eau doit parcourir pour sortir du sol. On l’appelle « distance de drainage ». Dans le cas d’une couche drainée des deux côtés, la solution de l’équation différentielle reste la même à condition de rechercher la solution sur la moitié seulement de la couche pour se ramener au cas d’une surface drainante et d’une surface imperméable (le plan médian de la couche, par raison de symétrie). Il faut donc faire attention, lorsque l’on détermine les paramètres d’un calcul de consolidation unidimensionnelle, à bien choisir la distance de drainage, qui peut être égale à l’épaisseur de la couche ou sa moitié (SCHLOSSER, 1988).

ITASSEMENT DANS LES BARRAGES

Par leur complexité, les barrages, imposantes constructions du génie civil, peuvent être considérés comme des ouvrages particuliers. Ils présentent par ailleurs la caractéristique de pouvoir être affectés à différentes fonctions. Ils jouent cependant deux rôles principaux : celui, d’une part, de stocker les apports d’eau afin de répondre aux besoins vitaux et économiques des populations (eau potable, irrigation, fourniture d’énergie, navigation) et celui, d’autre part, de protection contre des effets destructeurs de l’eau (maîtrises des crues, rétention de sédiments, protection contre les avalanches) ou de recours en cas de pénurie en eau. Il existe deux grandes familles de barrages, ceux construits en béton, concernant surtout les retenues de très grande capacité et ceux construits en terre ou en enrochements (Remblai). On appelle barrages en remblais tous les barrages construis avec des matériaux terreux. Cette catégorie de barrages regroupe plusieurs catégories différentes par les types de matériaux utilisés et la méthode employée pour assurer l’étanchéité. Toutes fois, une telle construction pose des problèmes nombreux et délicats auxquels sont confrontés géotechniciens et mécaniciens des sols.

Ces problèmes sont liés en partie à la faible résistance des sols mous ainsi que leur compressibilité entraînant des difficultés à assurer la stabilité des remblais, et se traduisant par des tassements et des déformations importants. Les tassements de la fondation peuvent atteindre un à plusieurs mètres. Ils doivent donc être pris en compte dans le choix de la hauteur totale de l’ouvrage pour assurer en tout temps une revanche en crête suffisante et garantir la sécurité contre le risque de déversement. Ces tassements interviennent aussi dans la définition de la structure interne de l’ouvrage (épaisseur et plasticité du noyau, épaisseur des filtres, zonage) pour minimiser les risques de fissuration liés au développement des tassements différentiels. Ce chapitre est consacré à la présentation de différents types des barrages zonés et de leurs organes d’étanchéité, tant dans le massif lui-même que dans ses fondations, un rappel d’un certain nombre de mécanismes de rupture dans les barrages en terre et traitera finalement les tassements de ces ouvrages.

CAUSES DU TASSEMENT DANS LES BARRAGES

Les causes pouvant entraîner des tractions dans le corps du remblai étanche, et créer des fissures plus ou moins ouvertes ou prêtes à s’ouvrir sous l’effet de l’eau de la retenue, sont très nombreuses (LOWE III, 1970). Ce sont d’abord les tassements différentiels pendant et après la construction, qu’ils soient dus à la fondation irrégulière de par sa topographie ou de par sa nature, ou aux compressibilités différentes et différées des remblais des différentes zones. Les phases de construction et notamment la construction tardive d’une section du barrage réservée au passage de la rivière sont également l’origine de tassements différentiels souvent importants. Au cours de la construction des remblais argileux des couches trop exposées à la dessiccation peuvent se fissurer finement, le défaut passant inaperçu sans qu’il y soit apporté remède. Mais si des fissures peuvent s’être développées avant la mise en eau, de nombreuses autres causes de déformations peuvent contribuer à créer des zones faiblement comprimées ou même tendues sans qu’il y ait fissuration.

Ce sont notamment les déformations dues au remplissage et à la vidange du réservoir, celles dues à la saturation de certains matériaux (enrochements insuffisamment arrosés ou compactés, silts argileux compactés trop secs), aux transferts de charge entre un noyau argileux relativement mince et des recharges latérales peu compressibles ou autour d’un saillant rocheux ou d’un point dur dans la fondation, comme en constitue par exemple une conduite passant sous les remblais (POST et GUERBER, 1973). Des barrages à noyau central vertical ou légèrement incliné vers l’amont ont été construits à de très nombreux exemplaires ces dernières décennies; les noyaux étant souvent relativement très minces, ces barrages sont particulièrement sensibles aux transferts de charge à moins que soit organisée une variation continue de la compressibilité des différentes zones, réalisable, par exemple, en préparant le noyau avec le même matériau que les recharges encadrantes, enrichi simplement en fines pour obtenir l’étanchéité voulue (LOWE III, 1970).

Des effets d’arc peuvent se produire entre les rives abruptes d’une vallée étroite, même avec des noyaux épais Enfin les secousses sismiques, en entraînant des déformations et tassements différentiels, peuvent créer sinon des fissures ce qui apparaît toutefois comme un risque non négligeable, du moins des zones «tendues ». Il est suffisant de connaître approximativement (à l’aide de calculs par éléments finis par exemple) les zones d’extension ou de tassements différentiels pour renforcer les filtres et drains dans ces régions. Il faut bien dire que le jugement de l’homme de l’art et la référence aux mesures de déformations effectuées sur de nombreux barrage (POST ET GUERBER, 1973).

FRACTURATION HYDRAULIQUE

Ce phénomène est observé dans les barrages en terre à noyau central, peut être défini comme une annonce vers la rupture, et qui est causé par le chargement hydraulique (C’est-à-dire la pression appliquée). Si la fracturation hydraulique existe, elle fait apparaître un initiateur dangereux de la migration du matériau fin du noyau. Cette dernière augmente avec l’augmentation du gradient de pression. Cette migration est causée par le mauvais compactage. Le compactage insuffisant des matériaux lors de la phase construction, cela peut conduire notamment lorsque les matériaux ont été compactés du côté sec de l’optimum d’humidité et avec une énergie de compactage insuffisante pour assurer une réduction suffisante des vides. La mise en eau conduit alors à un effondrement du matériau. Si le sol est de façon uniforme insuffisamment compacté, on constate un tassement général de parties saturées du remblai lors de mise en eau. Un contrario, si les défauts de compactage sont localisés, on observe des tassements différentiels pouvant produire une fracturation hydraulique, ces situations favorisent la circulation d’eau dans le remblai (GHEFFIR, 2008). Dans un barrage en remblai de type zoné, les variations de contraintes peuvent être provoquées par des tassements différentiels entre le noyau et les zones filtres amont et aval. Si le noyau est plus compressible que les zones filtres amont et aval, il se tasse sous son propre poids et, par l’effet de voûte, il s’appuie sur les zones filtres plus rigides, ce qui tend à réduire les contraintes verticales et par conséquent les contraintes latérales vers la base du noyau. Cette situation peut provoquer un claquage hydraulique et un risque d’érosion des particules fines du noyau (MASSIERA, 2008).

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Table des matières

Résumé
Abstract
ملخص
Liste des Figures
Liste des Photos
Liste des Tableaux
Liste des notations
Liste des abréviations
INTRODUCTION GENERALE
Chapitre I : Notions théoriques sur le tassement
I. INTRODUCTION
II. COMPOSANTES DU TASSEMENT
II.1. Tassement immédiat
II.2. Tassement de consolidation primaire
II.3. Tassement de consolidation secondaire
III. NOTIONS LIEES AU TASSEMEN
IV. LES FACTEURS DE VARIATION DE L’INTENSITE DU TASSEMENT
IV.1. La texture
IV.2. La structure
IV.3. La teneur en eau
IV.4. La matière organique
V. COMPORTEMENT DES DIFFERENTS TYPES DE SOLS VIS-A-VIS DU TASSEMENT
V.1. Cas des sols grenus (pulvérulents
V.2. Cas des sols fins
VI. CONSOLIDATION
VI.1. Phénomène de consolidation
VI.2.Théorie de la consolidation unidimensionnelle
VI.2.1.Hypothèses
VI.2.2.Loi de TERZAGHI
VII. ESSAI OEDOMETRIQUE
VII.1. Paramètres de compressibilité
VII.1.1. Contrainte de préconsolidation
a. Sol normalement consolidé
b. Sol surconsolidé
c. Sol sous-consolidé
VII.1.2. Indices de compression et de gonflement
VII.1.3. Coefficient de compressibilité
VII.1.4. Coefficient de changement de volume
VII.1.5. Module oedométrique
VII.2. Courbe de consolidation
VII.3. Degré de consolidation
VII.4. Facteur temps
VII.5. Coefficient de consolidation
VII.6. Coefficient de perméabilité
VIII. METHODES DE CALCUL DES TASSEMENTS
VIII.1. Calcul du tassement oedométrique
VIII.2.Calcul du tassement à partir de l’essai pressiometrique
IX. CONCLUSION
Chapitre II : Tassement dans les barrages
I. INTRODUCTION
II. ORGANE D’ETANCHEITE DES BARRAGES
II.1. Etanchéité du corps du barrage
II.1.1. Noyau en argile compacté
II.1.2. Diaphragme interne
II.1.3. Masque amont
a. Masque en béton de ciment
b. Masque en béton bitumineux
c. Masque en membrane souple
II.2. Etanchéité des fondations
III. ETANCHEITE DES BARRAGES ZONES
III.1. Barrage en remblais avec noyau central
III.2. Barrage en remblai avec noyau incliné
III.3. Avantages et particularités des barrages zonés
III.3.1. Cas de noyau central
III.3.2. Cas de noyau incliné
IV. ANALYSE DES RUPTURES DES BARRAGES
IV.1. Données statistiques
IV.2. Cause des désordres
V. TASSEMENTS DANS LES BARRAGES
V.1. Tassement de la fondation
V.2. Tassement du remblai
VI. CAUSES DU TASSEMENT DANS LES BARRAGES
VII. MECANISME DU TASSEMENT DANS LES BARRAGE ZONES
VII.1. Cas de barrage en enrochement
VIII. FRACTURATION HYDRAULIQUE
IX. CONCLUSION
Chapitre III : Auscultation des barrages
I. INTRODUCTION
II. SURVEILANCE DES BARRAGES
II.1. Objectifs de la surveillance
II.2. Principes généraux de la surveillance des barrages
III. INSPECTION VISUELLE
IV. AUSCULTATION
IV.1. Objectifs de l’auscultation
IV.2. Caractéristiques des instruments de mesure
IV.3. Paramètres significatifs à suivre
IV.4. Instruments et moyen de mesures des barrages
IV.4.1. Mesure de déplacements
a. Des mesures de déplacements absolus
b. Mesure de déplacement interne
i. Tassomètre
ii. Pendule
iii. Inclinomètre
iv.Extensomètre
c. Mesure des déplacements relatifs (locaux
i. Fissuromètre
ii. Vinchon
IV.4.2. Mesure des contraintes – cellules de pression totale
IV.4.3. Mesure des paramètres hydrauliques
a. Mesure de piézométrie
b. Mesure du débit
V. CONCLUSION
Chapitre IV : Analyse des déformations des noyaux de barrages En terre par la modélisation numérique
I. INTRODUCTION
II. DESCRIPTION DU CODE DE CALCUL
III. CONSISTANCE DU CODE DE CALCUL
III.1. Interface graphique du logiciel
III.2. Définition des éléments
III.3. Propriétés des éléments
III.4. Génération du maillage
III.5. Système d’unité
IV. PRESENTATION DU CAS D’ETUDE TRAITE
V. MODELISATION DES DEFORMATION DE BARRAGE
V.1. Profil du barrage
V.2. Caractéristiques des matériaux
VI. RESULTATS GRAPHIQUES ET ANAYTIQUES DE LA MODELISATION
VI.1. Cas de noyau central
VI.1.1. Influence du module de déformation E des recharges du barrage
a. Contraintes
b. Déformations
c. Analyse des tassements différentiels entre le noyau et les recharges du barrage
VI.1.2. Influence de la base du noyau sur les déformations
VI.1.3. Influence de l’insertion des transitions autour du noyau du barrage
a. Cas d’une seule transition
b. Cas de plusieurs transitions
VI.2. Cas du noyau incliné
VI.2.1. Influence du module de déformation des recharges
a. Contraintes
b. Déformations
V. CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE

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