Soutenance mémoire
Classes des filtres
Les filtres peuvent être classés en plusieurs catégories : Classe 1 (Filtres de drainage) : Filtres dont le but est d’intercepter et de transporter les infiltrations principales au sein d’un barrage et de sa fondation. Ces filtres peuvent avoir à éliminer de grandes quantités d’infiltration pour les barrages sur des fondations perméables ou des barrages de mauvaise construction. De matériaux uniformément classés, typiquement en deux étapes. Le filtre doit répondre aux exigences tant pour le mouvement des particules que pour le drainage. Les drains tombent typiquement dans cette catégorie,
Classe 2 (Filtres de protection) : Filtres dont le but est de protéger le matériau de base contre l’érosion dans d’autres zones de remblai et de fournir une certaine fonction de drainage afin de contrôler la pression interstitielle dans le barrage. Ces filtres sont typiquement uniformément classés et en plusieurs étapes, Peuvent également être classés en grande partie et dans l’intérêt de réduire le nombre de zones pour faire la transition vers le matériau de base. Cette classe comprend les cheminées, les couvertures et les zones de transition sur le côté aval d’un barrage,
Classe 3 (Filtres d’étranglement) : Filtres dont le but est de soutenir le remplissage susjacent (le matériau de base) de se déplacer dans des fondations de travail perméables ou ouvertes. Ces filtres sont typiquement largement classés et ont une exigence seulement pour arrêter le mouvement de particules. Il n’y a aucune exigence de perméabilité,
classe 4 (bouchons de fissure sismique) : Filtres dont le but est de protéger contre les fissures qui peuvent se produire dans le noyau de remblai, en particulier causées par une charge sismique et / ou de grandes déformations. Les dimensions de cette classe de filtre sont contrôlées par déplacement prévu (horizontal ou vertical).Bien qu’il n’y ait aucune exigence de perméabilité pour ce type de filtre, il doit être relativement exempt de fines, de sorte que la zone elle-même ne subisse pas de fissures (FEMA, 2011).
Transitions intermédiaires
Un filtre est souvent employé comme transition entre un sol fin et un sol grossier. La transition agit comme filtre pour le sol fin et comme base pour le sol grossier. Lorsqu’un sol granulaire est employé comme transition, les mécanismes aux deux interfaces sont les mêmes. La migration du sol de transition dans le sol grossier, est empêchée par l’arrêt des particules à l’intérieur des pores du sol grossier, et par la formation de voûtes et par l’auto-filtration à l’interface. Ce n’est pas le cas lorsqu’un géotextile est utilisé. Les fibres d’un géotextile sont de diamètre semblable à ses pores. Le déplacement des fibres du géotextile dans le sol grossier est empêché par la tension des fibres au-dessus des pores du sol grossier, plutôt que par leurs dimensions. L’utilisation du géotextile permet un meilleur règlement de la distribution des pores, sans affecter la stabilité du filtre (CIGB ,1986).
On peut dire que les filtres et les drains sont des organes indispensables pour le bon fonctionnement des barrages en terre mais leur efficacité est étroitement liée à leur dimensionnement et au choix de leur emplacement. Certains types de drains ont des dimensions imposées par les conditions locales propres à chaque ouvrage tel que l’épaisseur de la zone imperméable sous le barrage, la hauteur du niveau aval ou encore le rôle du drain. Un bon drainage bien contrôlé est l’une des meilleures lignes de défense pour assurer la sécurité d’un ouvrage. A cet effet La capacité de ces drains doit être suffisante pour leur permettre d’absorber, sans mise en pression sensible, les débits provenant non seulement de la percolation normale à travers le noyau et la fondation, mais aussi les fuites accidentelles pouvant provenir d’une fissuration du noyau (créée par fracturation hydraulique ou tassement différentiel), ou d’un collage imparfait entre le noyau et sa fondation ou tout autre organe.
Si on plaçait les drains directement au contact des matériaux à granulométrie fine comme la terre à noyau (ou certaines fondations), l’eau en écoulement entraînerait les particules fines à travers les vides intergranulaires du drain et l’on obtiendrait une érosion interne nommée renard. Le phénomène de renard est d’autant plus dangereux qu’il est auto-accéléré : Le début de l’érosion augmente la perméabilité, donc augmente la vitesse de l’eau, ce qui accroît la vitesse d’érosion. La solution préventive consiste à disposer des filtres entre des matériaux à granulométries trop contrastées : Ce sont des matériaux de granulométries intermédiaires, choisies de telle sorte que les grains du matériau fin amont ne puissent pas pénétrer les vides intergranulaires du matériau filtre, et ainsi de suite : Que le filtre ne puisse pas pénétrer les vides du matériau drain, ou que le filtre fin ne puisse pas pénétrer les vides du filtre grossier, lequel devra ne pas pénétrer les vides du drain si celui-ci est très ouvert.
Risques de rupture des barrages en remblai
Les barrages en remblai (terre ou enrochements) étant au monde trois fois plus nombreux que les barrages en béton. Ils fournissent l’échantillon de rupture le plus significatif. De l’analyse des ruptures, on déduit que les ruptures par cisaillement, les seuls qu’on sache analyser par le calcul, ne représentent que 15% des cas. Il est donc clair que 85% des accidents des barrages en terre résultent de faiblesses qui ne pouvaient être couvertes par le traditionnel coefficient de sécurité. A elles seules, les actions érosives de l’eau, par insuffisance de capacité des évacuateurs ou défaut d’organe filtrant sont à l’origine de prés de 75% des accidents (Rouissat, 2007). Dans un ouvrage hydraulique, les particules fines peuvent être sujettes à des phénomènes d’arrachement et de transport sous l’action de l’écoulement interne. Cette migration, connue sous le nom d’érosion interne, va influencer la granulométrie et la porosité des matériaux constitutifs de l’ouvrage, ce qui va provoquer des variations au niveau des caractéristiques hydrauliques et mécaniques. Ceci peut engendrer une perte d’étanchéité, un renard, un glissement, un tassement, une surverse et au stade ultime la formation de la brèche. Ainsi, le risque de rupture par érosion interne augmente avec l’âge du barrage. Il est donc un mécanisme majeur responsable des instabilités constatées et est devenu l’une des préoccupations des spécialistes des ouvrages hydrauliques. Les désordres constatés sur des ouvrages récents soulignent la nécessité d’une meilleure compréhension et quantification des phénomènes qui régissent l’érosion interne et donc toutes les dispositions conceptuelles qui en résultent (Belarbi, 2015).
La suffusion groupe tous les processus d’érosion souterraine qui se traduisent par un enlèvement de matière sans intervention de la dissolution. L’écoulement entraîne les particules les plus petites à travers la matrice solide formée par les particules les plus grosses. La teneur en fines évolue dans le temps. Les zones qui ont perdu leurs fractions fines ont une perméabilité plus élevée, donc des vitesses d’écoulement plus élevées, ce qui peut initier un renard. Elles ont également une densité plus faible, ce qui peut provoquer un effondrement. Les zones colmatées par l’arrivée de ces fines ont une perméabilité qui diminue, induisant des pressions interstitielles plus élevées, ce qui peut conduire à des glissements. Un sol hétérogène, instable, dispersif ou à granulométrie étalée n’assurant pas l’autofiltration, est souvent à l’origine d’une suffusion. Elle peut être initiée dans le volume (suffusion interne) ou à l’interface de deux matériaux (suffusion externe) (Bonelli, 2001).
La sureté des barrages est le résultat d’une démarche technique aussi exigeante que leur conception, leur construction ou leur exploitation, et on ne peut l’en dissocier. Accroitre cette sureté est un objectif ambitieux puisque le nombre des barrages augmente et, par conséquent, le niveau des conséquences de leur rupture aussi. Il est pourtant nécessaire de l’atteindre parce que des vies sont en jeu. En outre, on perçoit clairement le danger que constituent les barrages comme un facteur négatif s’ajoutant aux nuisances souvent invoquées : pertes d’habitats, ennoiement de terres productives, suppression de rapides, modification du cycle naturel des rivières, altération de la qualité des eaux, brouillards. Le cumul, des degrés divers selon le projet, de tous ces éléments altère les objectifs des barrages et incite les organismes publics de financement ou de réglementions à redoubler de prudence avant de soutenir un nouveau projet ou la réfection d’un ancien ouvrage. Des accidents et ruptures de barrages en terre, il est retenu l’effet prépondérant des influences des infiltrations provoqué soit par des fuites excessives, des évolutions de pressions interstitielles et de gradients hydrauliques importantes ou des phénomènes d’érosion régressive. De ce fait, on conçoit l’importance des aspects conceptuels des organes dans le barrage ayant pour fonction de maîtriser tous les phénomènes sus-cités.
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Table des matières
CHAPITRE 1 : INFILTRATIONS DANS LES BARRAGES EN TERRE
INTRODUCTION GÉNÉRALE
I. INTRODUCTION
II. ÉCOULEMENT DE L’EAU DANS LE SOL
II.1. Types d’écoulement
II.1.1.Écoulements lents internes
II.1.2. Écoulements internes localement rapides
II.2. Lois de l’écoulement
II.2.1. La charge hydraulique
II.2.2. La loi de Darcy
II.2.3. Gradient hydraulique
II.2.4. Perméabilité
a. Perméabilité des milieux stratifiés
II.3. Écoulement isotrope et anisotrope
II.4. Expression de la pression d’écoulement
II.4.1. Contraintes totales
II.4.2. Contraintes effectives
III. INFILTRATIONS DANS LE CORPS DES BARRAGEs
III.1. Introduction
III.2. Détermination de l’équation de la ligne de saturation
III.2.1. Calcul numérique
III.2.2.Modèle électrique
III.2.3. Modèle graphique
III.3. Équation de la ligne de saturation
III.3.1. Distance entre les deux points d’intersection du plan d’eau avec la parabole théorique et le talus amont
a. Méthode de Casagrande
b. Méthode du changement du talus amont
c. Méthode de l’analogique électro- hydrodynamique
III.3.2.Détermination du point d’intersection de la ligne de saturation avec le talus Aval . 18
a. Méthode 1
b. Méthode 2
III.4. Évaluation de débit de fuite
IV. Les réseaux d’écoulement
IV.1. Utilité des réseaux d’écoulement
IV.1.1. calcul de la pression interstitielle
IV.2. Méthodes de détermination des réseaux d’écoulement
a. Méthode graphique
b. Méthode numérique
c. Méthode analogique électrique
V. CONCLUSION
CHAPITRE 2 : CONCEPTION DES DRAINS ET DES FILTRES DANS LES BARRAGES EN TERRE
I. INTRODUCTION
II. LES FILTRES
II.1. Définition
II.2. Classes des filtres
II.3. Rôle des filtres
II.4. Dimensionnement des filtres
III. les drains
III.1. Définition
III.2. Rôles des drains
III.3. Différents types de drainages et leur dimensionnement
III.3.1. Drain horizontal (tapis interne)
a. Définition
b. Dimensionnement
III.3.2. Drain vertical (drain cheminée)
a. Définition
b. Dimensionnement
III.3.3. Prisme de drainage
a. Définition
b. Dimensionnement
III.3.4. Drainage de surface
a. Définition
b. Dimensionnement
III.3.5. Prisme de drainage avec drainage de surface
a. Définition
b. Dimensionnement
III.3.6. Prisme de drainage avec drain tapis interne
a. Définition
b. Dimensionnement
III.3.7. Drainage à bande
a. Définition
b. Dimensionnement
III.3.8. Puits filtrants de décompression
a. Définition
b. Dimensionnement
IV. Utilisation des géotextiles comme filtre ou drain dans un barrage en terre
V. Différences entre les filtres de géotextiles et les filtres granulaires
V.1. Uniformité
V.2. Maintien de la continuité
V.3. Épaisseur
V.4 .Transitions intermédiaires
VI. Conclusion
CHAPITRE 3 : RISQUES DE RUPTURE DES BARRAGES EN REMBLAI
I. INTRODUCTION
II. QUELQUES ruptures MAJEURS, LEURS causes et leurs conséquences
II.1. Barrage south fork dam (Johnstown)
II.2. Barrage st Francis
II.3. Barrage de Vajont
II.4. Barrage de Baldwin Hills Reservoir
II.5. Barrage de Teton
II.6. Barrage San Fernando (USA)
II.7. Barrage Zeyzoun (Syrie)
II.8. Barrage Malpasset
II.9. Barrage Bouzey dans les Vosges (France)
II.10. Barrage de Banqiao et de Shimantan (Chine)
III. CAUSES DE RUPTURE des barrages
III.1. Causes techniques
III.2. Causes naturelles
III.3. Causes humaines
IV. mécanismes de rupture des barrages en remblai
IV.1. Rupture par érosion externe
IV.1.1. Affouillement
IV.1.2. Courants et choc des corps flottants
IV.2. Surverse
IV.3. Rupture par glissement
IV.4. Rupture par érosion interne
IV.4.1. Causes de la rupture des barrages en terre par érosion interne
a. Causes liées au compactage
b. Causes dues à la mauvaise liaison du noyau avec le contour
c. Causes liées à la fissuration du remblai
d. Causes provoquées par la conduite de vidange
IV.4.2. Gradient hydraulique et vitesse critique de percolation
IV.4.3. Développement de l’érosion interne
a. L’initiation
b. La filtration
c. Le développement des désordres
V. CONCLUSION
CHAPITRE 4 : AUSCULTATION DES BARRAGES POUR LA VALIDATION DE SON COMPORTEMENT PENDANT L’EXPLOITATION
I. introduction
II. surveillance
II.1. Principes généraux de la surveillance des barrages
III. inspection visuelle
III.1. Inspection visuelle de routine
III.2. Inspection à l’occasion des crues
III.3. Visites techniques approfondies
IV. vérification périodique du bon fonctionnement des organes hydrauliques
V. auscultation
V.1. Choix du dispositif d’auscultation
V.2. Mesure des conditions et des charges extérieures
V.2.1. Mesure de la côte du plan d’eau
V.2.2. Mesure de la température
V.2.3. Mesure des Précipitations
V.2.4. Niveau des sédiments
V.2.5. Sismologie
V.3.Mesures de grandeurs hydraulique
V.3.1. Mesure des pressions interstitielle
a. Piézomètres à tube ouvert
b. Cellules de pression interstitielle
V.3.2. Mesure des débits de fuite et de drainage
a. Mesure par capacité graduée
b. Mesure par seuil calibré
V.4. Analyse des mesures
V.4.1. Piézométrie et pression interstitielle
V.4.2. Débit de fuite
VI. CONCLUSION
CHAPITRE 5 : ANALYSE PARAMETREE DES INFILTRATIONS POUR L’OPTIMISATION DES DISPOSITIFS DE DRAINAGE DES BARRAGES EN TERRE
I. INTRODUCTION
II. MODÉLISATION DES INFILTRATIONS DANS LES BARRAGES EN TERRE
II.1. Présentation du logiciel servant à la modélisation
II.2. Domaine d’application
III. Analyse paramétrée des infiltrations
III.1. Barrage drainé horizontalement
III.1.1. Influence de la longueur du drain horizontal
III.1.2. Influence de l’anisotropie sur les paramètres d’écoulement
III.2. Barrage drainé verticalement
III.2.1. Influence de la hauteur du drain vertical
III.2.2. Influence de l’anisotropie sur les paramètres d’écoulement
III. Influence de la position du drain vertical
IV. conclusion
CONCLUSION GENERALE
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