Nouvelle stratégie de modélisation numérique générant des hydrogrammes probabilistes de rupture par submersion de barrage en remblai adaptée au cadre normatif

This doctoral thesis proposes a new numerical modeling strategy generating probabilistic hydrographs of overtopping embankment dam failure adapted to the current normative framework. In Quebec and around the world, the current legislative and regulatory framework leaves to the discretion of dam owners, the definition of the failure scenario used to determine the dam failure hydrograph. In the current dam failure studies, the routing of this dam failure hydrograph makes it possible to standardize the mapping of the flood zones necessary for the consequences’ evaluation. The formulation of the "breach" scenario is based on assumptions describing the shape of the breach (e.g. trapezoidal, rectangular), the breach’s location (e.g. at the center of the structure) and the time formation of the final breach. In practice, engineers use normative frameworks to define a failure scenario, deemed the “most critical”, to model the “breach” routing scenario. Although for concrete dams the complete and almost instantaneous rupture scenario is a little tainted with uncertainties, in the case of embankment dams, it’s the evolutive and progressive process involved in the breach formation of an embankment dam failure that introduces unquantifiable and unconsidered uncertainties into current dam safety studies. The probabilistic approach developed uses the Monte Carlo method to quantify the uncertainties related to the standardized failure parameters (ratio of the bottom width on the dam height, formation time and average breach slope) in order to translate the uncertainties of the standardized failure hydrograph. The probability sampling relies on a sample of historical overtopping embankment dam failure case studies recording the three standardize failure parameters to generate random normalized failure scenarios. The Monte Carlo integration and analysis of uncertainties are carried out with the probabilistic model developed in this thesis. To do so, the strategy was carried out by compiling the largest historical dam failure database currently available in the literature (Bernard-Garcia and Mahdi, 2020) and which has been the subject of various publications. This served as an input in the probabilistic model of overtopping embankment dam failure which was programmed, developed, and compiled in a software entitled PROBABREACH (Version 1.0, 2022) using Matlab. This program has the advantage of having been coupled with a user interface facilitating its use and is supplied with a user’s guide.»

Résumé

Cette thèse de doctorat propose une nouvelle stratégie de modélisation numérique générant des hydrogrammes probabilistes de rupture par submersion de barrage en remblai adaptée au cadre normatif. Le cadre législatif et règlementaire du Québec et mondial actuel laisse à la discrétion des gestionnaires de barrage le choix du scénario de rupture considéré lors du traçage des cartes d’inondation en cas de rupture de barrage. La formulation de ce scénario « avec bris » s’appuie sur des hypothèses définissant la forme de la brèche (ex. trapézoïdale, rectangulaire, etc.), la localisation de la brèche (ex. au centre du barrage) et le temps de formation de la brèche finale. En pratique les ingénieur.e.s utilisent des cadres normatifs, traduisant un scénario de rupture normé jugé le « plus critique », afin de modéliser le scénario de laminage « avec bris ». Bien que pour les barrages en béton le scénario de rupture complet et quasi instantané soit peu entaché d’incertitudes, dans le cas des barrages en remblai c’est en regard au processus évolutif et progressif de l’évolution de la rupture du barrage qu’il existe des incertitudes non quantifiables et non considérées dans les études de sécurité de barrages actuelle. L’approche probabiliste développée dans cette thèse utilise la méthode de Monte Carlo afin de traduire les incertitudes rattachées aux paramètres de rupture normé (ratio de la largeur à la base sur la hauteur du barrage, temps de formation et pente des berges) afin de traduire l’incertitude sur l’hydrogramme de rupture normé. L’échantillonnage probabiliste s’appuie sur les cas historiques de rupture par submersion de barrage en remblai enregistrant les trois paramètres de rupture normé, afin de générer des scénarios de rupture normés aléatoire. L’intégration de Monte Carlo et l’analyse des incertitudes sont réalisées par l’entremise d’un modèle probabiliste développé dans le cadre de cette thèse. Pour ce faire, la stratégie a été réalisée en compilant la plus importante base de données de cas historique de rupture de barrages actuellement disponible dans la littérature (Bernard-Garcia and Mahdi, 2020) et qui a fait l’objet de diverses publications. Celle-ci sert d’intrant dans le modèle probabiliste de rupture par submersion de barrage en remblai qui a été programmé, développé et compilé dans un programme intitulé PROBABREACH (Version 1.0, 2022). Ce programme a l’avantage d’avoir été couplé à une interface utilisateur facilitant son utilisation et est fourni avec un guide utilisateur.»