Nouvelles techniques et outils pour les études de stabilité au glissement des barrages-poids incluant les effets de la rugosité des surfaces des fondations

«RÉSUMÉ:L’amélioration des méthodes d’évaluation de la stabilité des barrages-poids demeure un sujet majeur de recherche en ingénierie civil depuis plusieurs décennies. Les interfaces barrage-fondation sont généralement considérées comme des plans de faiblesse où la rupture peut être déclenchée par différents types de charges, telles que la poussée des glaces, les crues et les séismes. Cette thèse expose les avancées et les travaux pour mener une investigation originale et détaillée des effets de la rugosité des interfaces barrage-fondation de grande échelle sur leur résistance au cisaillement. Ce travail a aussi permis la proposition de divers outils et techniques novatrices pour inclure les effets de la rugosité des fondations rocheuses dans les analyses de stabilité de barrages-poids. Pour se faire, des relevés bathymétriques et de LiDAR ont été menés sur les surfaces de fondations rocheuses existantes à proximité des sites de barrages en béton. Ces relevés ont permis d’obtenir des géométries réalistes d’interfaces barrage-rocher avec des degrés de rugosité différents. Les profils rocheux extraits ont été incorporés dans des modèles d’éléments finis non linéaires afin d’analyser la stabilité de barrages-poids de différentes tailles. L’analyse détaillée de la réponse non linéaire des interfaces barrage-fondation a été réalisée en considérant des paramètres tels que l’angle de friction limite, le facteur de sécurité au glissement, l’angle de dilatance, les ouvertures au niveau de l’interface béton-rocher, les déplacements dans les barrages et les contraintes de cisaillement. Cette recherche démontre notamment que la rugosité globale le long des interfaces barrage-rocher améliore considérablement la résistance au cisaillement. De plus, la présence de clés de cisaillement naturelles à l’interface barrage-fondation peut améliorer Considérablement la stabilité au glissement des barrages-poids. Cependant, cet effet est sensible à la fois à la taille du barrage et aux propriétés mécaniques de la roche. Il est intéressant de noter que l’impact des paramètres de résistance de la fondation rocheuse devient plus important lorsque l’interface barrage-fondation présente des clés de cisaillement naturelles prédominantes. Cette thèse présente une approche progressive qui permet d’évaluer les caractéristiques de la rugosité des interfaces barrage-rocher à grande échelle et d’intégrer leurs effets dans des analyses pratiques de stabilité des barrages. L’approche implique une série de trois étapes d’analyse à complexité ascendante : (i) la méthode gravitaire (MG); (ii) la méthode des éléments finis (MEF) avec une interface horizontale simplifiée ; et (iii) la MEF modélisant une géométrie détaillée des aspérités. Dans les deux premières étapes de l’approche, la géométrie des fondations rocheuses est simplifiée puis de la cohésion et des angles de frictions apparents sont introduits. Ces paramètres sont évalués sur la base d’un critère de résistance au cisaillement non linéaire proposé, ainsi qu’un coefficient de rugosité d’interface (Interface Roughness Coefficient - IRC) qui caractérise la rugo-sité de l’ensemble de l’interface barrage-rocher. Dans ce projet, l’IRC est définit numériquement à l’aide de modèles d’éléments finis. L’approche progressive est aussi illustrée avec des exemples de divers systèmes barrage-fondation typiques et de profils rocheux provenant des relevés topographiques. Les résultats démontrent que l’impact de la rugosité des fondations rocheuses sur la stabilité au glissement du barrage peut être efficacement considéré en utilisant des angles de friction et cohésion apparents. La simplicité et l’efficacité de l’approche proposée favoriseraient son adoption par les ingénieurs praticiens.»

Abstract

«ABSTRACT: Over the past several decades, enhancing methods for assessing the stability of gravity dams has been a significant focus in civil engineering research. Dam-foundation interfaces are generally regarded as vulnerable zones where failure can occur due to various extreme forces, including ice thrust, floods, and earthquakes. This thesis introduces the advancements and work done to carry out a novel, thorough investigation into how the large-scale roughness of dam-foundation interfaces impacts their shear strength. Additionally, this work has led to the development of innovative tools and techniques for incorporating the effects of rock foundation roughness into stability analyses. To achieve this objective, Bathymetric and Light Detection and Ranging (LiDAR) surveys were conducted on existing rock foundation surfaces near operational dam sites. These surveys yielded realistic dam-rock interface geometries with varying degrees of roughness. The resulting rock profiles were then incorporated into nonlinear Finite Element (FE) models for stability analyses of gravity dams differing in size. The comprehensive analysis of the non-linear response at dam-rock interfaces considers parameters such as limit friction angles, sliding safety factors, dilation angles, apertures, dam displacements, and shear stresses. Notably, the research demonstrates that overall roughness along dam-rock interfaces significantly enhances their shear strength. Additionally, the presence of natural local shear keys at the dam-rock interface can substantially improve the sliding stability of gravity dams. However, this effect is sensitive to both dam size and rock mechanical properties. Interestingly, the impact of rock strength parameters becomes more pronounced when the rock foundation surface features prominent natural shear keys. This thesis introduces a progressive approach for evaluating the characteristics of large-scale roughness at dam-rock interfaces and integrating their effects into practical dam stability analyses. The approach involves a series of three steps, with each analysis increasing in complexity. Depending on the application, the approach starts with the simplest, and moves up as required to the most complex. The analyses in order are: (i) Gravity Method (GM); (ii) Finite Element Method (FEM) with simplified horizontal interface; and (iii) Detailed FEM with irregular interface geometry. In the first two steps, the rock foundation geometry is simplified, and apparent cohesion and friction angles are introduced into the models. These parameters are evaluated based on a proposed nonlinear shear strength criteria, along with an Interface Roughness Coefficient (IRC) that characterizes the roughness of the entire dam-rock joint. In this work, the IRC is numerically approximated using FE models. The progressive approach is exemplified through various typical dam-rock systems and rock profiles derived from the bathymetric and LiDAR surveys. The results demonstrate that the impact of rock foundation roughness on dam sliding stability can be effectively captured using apparent cohesion and friction angles. The simplified models, while conservative, are likely to find favor among practicing engineers due to their practical effectiveness.»