Stabilité structurale des barrages-poids en béton : étude de fissuration et comparaison des indicateurs de performance entre la méthode de gravité et la méthode des éléments finis

«Ce mémoire de recherche explore en profondeur la stabilité 2D des barrages-poids en béton soumis à des charges hydrostatiques extrêmes. Ces structures, essentielles à la gestion des ressources hydriques, sont particulièrement vulnérables aux fissurations et aux défaillances progressives causées par l’évolution des contraintes, notamment sous l’effet de la montée du niveau d’eau et des sous-pressions. L’étude s’inscrit dans un contexte où les changements climatiques accentuent les risques liés à des scénarios hydrologiques extrêmes, rendant cruciale une compréhension détaillée des mécanismes de fissuration et de défaillance. L’objectif principal est d’évaluer et de comparer deux approches d’analyse de la stabilité : la méthode de gravité, largement utilisée pour sa simplicité et son efficacité, et la méthode des éléments finis (MEF), plus complexe mais offrant une modélisation détaillée des mécanismes de fissuration, notamment des fissures plongeantes dans le corps du barrage sous l’effet des contraintes de cisaillement et des effets des sous-pressions. Cette recherche vise à combler les lacunes des méthodes traditionnelles, qui adoptent souvent des hypothèses conservatrices et ne tiennent pas toujours compte des fissures complexes se développant dans le corps du barrage. Le travail est structuré en plusieurs volets. Tout d'abord, la méthode de gravité est appliquée pour un barrage de 17 m en utilisant différentes approches : (i) augmentation progressive du niveau d’eau, (ii) augmentation de la densité de l’eau, et (iii) réduction de la résistance au cisaillement. Les résultats montrent que la méthode de gravité fournit des indicateurs de sécurité fiables, mais ne capture pas pleinement l’étendue des mécanismes de fissuration observés dans les analyses par la MEF avec le logiciel Abaqus. Avec la MEF, appliquée par une série d’analyses linéaires élastiques où on élimine les éléments avec une contrainte de traction excessive, la longueur des fissures est significativement plus grande que celle calculée par la méthode de gravité, bien que les facteurs de sécurité au glissement restent comparables Ceci met en lumière la nécessité d’intégrer des éléments de contact ou des lois de comportement non linéaires pour une modélisation réaliste.»

Abstract

«This research thesis provides an in-depth exploration of the stability of concrete gravity dams subjected to extreme hydrostatic loads. These critical structures, essential for water resource management, are particularly vulnerable to cracking and progressive failure caused by increasing stresses, especially due to rising water levels and uplift pressures. The study is set within the context of climate change, which rises risks related to extreme hydrological scenarios, underscoring the need for a detailed understanding of failure and cracking mechanisms. The primary objective is to evaluate and compare two stability analysis approaches: the gravity method, widely used for its simplicity and efficiency, and the finite element method (FEM), a more complex approach capable of detailed modeling of cracking mechanisms, including plunging cracks in the dam body due to the presence of shear stresses and uplift effects. This research aims to address the limitations of traditional methods, which often adopt conservative assumptions and fail to account for complex cracks propagating within the dam body. The study is structured into several parts. First, the gravity method is applied to a 17 m dam using different approaches: (i) progressively increasing water levels, (ii) increasing water density, and (iii) reducing shear strength. The results show that while the gravity method provides reliable safety indicators, it does not fully capture the extent of cracking mechanisms observed in FEM analyses with computer program Abaqus. With FEM applied by a series of elastic linear analyses where elements with excessive tensile stress are removed, crack lengths are significantly larger than with the gravity method, even though sliding safety factors remain comparable. This highlights the need to incorporate contact elements or nonlinear material behavior models for realistic simulations.»