Étude expérimentale de l'initiation de la rupture des digues en enrochement par surverse

L'enrochement est le matériau de construction le plus abondant. Il est souvent utilisé pour la rétention de l'eau sous différents contextes, tels que les barrages, les digues ou les systèmes de drainage. À cause des changements climatiques, on pourrait assister à des augmentations de niveau d'eau dans les réservoirs en amont de ces ouvrages. La hausse des niveaux d'eau mettra en danger la stabilité des ouvrages en enrochement, qui ne sont pas capables de supporter de forts débordements, ainsi que la vie des habitants à leurs proximités. Ce travail de recherche s'intéresse au développement d'une relation empirique qui permet de déduire la hauteur d'eau critique de surverse par-dessus la crête à partir des paramètres géométriques et physiques de digues. De plus, afin d'estimer le débit s'écoulant à travers les enrochements, qui sont constitués de matériaux très perméables où le régime d'écoulement est généralement turbulent et la relation de Darcy n'est pas applicable, il a été nécessaire de bien analyser les phénomènes hydrauliques dans une digue expérimentale. Dans le but d'atteindre les objectifs visés, dans un premier temps, des essais ont été réalisés dans le canal hydraulique du laboratoire hydro-environnemental de l'École Polytechnique de Montréal sur un modèle de digue en enrochement avec un noyau étanche intégré. À l'aide de ces essais, l'initiation de la brèche dans la couche d'enrochement de la digue, sous l'influence de différentes variables, telles que la granulométrie de l'enrochement, la pente du parement aval et la pente du lit du canal a été étudiée. Les résultats ont révélé des tendances linéaires d'une part entre la hauteur critique de surverse et la pente du parement aval et d'autre part entre cette hauteur critique et la pente du lit. Par ailleurs, une tendance de type puissance a été observée entre la hauteur critique de surverse et la granulométrie de l'enrochement. Ces résultats ont permis de développer la relation empirique recherchée. Dans un deuxième temps, une revue de littérature a permis d'analyser les formules empiriques les plus utilisées pour caractériser la relation non-linéaire entre le gradient hydraulique et la vitesse d'infiltration d'écoulement dans les enrochements. Ces formules permettent de déterminer le débit d'infiltration correspondant aux flux nets passant à travers la digue. Pour chacune de ces relations empiriques, certains paramètres caractérisant l'enrochement doivent être déterminés, tels que le rayon hydraulique moyen, la porosité et la granulométrie.

Abstract

Rockfill is the most abundant building material. It is often used for water retention under different contexts, such as dams, embankments or drainage systems. Climate change may cause water level rising in reservoirs. As rockfill structures are not able to resist strong overtopping flow, rising water levels will constitute a danger for rockfill dam stability as well as for people living nearby. This work aimed the development of an empirical formula that allows calculation of critical water level of overflow at the crest from dam geometrical and physical parameters. Since rockfill is a highly permeable material where flow regime is usually turbulent, the common Darcy's relationship cannot be applied to estimate flow rate through it. Therefore, it was necessary to investigate the hydraulic phenomena in a laboratory dam model to accurately estimate flow rate through rockfill. To achieve these objectives, during the first part of this work, several experimental tests on a rockfill dam model with impervious core were conducted in the hydraulic channel of the hydro-environmental laboratory at the École Polytechnique of Montréal. The purpose of these tests was to study the initiation of riprap failure under the influence of different variables, such as rock size, riprap bank downstream side slope and bed slope. Results showed linear trends between critical water level and both downstream side slope and bed slope. Also, a power trend was observed between critical level and riprap grain size. The formula to calculate the critical water level of overtopping was developed from these results. In a second step, a literature review aimed at analyzing the empirical relationships commonly used to characterize the nonlinear relationship between bulk velocity and hydraulic gradient. These relationships are essential to determine the infiltration rate corresponding to the net flows passing through the dam. These empirical relationships contain parameters characterizing the embankment material, such as mean hydraulic radius, porosity and particle size. To choose a suitable relationship to describe the flow through the experimental dam, two types of permeability tests were performed. The first one is a unidirectional flow test through rockfill in a permeameter, while the second test is based on the analysis of bidirectional flow through the experimental dam with an impervious core constructed with the same rocks.