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Rousselet Romain – Elève ingénieur de 5ème année INSA de Strasbourg - Spécialit

Rousselet Romain – Elève ingénieur de 5ème année INSA de Strasbourg - Spécialité Génie Civil Juin 2007 Projet de Fin d’Etudes : Modélisation de l’Erosion Interne dans les Barrages en Remblai Tuteur entreprise : Jean-Robert Courivaud, Ingénieur EDF Tuteur INSA de Strasbourg : Abdellah Ghenaim, Professeur des Universités Rousselet Romain GC5 Juin 2007 Rapport de PFE : Modélisation de l’érosion interne II REMERCIEMENTS Je tiens tout d’abord à remercier mon tuteur en entreprise, Jean-Robert COURIVAUD, pour m’avoir confié cette étude, pour m’avoir guidé et aidé tout au long de mon stage en montrant une grande disponibilité à mon égard et pour ses explications claires et passionnantes. Je remercie également Jean-Jacques FRY pour ses conseils et ses idées qui m’ont permis de compléter mes connaissances concernant le phénomène de renard. Je remercie aussi Jean BOULET, chef du service Expertise et Développement, pour m’avoir reçu au sein de son équipe. Je tiens à remercier Abdellah GHENAIM, tuteur de l’INSA Strasbourg, pour ses précieux conseils. Enfin, je remercie Roland, Jérôme et Grégory, stagiaires, pour leur sympathie et leur bonne humeur, ainsi que les autres personnes du service GC-ED et les membres du service SEGULA pour leur accueil chaleureux. Rousselet Romain GC5 Juin 2007 Rapport de PFE : Modélisation de l’érosion interne III SOMMAIRE Remerciements.........................................................................p.II Résumé......................................................................................p.1 Abstract ....................................................................................p.1 Introduction .............................................................................p.2 1 Présentation de l’entreprise .................................................p.3 1.1 Le groupe EDF.................................................................................................. p.3 1.2 Rapide historique............................................................................................... p.3 1.3 Chiffres clés....................................................................................................... p.3 1.4 Présentation du CIH .......................................................................................... p.4 1.5 Le CIH à l’international .................................................................................... p.6 1.6 Le Service Expertise et Développement ........................................................... p.6 2 Présentation du phénomène d’érosion interne ...................p.8 2.1 L’initiation......................................................................................................... p.8 2.1.1L’érosion régressive............................................................................................................. p.8 2.1.2 La suffusion ......................................................................................................................... p.8 2.1.3 La fuite concentrée.............................................................................................................. p.9 2.1.4 Erosion de contact............................................................................................................... p.9 2.2 La filtration........................................................................................................ p.9 2.3 Le développement des désordres ...................................................................... p.10 2.3.1 Le renard............................................................................................................................. p.10 2.3.2 La suffusion ......................................................................................................................... p.11 2.4 Les modes de rupture ........................................................................................ p.11 2.4.1 La rupture par renard ......................................................................................................... p.11 2.4.2 Rupture par suffusion.......................................................................................................... p.11 2.5 Conclusion......................................................................................................... p.12 3. Présentation du modèle du Cemagref pour l’évolution du renard..................................................................................p.13 3.1 Les équations de conservation........................................................................... p.13 3.2 Analyse critique du modèle............................................................................... p.14 Rousselet Romain GC5 Juin 2007 Rapport de PFE : Modélisation de l’érosion interne IV 3.2.1 Points forts .......................................................................................................................... p.14 3.2.2 Points faibles....................................................................................................................... p.14 3.3 Présentation du logiciel Renard du Cemagref................................................... p.15 3.3.1 Introduction au logiciel....................................................................................................... p.15 3.3.2 Méthode pour déterminer L, la longueur du conduit.......................................................... p.15 4. Modélisation de l’ouverture de la brèche (SIMBA) ..........p.17 4.1 Présentation du modèle ..................................................................................... p.17 4.2 Expansion de la brèche durant la vidange du réservoir .................................... p.18 5. Constitution des fiches de cas tests .....................................p.19 6. Analyse de la cinétique de l’érosion dans l’essai norvégien 3-03..........................................................................p.20 6.1 Evolution du renard........................................................................................... p.20 6.2 Evolution de la brèche....................................................................................... p.22 7. Validation du modèle du Cemagref....................................p.23 7.1 Validation par rapport à un essai HET et sensibilité du modèle....................... p.23 7.1.1 Validation du modèle .......................................................................................................... p.23 7.1.2 Etude de la sensibilité du modèle aux paramètres d’entrée................................................ p.25 7.1.2.1 Sensibilité par rapport à τc..............................................................................................................................p.26 7.1.2.2 Sensibilité par rapport à ker ............................................................................................................................p.27 7.1.3 Influence du choix du mode de calcul ................................................................................. p.28 7.2 Essai norvégien.................................................................................................. p.30 7.2.1 Présentation du choix des paramètres d’entrée.................................................................. p.30 7.2.2 Calage des paramètres ker, τc et fb pour cet essai ............................................................... p.31 7.2.3 Sensibilité par rapport à τc et ker pour cet essai ................................................................. p.32 7.2.3.1 Sensibilité par rapport à τc ........................................................................................................ p.32 7.2.3.2 Sensibilité par rapport à ker ............................................................................................................................p.34 7.2.4 Quelques remarques............................................................................................................ p.34 7.2.5 Influence du mode de calcul sur l’essai norvégien ............................................................. p.35 8. Relation entre les coefficients ker et kd................................p.37 8.1 Etablissement de la relation............................................................................... p.37 8.2 Etude dimensionnelle........................................................................................ p.37 8.3 Correspondance entre les valeurs de ker et kd des matériaux utilisés dans les essais HET et de la moraine de l’essai norvégien, puis classement par rapport au critère de G.Hanson................................................................................................. p.38 8.4 Analyse des valeurs des coefficients d’érodabilité ........................................... p.40 9. Proposition d’un nouveau modèle d’ouverture de brèchep.41 9.1 Présentation des données d’entrée .................................................................... p.41 9.2 Présentation des données de sortie.................................................................... p.43 Rousselet Romain GC5 Juin 2007 Rapport de PFE : Modélisation de l’érosion interne V 9.3 Présentation du code de calcul et des lois de physique choisies....................... p.43 9.4 Tests de validation du modèle de brèche .......................................................... p.43 9.4.1 Essai norvégien 1-03........................................................................................................... p.44 9.4.2 Essai norvégien 3-03........................................................................................................... p.46 9.4.3 Barrage de Banqiao ............................................................................................................ p.47 9.4.4 Barrage d’Oros ................................................................................................................... p.49 9.4.5 Essai norvégien 1-01........................................................................................................... p.51 9.4.6 Simulation d’une ouverture de brèche sur un barrage réel en enrochements.................... p.52 9.4.7 Tests de sensibilité sur l’essai norvégien 1-01 et barrage de 9.4.6 .................................... p.54 9.4.7.1 Essai norvégien 1-01......................................................................................................................................p.54 9.4.7.2 Le barrage de 9.4.6.........................................................................................................................................p.55 10. Proposition d’une amélioration du modèle du Cemagref ..................................................................................p.57 10.1 Présentation des données d’entrée .................................................................. p.57 10.2 Présentation des données de sortie.................................................................. p.58 10.3 Présentation du code de calculs et des lois de physique choisies ................... p.58 10.3.1 Evolution du rayon............................................................................................................ p.58 10.3.2 Calcul de la longueur du conduit...................................................................................... p.59 10.3.3 Calcul du débit sortant...................................................................................................... p.59 10.3.4 Présentation du calcul....................................................................................................... p.60 10.4 Comparaison du modèle avec l’essai norvégien 3-03..................................... p.60 Conclusion ................................................................................p.63 Bibliographie............................................................................p.64 Rousselet Romain GC5 Juin 2007 Rapport de PFE : Modélisation de l’érosion interne 1 RESUME Sous l’action d’un écoulement interne provenant du réservoir, les particules fines d’un ouvrage hydraulique peuvent être sujettes à des phénomènes d’arrachement et de transport. Cette migration, connue sous le nom d’érosion interne, va influer sur la granulométrie et sur 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 une formation de brèche. Ainsi, l’érosion interne est la cause de 46% des ruptures de barrages en remblai et donc responsable de désastres humains et financiers. Par exemple, la rupture du barrage de Teton en 1976 a causé la mort de 14 personnes et a coûté 400 millions de dollars de dégâts. C’est pourquoi, il est primordial de comprendre les processus qui conduisent à ce phénomène et de développer un modèle qui permettrait de prévoir l’hydrogramme de brèche et les paramètres de rupture afin de définir des dispositifs de sûreté efficaces et d’optimiser la maintenance des ouvrages. Contribuer à ce travail a été le but de mon projet de fin d’études, puisqu’après avoir étudié un modèle de renard existant, celui du Cemagref, j’ai tenté de l’améliorer, puis ai créé un modèle d’ouverture de brèche. Mots clés: Barrage en remblais, digue, érosion interne, renard hydraulique, formation de brèche, rupture, modélisation. ABSTRACT Under an internal flow coming from the reservoir, some particles are pulled up and transported. This migration, named internal erosion, affects some physical properties of the material such as the grain size distribution and the porosity which can lead to slight changes of the hydraulic and mechanical characteristics of the dam. Those fluctuations may entail a loss of watertightness, a piping, an instability, a settlement, an overtopping which can lead to the breaching of the dam. Moreover, internal erosion is the cause of 46% of embankment dam failures and the responsible of human and financial disasters. For example, Teton Dam’s failure which happened in 1976 caused the death of 14 people and 400 million dollars in damage. That’s why it is very important to understand the processes leading to this phenomenon and then, to develop a model which would enable to predict the breach hydrogram and the failure parameters in order to plane effective safety measures and improve the maintenance of the structures. To contribute to this work was the aim of my project: after having tested a model of piping made by the Cemagref, I tried to improve it and to create an other one for the phenomenon of breaching. Key words: Embankment dam, dike, internal erosion, piping, breaching, failure, modelling. Rousselet Romain GC5 Juin 2007 Rapport de PFE : Modélisation de l’érosion interne 2 INTRODUCTION : En présence d’eau, les ouvrages en terre peuvent subir des dommages irréversibles suivant trois mécanismes principaux : • Le glissement • La surverse • L’érosion interne. Foster M-A, Fell R. et Spannagle M. [1] précisent que statistiquement, 6% des accidents sont dus à des glissements, 46% à l’érosion interne et 48% à la surverse. Le risque de rupture par érosion interne augmente avec l’âge du barrage. L’érosion interne est donc un mécanisme majeur responsable des instabilités constatées sur site et est devenue l’une des préoccupations des spécialistes des ouvrages hydrauliques dans des pays où le parc des installations est vieillissant (Etats-Unis, Europe,…). En France, de 1970 à 1995, plus de 70 manifestations d’érosion interne (étude non exhaustive, le chiffre pourrait être doublé) ont été recensées par le Comité Français des Grands Barrages sur l’ensemble des barrages ainsi que sur les digues d’aménagement hydroélectriques (soit 550 grands barrages, plusieurs milliers de petits barrages et plus de 13000 km de digues).[2] Les levées et les barrages de protection contre les crues apparaissent comme les plus fragiles. Leur fragilité est inhérente au caractère exceptionnel de la crue, à leur réalisation souvent ancienne et aux moyens de surveillance souvent très limités. [2] Seize brèches uploads/s1/ etude-de-l-x27-erosion-interne 1 .pdf