EFFET DE LA PRESSION INTERSTITIELLE SUR LES RUPTURES DES BARRAGES
INTRODUCTION
La technique de construction des barrages en terre est de plus en plus privilรฉgiรฉe, mรชme si elle est rรฉcente, elle ne cesse dโรฉvoluer, seulement beaucoup de phรฉnomรจne influent sur leur comportement.
Une telle construction pose des problรจmes nombreux et dรฉlicats auxquels sont confrontรฉs gรฉotechniciens et mรฉcaniciens des sols. Ces problรจmes sont liรฉs en partie ร la filtration au sein du corps de lโouvrage, qui entraรฎne des difficultรฉs ร assurer la stabilitรฉ des remblais, soumis en plus, dans le cas de barrage, aux effets du remplissage du rรฉservoir. Les rรฉpercussions de l’รฉcoulement dans le corps de digue, sur la stabilitรฉ globale de l’ouvrage posent, en particulier, un problรจme de conception des talus sur sols, qui se traduit par des tassements et des dรฉformations importants. Ils doivent รชtre pris en compte dans lโรฉtude de la pression interstitielle, pendant la construction et la mise en service pour assurer en tout temps une revanche en crรชte suffisante et garantir la sรฉcuritรฉ contre le risque de glissement et dโรฉrosion.
ETUDE DE LA PRESSION INTERSTITIELLE
Lโeau contenue dans le sol se trouve sous diffรฉrentes formes :
๏ท Lโeau de constitution, qui entre dans la composition chimique des grains ;
๏ท Lโeau liรฉe ou adsorbรฉe est la fine pellicule dโeau qui est ยซ collรฉe ยป aux grains par des phรฉnomรจnes รฉlectriques.
๏ท Lโeau interstitielle : eau capillaire et eau libre.
Lโeau interstitielle se prรฉsente sous forme dโeau libre lorsque le sol est saturรฉ et baigne dans une nappe phrรฉatique. (ROUISSAT, 2014)
Lโeau liรฉe est maintenue ร la surface des grains par des forces dโattraction molรฉculaire (le dipรดle H2O sโoriente perpendiculairement ร la surface du grain). Ces forces diminuent rapidement et on admet quโelles sont nรฉgligeables ร partir dโune distance de 0.4 ฮผ.
Lโeau liรฉe ร une trรจs forte densitรฉ : 1.5. Elle peut contenir de nombreux ions. Elle ne transmet pas les pressions hydrostatiques et ne se dรฉplace pas sous lโeffet de la gravitรฉ.
Elle est รฉgalement caractรฉrisรฉe par une viscositรฉ trรจs รฉlevรฉe qui est ร lโorigine de certains comportements des sols argileux : fluage, compression secondaire, etc.
Lโeau libre est suffisamment รฉloignรฉe des particules solides pour nโรชtre soumise quโร lโaction de la gravitรฉ.
On peut y rattacher lโeau capillaire. Celle-ci nโexiste quโen prรฉsence dโune phase gazeuse, puis quโelle provient de la tension qui se dรฉveloppe ร lโinterface air-eau. Elle sโรฉlรจve audessus de la surface dโune nappe libre, pour former la frange capillaire. Elle est soumise ร lโaction de la gravitรฉ et elle transmet les pressions. (RAT et JOSSEAUME) Cette eau est soumise aux lois des รฉcoulements hydrauliques.
Lโeau interstitielle est sous forme dโeau capillaire au-dessus de la nappe. Lโeau capillaire est en รฉquilibre, dโune part entre les forces de gravitรฉ et dโautre part les forces de tension qui se dรฉveloppent ร lโinterface eau/air.
Les eaux libre et capillaire sont situรฉes dans les pores et interstices du sol. La pression interstitielle est la pression existante dans lโeau interstitielle, en un point quelconque du massif de sol. Elle est positive dans lโeau libre et nรฉgative dans lโeau capillaire.
Ce qui est, toujours et dans tous les cas, essentiel de connaรฎtre est le niveau de la nappe phrรฉatique dans le sol. En effet les pressions qui en rรฉsultent gรฉnรจrent des forces immรฉdiatement applicables sans marge de tolรฉrance pour les ouvrages. (ROUISSAT, 2014)
Ces pressions interstitielles peuvent varier avec le temps par nombreux facteurs tel que la permรฉabilitรฉ, la charge hydrostatique et les conditions de drainage.
Les dรฉgรขts causรฉs par cette variation notamment lโaugmentation sont trรจs graves (peut causer la rupture dโun barrage), donc nous sommes appelรฉs ร analyser cette variation durant la rรฉalisation aussi pendant lโexploitation du barrage.
Comportement du barrage pendant la construction
La construction ne pose pas de rรฉelles difficultรฉs lorsque les matรฉriaux constitutifs sont permรฉables. En revanche, elle est certainement la phase la plus critique des barrages en argile. En effet, lโargile doit avoir une teneur en eau suffisante pour รชtre plastique et assurer lโรฉtanchรฉitรฉ. Mais comme lโargile est trรจs compressible, elle reportera les contraintes de la construction sur son eau interstitielle, qui montera en pression sous la charge du remblai : Mondรฉly en 1981, Mirgenbach en 1982 et Carsington en 1984. Dans les cas les plus extrรชmes, la pression interstitielle atteint le poids des terres, annule la contrainte effective et crรฉe une fracturation hydraulique sur une section horizontale.(CFBR, 2010).
Pour les zones de faible permรฉabilitรฉ, lโรฉvolution des pressions interstitielles doit รชtre surveillรฉe en cours de rรฉalisation. Lโaugmentation trop rapide des contraintes (due ร la montรฉe de lโouvrage) provoque une augmentation des surpressions interstitielles qui nโont pas eu le temps de sโรฉvacuer. Ceci traduit le frottement des matรฉriaux et donc la stabilitรฉ de lโouvrage. (Al-HOMOUD et TANAH, 2001).
Il est alors nรฉcessaire de rรฉaliser une รฉtude de contraintes effectives, afin de dรฉterminer lโapparition et lโรฉvolution des pressions interstitielles en fonction des รฉtapes de la construction des essais triaxiaux avec mesures de la pression interstitielle reproduisant le chemin des contraintes permettant de mener ร bien ce type dโรฉtude.
Lโanalyse en contraintes effectives permet รฉgalement de dรฉfinir des critรจres dโalerte afin de ralentir ou dโarrรชter temporairement la montรฉe de la digue, si les pressions interstitielles mesurรฉes rรฉellement deviennent trop รฉlevรฉes et mettent au pรฉril la stabilitรฉ de lโouvrage. Le suivi des travaux ร lโaide dโune instrumentation adaptรฉe est indispensable car le dรฉveloppement des pressions interstitielles est ร lโorigine dโun certain nombre de ruptures intervenues en cours de construction. (PHILIPPONNAT et HUBERT, 1998).
Pour les barrages en remblai, on doit procรฉder ร la mesure continue des valeurs des pressions interstitielles sur les cellules installรฉes dans le remblai eu fur et ร mesure de sa montรฉe. Les rรฉsultats sont comparรฉs aux valeurs dรฉterminรฉes lors du projet, et les paramรจtres ajustรฉs aux rรฉsultats trouvรฉs. Si des รฉcarts importants sont dรฉtectรฉs par rapport au modรจle initial, ils sont aussitรดt analysรฉs, ce qui peut conduire soit ร rรฉviser ce modรจle, soit, si le risque est confirmรฉ, ร prendre les prรฉcautions qui sโimposent sur le chantier (rรฉduction de la teneur en eau, diminution de la cadence de mise en place des terres, modification du traitement des surfaces de reprise en fonction des conditions mรฉtรฉorologiques,โฆ) (KHANH, 2010)
Stabilitรฉ du barrage
Pendant la pรฉriode construction, la stabilitรฉ dโun barrage en terre peut รชtre compromise :
๏ท Lorsque la capacitรฉ portante, du sol de fondation est insuffisante, cโest-ร -dire lorsquโil comporte une (ou plusieurs) couche argileuse peu ou moyennement consistante. Le temps de consolidation dโune telle couche sous le poids du corps de digue est trรจs supรฉrieur ร la durรฉe de la construction. On se trouve donc sensiblement dans les conditions dโun chargement non drainรฉ et la rรฉsistance au cisaillement mobilisรฉe dans lโargile et sa cohรฉsion non drainรฉe Cu. si lโargile est peu consolidรฉe Cu ne peut รฉquilibrer les efforts de cisaillement transmis par une digue de hauteur moyenne.
Si la couche argileuse est peu รฉpaisse et se situe ร faible profondeur, on a intรฉrรชt ร lโenlever. Dans le cas contraire on est amenรฉ ร prendre une ou plusieurs des mesures suivantes :
– Construction du corps de digue en plusieurs รฉtapes,
– Accรฉlรฉration de la consolidation des sols argileux au moyen des drains de sable verticaux,
– Adoucissement des pentes des talus.
๏ท Lorsque des pressions interstitielles excessives se dรฉveloppent dans le corps de digue, cโest-ร -dire lorsque celui-ci est constituรฉ en grande partie de sol fin argileux de teneur en eau รฉlevรฉe et suffisamment impermรฉables pour quโaucun drainage ne se produise pendant la construction.(JOSSEAUME, 1968).
Lorsquโune couche de sol fin argileux vient dโรชtre compactรฉe (gรฉnรฉralement ร lโรฉnergie Proctor normal), elle nโest pas saturรฉe et contient un certain volume dโair. La pression interstitielle y est donc nรฉgative. Pendant la construction du corps de digue, le sol se comprime sous le poids des couches supรฉrieures. Son volume des vides dรฉcroit et lโair interstitielle se dissout dans lโeau. Le degrรฉ de saturation augmente et peut, le cas รฉchรฉant, devenir รฉgale ร lโunitรฉ. La diminution du volume des vides se traduit par une augmentation de la pression interstitielle dโautant plus importante que la compressibilitรฉ du fluide interstitiel est faible par rapport ร la compressibilitรฉ du squelette solide. (JOSSEAUME, 1968)
Par exemple, la variation ฮu de pression interstitielle, consรฉcutive ร une variation ฮฯ1 de la contrainte totale verticale lorsque le sol ne subit aucune dรฉformation latรฉrale, a pour expression :
Il sโensuit que la pression interstitielle se dissipe partiellement pendant la construction.
Cependant dans le cas dโun barrage dโune certaine hauteur construit ร partir de matรฉriaux argileux relativement humide, cette dissipation est gรฉnรฉralement insuffisante pour assurer sa stabilitรฉ. A moins dโadoucir fortement la pente des talus ou de diminuer la teneur en eau du matรฉriau (ce qui nโest gรฉnรฉralement pas possible en climat humide), on est alors amenรฉ ร construire le corps de digue en plusieurs รฉtapes. La pression interstitielle pendant la construction varie comme indiquรฉ sur la figure suivante. (JOSSEAUME, 1968)
Comportement du barrage pendant lโexploitation
Les pressions interstitielles peuvent varier avec le temps, la permรฉabilitรฉ, la charge hydrostatique et les conditions de drainage. Un rรฉseau de ligne de courant et dโรฉquipotentielles permet de connaitre lโintensitรฉ et la rรฉpartition des pressions interstitielles. Il faut relever quโen ce qui concerne la stabilitรฉ, les pressions interstitielles peuvent rรฉduire la rรฉsistance au cisaillement. (OFEG, 2002a)
Lโaugmentation des pressions interstitielles dans un remblai conduit ร la diminution de sa rรฉsistance globale au cisaillement, susceptible de provoquer des instabilitรฉs de remblai ou dans le noyau, pouvant provenir de trois mรฉcanismes :
๏ท Des tassements diffรฉrentiels dans la fondation ou dans le remblai,
๏ท Une dessiccation prolongรฉe du noyau dโargile, liรฉe ร un niveau de retenu maintenu bas pendant une pรฉriode prolongรฉe et provoquant des fissures de retrait,
๏ท Une dรฉgradation du remblai ou du noyau par des mรฉcanismes chimiques.
Dโautres scรฉnarios particuliers, liรฉs ร des dรฉfaillances dโรฉquipement du barrage, peuvent conduire ร lโaugmentation des pressions interstitielles.
๏ท Le colmatage ou le contournement (par le haut, le bas ou les rives) du dispositif du drainage du remblai ou de la fondation,
๏ท La dรฉfaillance du systรจme dโรฉtanchรฉitรฉ, dรฉgradation du masque amont ou du noyau central. (PEYRAS, 2002)
Stabilitรฉ du barrage pendant lโexploitation
Lors du remplissage de la retenue, un รฉcoulement permanent sโรฉtablit plus ou moins rapidement ร travers lโouvrage et sa fondation. Une fois le rรฉgime permanent รฉtabli, on se trouve dans les conditions normales dโexploitation qui dรฉterminent pour une large part les caractรฉristiques de lโouvrage. Celles-ci doivent รชtre telles que non seulement la stabilitรฉ soit assurer avec un coefficient de sรฉcuritรฉ minimal de 1.5, mais รฉgalement que le dรฉbit de fuite reste infรฉrieur ร une valeur admissible.
Lorsque le rรฉgime permanent sโest รฉtabli, les pressions interstitielles dans le corps de digue et sa fondation sont totalement indรฉpendantes des contraintes existant dans le sol.
Lโรฉtude de la stabilitรฉ ne peut, dans ces conditions, รชtre faite quโร partir des contraintes effectives. Il est alors nรฉcessaire de connaitre les paramรจtres de cisaillement intergranulaire cโ et ฯโ et la distribution interstitielle dans lโouvrage. (JOSSEAUME, 1968).
Comportement de lโouvrage pendant la vidange rapide
La permรฉabilitรฉ des sols constituant un barrage en terre est gรฉnรฉralement trop faible pour la surface de lโeau dans lโouvrage sโabaisse de faรงon sensible lorsque lโon vide rapidement la retenue. La vidange rapide peut alors รชtre considรฉrรฉ comme instantanรฉe et cโest dans cette hypothรจse que lโon se place pour รฉtudier la stabilitรฉ du talus amont.
Comme on lโa vu prรฉcรฉdemment, lorsque la retenue est pleine, les forces dโรฉcoulement ร travers lโouvrage tendent ร stabiliser le talus aval. La vidange rapide, en inversant le sens dโรฉcoulement dans la partie amont de lโouvrage, crรฉe des forces hydrauliques dirigรฉes vers lโintรฉrieur de la retenue. Ces forces sont suffisamment intenses pour entrainer une rรฉduction importante du coefficient de sรฉcuritรฉ du talus amont. Inversement la vidange rapide amรฉliore la stabilitรฉ du talus aval ou est sans effet sur elle.barrage ร noyau fondรฉ sur un sol de mรชme permรฉabilitรฉ que les recharges. Le noyau est constituรฉ dโune argile relativement compressible et peu permรฉable.On รฉtudie gรฉnรฉralement la stabilitรฉ du talus amont pendant la vidange rapide ร partir des contraintes effectives. Les paramรจtres de cisaillement pris en compte dans le calcul sont les paramรจtres de cisaillement inter granulaire du sol saturรฉ. La distribution de la pression interstitielle dans le corps de digue dรฉpend de la dรฉformabilitรฉ des matรฉriaux qui le constituent.
DIFFERNTES PHASES DE LโETUDE DE LA STABILITE DโUNE DIGUE EN TERRE
Lโรฉtude de la stabilitรฉ dโun barrage en terre met en jeu les mรฉthodes gรฉnรฉrales dโรฉtude de la stabilitรฉ des talus. Parmi les plus utilisรฉes, citons celle de Fellenius et surtout celle de Bishop.
Le coefficient de sรฉcuritรฉ dโun talus est fonction de sa gรฉomรฉtrie, des paramรจtres de cisaillement intergranulaire cโ et ฯโ du sol et des pressions interstitielles qui sโy dรฉveloppent. Dans le cas dโun barrage en terre, les pressions interstitielles dans le corps de lโouvrage et dans la fondation รฉvoluent considรฉrablement au cours de la vie de celuici. Les paramรจtres de cisaillement du corps de lโouvrage (surtout cโ) peuvent รฉgalement subir des variations lors de la mise en eau. Aussi la stabilitรฉ dโune digue en terre doit-elle รชtre vรฉrifiรฉe ร diffรฉrents stades de son histoire :
๏ท Pendant sa construction et en fin de construction,
๏ท Lorsque lโeau est ร son niveau maximal dans la retenue et quโun รฉcoulement permanent sโest รฉtabli ร travers lโouvrage, cโest-ร -dire dans les conditions normales dโexploitation,
๏ท Lorsque lโon abaisse rapidement le niveau de lโeau dans la retenue (vidange rapide).
Les caractรฉristiques de lโouvrage sont dรฉterminรฉes le plus souvent par son comportement au cours des deux derniรจres phases : le talus aval est alors dimensionnรฉ en tenant compte des conditions existant lorsque lโeau dans la retenue est ร son niveau maximal et le talus aval en tenant compte des conditions crรฉรฉes par la vidange rapide.
Cependant, dans certains cas, il sโavรจre nรฉcessaire de modifier ces caractรฉristiques pour assurer la stabilitรฉ de lโouvrage pendant la pรฉriode de construction. (JOSSEAUME, 1968).
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Table des matiรจres
INTRODUCTION GENERALEย
CHAPITRE I : EFFET DE LA PRESSION INTERSTITIELLE SUR LES RUPTURES DES
BARRAGES
INTRODUCTIONย
1. STATISTIQUES SUR LES ACCIDENTS DES BARRAGES
1.1. Quelques ruptures graves
1.2. Statistiques de rupture des barrages en 1979
1.3. Barrage de TETON : barrage en terre
1.4. Barrage de Malpasset
1.5. Barrage Fergoug en Algรฉrie
2. LโINFLUENCE DE LA PRESSION INTERSTITIELLE SUR LA STABILITE DES BARRAGES
2.1. Mรฉcanismes dโรฉrosion interne et dรฉveloppement de renards
2.2. Mรฉcanisme de rupture par glissement
CONCLUSION
CHAPITRE II : ETUDE DE LA PRESSION INTERSTITIELLE DANS LES BARRAGES EN REMBLAIS
INTRODUCTIONย
1. ETUDE DE LA PRESSION INTERSTITIELLE
1.1.Comportement du barrage pendant la construction
1.1.1. Stabilitรฉ du barrage
1.2.Comportement du barrage pendant lโexploitation
1.2.1. Stabilitรฉ du barragependant lโexploitation
1.3. Comportement de lโouvrage pendant la vidange rapide
2. DIFFERNTES PHASES DE LโETUDE DE LA STABILITE DโUNE DIGUE EN TERRE
3. MESURE DE LA PRESSION INTERSTITIELLE EN LABORATOIRE
4. EXEMPLES DโETUDE DE LA PRESSION INTERSTITIELLE
4.1. Barrage EL HOUAREB
4.2. Barrage de LEBNA
4.3. Barrage en terre
5. DISPOSITIFS DE PROTECTION
5.1. Les drains
5.1.1. Rรดle des drains
5.1.2. Effet de drainage
5.2. Les filtres
CONCLUSION
CHAPITRE III : INFLUENCE DE LA CONSOLIDATION SUR LA PRESSION INTERSTITIELLE
INTRODUCTION
1. DEFINITION DโUN SOL
1.1. Formation des sols
2. CLASSIFICATION DES SOLS
2.1. Les sols pulvรฉrulents (grenus)
2.1.1. Propriรฉtรฉs des sols grenus
2.1.2. Comportement des sols grenus
2.2. Les sols fins
2.2.1. Propriรฉtรฉs des sols fins
2.2.2. Comportement des sols fins
3. CONSOLIDATION ET TASSEMENTS DES SOLS
3.1. Analyse du phรฉnomรจne
3.2. Analogie mรฉcanique de la consolidation
3.3. Variation des contraintes et des dรฉformations dans le temps
3.4. Courbe de consolidation
4. GENERALITES ET DEFINITIONS SUR LES TASSEMENTS
4.1. Gรฉnรฉralitรฉs sur le processus du tassement dans le cas des sols grenus et des sols fins
4.1.1. Tassement des sols grenus
4.1.2. Tassement des sols fins
4.2. Analyse et interprรฉtation des mesures de tassement
4.3. Tassements des barrages en remblais
4.3.1. Tassements durant la construction
4.3.2. Tassements durant la mise en eau
4.5. Tassements diffรฉrentiels
CONCLUSION
CHAPITRE IV : ANALYSE DES EFFETS DE COMPACTAGE SUR LA PRESSION INTERSTITIELLE
INTRODUCTION
1. GENERALITES SUR LE COMPACTAGE
1.1. Dรฉfinition du compactage
1.2. Les sols compactรฉs
1.3. Objectif du compactage
1.4. Condition de compactage
1.5. Les facteurs qui influencent le compactage
1.6. Caractรฉristiques des sols compactรฉs
1.6.1. Essai Proctor
1.6.2. But de l’essai
1.6.3. Principe de lโessai
1.6.4. Conditions d’essai
1.6.5. Rappel des essais Proctor
1.7. Les effets de compactage
1.7.1. Sols grenus
1.7.2. Sols fins
1.8. Sensibilitรฉ des sols au compactage
1.9. Dรฉveloppement de pressions interstitielles
CONCLUSION
CHAPITRE V : SUIVI DE LโEVOLUTION DE LA PRESSION INTERSTITIELLE PAR
LโAUSCULTATION
INTRODUCTIONย
1. LES OBJECTIFS DE LA SURVEILLANCE
2. PRINCIPES GENERAUX
2.1. Auscultation des barrages
2.2. Raison d’รชtre du dispositif d’auscultation
3. PRESSIONS INTERSTITIELLES ET NIVEAU PIEZOMETRIQUES
3.1. Les cellules
3.2. Les capteurs รฉlectriques
3.3. La cellule ร corde vibrante
3.4. Capteurs hydrauliques (Glรถzl)
CONCLUSION
CHAPITRE VI : ANALYSE PARAMETREE DE LA VARIATION DE LA PRESSION INTERSTITIELLE – CAS DU BARRAGE BOUGHRARA
Introduction
1. PRESENTATION DU BARRAGE โ OBJET DE LโANALYSE
1.1. Donnรฉes gรฉnรฉrales
1.2. Caractรฉristiques de lโamรฉnagement
1.3. Gรฉologie du site
2. PRESENTATION DU CODE DE CALCUL SERVANT A LโANALYSE PARAMETREE AU NIVEAU DU BARRAGE
2.1. Introduction
2.2. Objectif de Plaxis
2.3. Les points forts de Plaxis
2.4. Les modรจles de comportement utilisรฉs dans Plaxis
2.4.1. Modรจle linรฉaire รฉlastique
2.4.2. Modรจle de Mohr-Coulomb
3. PROFIL TYPE DU BARRAGE ET CARACTERISTIQUES DES MATERIAUX
4. ANALYSE DU COMPORTEMENT DU BARRAGE (PROFIL REEL)
4.1. En cours de construction
4.1.1. Influence des fondations
a. Etude de la pression interstitielle et les dรฉformations du barrage pour diffรฉrentes
hauteurs du remblai
b. Synthรจse des rรฉsultats
4.1.2. Analyse des dรฉplacements et des pressions interstitielles sans influence des
fondations
a. Etude de la pression interstitielle et des dรฉplacements du barrage ร diffรฉrents hauteurs
du remblai
b. Synthรจse des rรฉsultats
4.2. Fin de construction
4.2.1. Analyse des dรฉplacements verticaux et critรจres de stabilitรฉ du barrage
4.2.2. Etude de la pression interstitielle au cours de consolidation du barrage
4.3. Influence du remplissage du lac
5. INFLUENCE DE LA QUALITE DES MATERIAUX DES RECHARGES DU BARRAGE
5.1. Adaptation de la pente pour la stabilitรฉ du barrage (pour ฯ= 20ยฐ pour les recharges)
CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE
Rรฉfรฉrences bibliographiques
Annexes
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