Soutenance mémoire
EFFET DE LA PRESSION INTERSTITIELLE SUR LES RUPTURES DES BARRAGES
INTRODUCTION
La technique de construction des barrages en terre est de plus en plus privilégiée, même si elle est récente, elle ne cesse d’évoluer, seulement beaucoup de phénomène influent sur leur comportement.
Une telle construction pose des problèmes nombreux et délicats auxquels sont confrontés géotechniciens et mécaniciens des sols. Ces problèmes sont liés en partie à la filtration au sein du corps de l’ouvrage, qui entraîne des difficultés à assurer la stabilité des remblais, soumis en plus, dans le cas de barrage, aux effets du remplissage du réservoir. Les répercussions de l’écoulement dans le corps de digue, sur la stabilité globale de l’ouvrage posent, en particulier, un problème de conception des talus sur sols, qui se traduit par des tassements et des déformations importants. Ils doivent être pris en compte dans l’étude de la pression interstitielle, pendant la construction et la mise en service pour assurer en tout temps une revanche en crête suffisante et garantir la sécurité contre le risque de glissement et d’érosion.
ETUDE DE LA PRESSION INTERSTITIELLE
L’eau contenue dans le sol se trouve sous différentes formes :
L’eau de constitution, qui entre dans la composition chimique des grains ;
L’eau liée ou adsorbée est la fine pellicule d’eau qui est « collée » aux grains par des phénomènes électriques.
L’eau interstitielle : eau capillaire et eau libre.
L’eau interstitielle se présente sous forme d’eau libre lorsque le sol est saturé et baigne dans une nappe phréatique. (ROUISSAT, 2014)
L’eau liée est maintenue à la surface des grains par des forces d’attraction moléculaire (le dipôle H2O s’oriente perpendiculairement à la surface du grain). Ces forces diminuent rapidement et on admet qu’elles sont négligeables à partir d’une distance de 0.4 μ.
L’eau liée à une très forte densité : 1.5. Elle peut contenir de nombreux ions. Elle ne transmet pas les pressions hydrostatiques et ne se déplace pas sous l’effet de la gravité.
Elle est également caractérisée par une viscosité très élevée qui est à l’origine de certains comportements des sols argileux : fluage, compression secondaire, etc.
L’eau libre est suffisamment éloignée des particules solides pour n’être soumise qu’à l’action de la gravité.
On peut y rattacher l’eau capillaire. Celle-ci n’existe qu’en présence d’une phase gazeuse, puis qu’elle provient de la tension qui se développe à l’interface air-eau. Elle s’élève audessus de la surface d’une nappe libre, pour former la frange capillaire. Elle est soumise à l’action de la gravité et elle transmet les pressions. (RAT et JOSSEAUME) Cette eau est soumise aux lois des écoulements hydrauliques.
L’eau interstitielle est sous forme d’eau capillaire au-dessus de la nappe. L’eau capillaire est en équilibre, d’une part entre les forces de gravité et d’autre part les forces de tension qui se développent à l’interface eau/air.
Les eaux libre et capillaire sont situées dans les pores et interstices du sol. La pression interstitielle est la pression existante dans l’eau interstitielle, en un point quelconque du massif de sol. Elle est positive dans l’eau libre et négative dans l’eau capillaire.
Ce qui est, toujours et dans tous les cas, essentiel de connaître est le niveau de la nappe phréatique dans le sol. En effet les pressions qui en résultent génèrent des forces immédiatement applicables sans marge de tolérance pour les ouvrages. (ROUISSAT, 2014)
Ces pressions interstitielles peuvent varier avec le temps par nombreux facteurs tel que la perméabilité, la charge hydrostatique et les conditions de drainage.
Les dégâts causés par cette variation notamment l’augmentation sont très graves (peut causer la rupture d’un barrage), donc nous sommes appelés à analyser cette variation durant la réalisation aussi pendant l’exploitation du barrage.
Comportement du barrage pendant la construction
La construction ne pose pas de réelles difficultés lorsque les matériaux constitutifs sont perméables. En revanche, elle est certainement la phase la plus critique des barrages en argile. En effet, l’argile doit avoir une teneur en eau suffisante pour être plastique et assurer l’étanchéité. Mais comme l’argile est très compressible, elle reportera les contraintes de la construction sur son eau interstitielle, qui montera en pression sous la charge du remblai : Mondély en 1981, Mirgenbach en 1982 et Carsington en 1984. Dans les cas les plus extrêmes, la pression interstitielle atteint le poids des terres, annule la contrainte effective et crée une fracturation hydraulique sur une section horizontale.(CFBR, 2010).
Pour les zones de faible perméabilité, l’évolution des pressions interstitielles doit être surveillée en cours de réalisation. L’augmentation trop rapide des contraintes (due à la montée de l’ouvrage) provoque une augmentation des surpressions interstitielles qui n’ont pas eu le temps de s’évacuer. Ceci traduit le frottement des matériaux et donc la stabilité de l’ouvrage. (Al-HOMOUD et TANAH, 2001).
Il est alors nécessaire de réaliser une étude de contraintes effectives, afin de déterminer l’apparition et l’évolution des pressions interstitielles en fonction des étapes de la construction des essais triaxiaux avec mesures de la pression interstitielle reproduisant le chemin des contraintes permettant de mener à bien ce type d’étude.
L’analyse en contraintes effectives permet également de définir des critères d’alerte afin de ralentir ou d’arrêter temporairement la montée de la digue, si les pressions interstitielles mesurées réellement deviennent trop élevées et mettent au péril la stabilité de l’ouvrage. Le suivi des travaux à l’aide d’une instrumentation adaptée est indispensable car le développement des pressions interstitielles est à l’origine d’un certain nombre de ruptures intervenues en cours de construction. (PHILIPPONNAT et HUBERT, 1998).
Pour les barrages en remblai, on doit procéder à la mesure continue des valeurs des pressions interstitielles sur les cellules installées dans le remblai eu fur et à mesure de sa montée. Les résultats sont comparés aux valeurs déterminées lors du projet, et les paramètres ajustés aux résultats trouvés. Si des écarts importants sont détectés par rapport au modèle initial, ils sont aussitôt analysés, ce qui peut conduire soit à réviser ce modèle, soit, si le risque est confirmé, à prendre les précautions qui s’imposent sur le chantier (réduction 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 météorologiques,…) (KHANH, 2010)
Stabilité du barrage
Pendant la période construction, la stabilité d’un barrage en terre peut être compromise :
Lorsque la capacité portante, du sol de fondation est insuffisante, c’est-à-dire lorsqu’il comporte une (ou plusieurs) couche argileuse peu ou moyennement consistante. Le temps de consolidation d’une telle couche sous le poids du corps de digue est très supérieur à la durée de la construction. On se trouve donc sensiblement dans les conditions d’un chargement non drainé et la résistance au cisaillement mobilisée dans l’argile et sa cohésion non drainée Cu. si l’argile est peu consolidée Cu ne peut équilibrer les efforts de cisaillement transmis par une digue de hauteur moyenne.
Si la couche argileuse est peu épaisse et se situe à faible profondeur, on a intérêt à l’enlever. Dans le cas contraire on est amené à prendre une ou plusieurs des mesures suivantes :
– Construction du corps de digue en plusieurs étapes,
– Accélération de la consolidation des sols argileux au moyen des drains de sable verticaux,
– Adoucissement des pentes des talus.
Lorsque des pressions interstitielles excessives se développent dans le corps de digue, c’est-à-dire lorsque celui-ci est constitué en grande partie de sol fin argileux de teneur en eau élevée et suffisamment imperméables pour qu’aucun drainage ne se produise pendant la construction.(JOSSEAUME, 1968).
Lorsqu’une couche de sol fin argileux vient d’être compactée (généralement à l’énergie Proctor normal), elle n’est pas saturée et contient un certain volume d’air. La pression interstitielle y est donc négative. Pendant la construction du corps de digue, le sol se comprime sous le poids des couches supérieures. Son volume des vides décroit et l’air interstitielle se dissout dans l’eau. Le degré de saturation augmente et peut, le cas échéant, devenir égale à l’unité. La diminution du volume des vides se traduit par une augmentation de la pression interstitielle d’autant plus importante que la compressibilité du fluide interstitiel est faible par rapport à la compressibilité du squelette solide. (JOSSEAUME, 1968)
Par exemple, la variation Δu de pression interstitielle, consécutive à une variation Δσ1 de la contrainte totale verticale lorsque le sol ne subit aucune déformation latérale, a pour expression :
Il s’ensuit que la pression interstitielle se dissipe partiellement pendant la construction.
Cependant dans le cas d’un barrage d’une certaine hauteur construit à partir de matériaux argileux relativement humide, cette dissipation est généralement insuffisante pour assurer sa stabilité. A moins d’adoucir fortement la pente des talus ou de diminuer la teneur en eau du matériau (ce qui n’est généralement pas possible en climat humide), on est alors amené à construire le corps de digue en plusieurs étapes. La pression interstitielle pendant la construction varie comme indiqué sur la figure suivante. (JOSSEAUME, 1968)
Comportement du barrage pendant l’exploitation
Les pressions interstitielles peuvent varier avec le temps, la perméabilité, la charge hydrostatique et les conditions de drainage. Un réseau de ligne de courant et d’équipotentielles permet de connaitre l’intensité et la répartition des pressions interstitielles. Il faut relever qu’en ce qui concerne la stabilité, les pressions interstitielles peuvent réduire la résistance au cisaillement. (OFEG, 2002a)
L’augmentation des pressions interstitielles dans un remblai conduit à la diminution de sa résistance globale au cisaillement, susceptible de provoquer des instabilités de remblai ou dans le noyau, pouvant provenir de trois mécanismes :
Des tassements différentiels dans la fondation ou dans le remblai,
Une dessiccation prolongée du noyau d’argile, liée à un niveau de retenu maintenu bas pendant une période prolongée et provoquant des fissures de retrait,
Une dégradation du remblai ou du noyau par des mécanismes chimiques.
D’autres scénarios particuliers, liés à des défaillances d’équipement du barrage, peuvent conduire à l’augmentation des pressions interstitielles.
Le colmatage ou le contournement (par le haut, le bas ou les rives) du dispositif du drainage du remblai ou de la fondation,
La défaillance du système d’étanchéité, dégradation du masque amont ou du noyau central. (PEYRAS, 2002)
Stabilité du barrage pendant l’exploitation
Lors du remplissage de la retenue, un écoulement permanent s’établit plus ou moins rapidement à travers l’ouvrage et sa fondation. Une fois le régime permanent établi, on se trouve dans les conditions normales d’exploitation qui déterminent pour une large part les caractéristiques de l’ouvrage. Celles-ci doivent être telles que non seulement la stabilité soit assurer avec un coefficient de sécurité minimal de 1.5, mais également que le débit de fuite reste inférieur à une valeur admissible.
Lorsque le régime permanent s’est établi, les pressions interstitielles dans le corps de digue et sa fondation sont totalement indépendantes des contraintes existant dans le sol.
L’étude de la stabilité ne peut, dans ces conditions, être faite qu’à partir des contraintes effectives. Il est alors nécessaire de connaitre les paramètres de cisaillement intergranulaire c’ et φ’ et la distribution interstitielle dans l’ouvrage. (JOSSEAUME, 1968).
Comportement de l’ouvrage pendant la vidange rapide
La perméabilité des sols constituant un barrage en terre est généralement trop faible pour la surface de l’eau dans l’ouvrage s’abaisse de façon sensible lorsque l’on vide rapidement la retenue. La vidange rapide peut alors être considéré comme instantanée et c’est dans cette hypothèse que l’on se place pour étudier la stabilité du talus amont.
Comme on l’a vu précédemment, lorsque la retenue est pleine, les forces d’écoulement à travers l’ouvrage tendent à stabiliser le talus aval. La vidange rapide, en inversant le sens d’écoulement dans la partie amont de l’ouvrage, crée des forces hydrauliques dirigées vers l’intérieur de la retenue. Ces forces sont suffisamment intenses pour entrainer une réduction importante du coefficient de sécurité du talus amont. Inversement la vidange rapide améliore la stabilité du talus aval ou est sans effet sur elle.barrage à noyau fondé sur un sol de même perméabilité que les recharges. Le noyau est constitué d’une argile relativement compressible et peu perméable.On étudie généralement la stabilité du talus amont pendant la vidange rapide à partir des contraintes effectives. Les paramètres de cisaillement pris en compte dans le calcul sont les paramètres de cisaillement inter granulaire du sol saturé. La distribution de la pression interstitielle dans le corps de digue dépend de la déformabilité des matériaux qui le constituent.
DIFFERNTES PHASES DE L’ETUDE DE LA STABILITE D’UNE DIGUE EN TERRE
L’étude de la stabilité d’un barrage en terre met en jeu les méthodes générales d’étude de la stabilité des talus. Parmi les plus utilisées, citons celle de Fellenius et surtout celle de Bishop.
Le coefficient de sécurité d’un talus est fonction de sa géométrie, des paramètres de cisaillement intergranulaire c’ et φ’ du sol et des pressions interstitielles qui s’y développent. Dans le cas d’un barrage en terre, les pressions interstitielles dans le corps de l’ouvrage et dans la fondation évoluent considérablement au cours de la vie de celuici. Les paramètres de cisaillement du corps de l’ouvrage (surtout c’) peuvent également subir des variations lors de la mise en eau. Aussi la stabilité d’une digue en terre doit-elle être vérifiée à différents stades de son histoire :
Pendant sa construction et en fin de construction,
Lorsque l’eau est à son niveau maximal dans la retenue et qu’un écoulement permanent s’est établi à travers l’ouvrage, c’est-à-dire dans les conditions normales d’exploitation,
Lorsque l’on abaisse rapidement le niveau de l’eau dans la retenue (vidange rapide).
Les caractéristiques de l’ouvrage sont déterminées le plus souvent par son comportement au cours des deux dernières phases : le talus aval est alors dimensionné en tenant compte des conditions existant lorsque l’eau dans la retenue est à son niveau maximal et le talus aval en tenant compte des conditions créées par la vidange rapide.
Cependant, dans certains cas, il s’avère nécessaire de modifier ces caractéristiques pour assurer la stabilité de l’ouvrage pendant la période de construction. (JOSSEAUME, 1968).
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : EFFET DE LA PRESSION INTERSTITIELLE SUR LES RUPTURES DES
BARRAGES
INTRODUCTION
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 Algérie
2. L’INFLUENCE DE LA PRESSION INTERSTITIELLE SUR LA STABILITE DES BARRAGES
2.1. Mécanismes d’érosion interne et développement de renards
2.2. Mécanisme de rupture par glissement
CONCLUSION
CHAPITRE II : ETUDE DE LA PRESSION INTERSTITIELLE DANS LES BARRAGES EN REMBLAIS
INTRODUCTION
1. ETUDE DE LA PRESSION INTERSTITIELLE
1.1.Comportement du barrage pendant la construction
1.1.1. Stabilité du barrage
1.2.Comportement du barrage pendant l’exploitation
1.2.1. Stabilité du barragependant l’exploitation
1.3. Comportement de l’ouvrage pendant la vidange rapide
2. DIFFERNTES PHASES DE L’ETUDE DE LA STABILITE D’UNE DIGUE EN TERRE
3. MESURE DE LA PRESSION INTERSTITIELLE EN LABORATOIRE
4. EXEMPLES D’ETUDE 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. Rôle 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 D’UN SOL
1.1. Formation des sols
2. CLASSIFICATION DES SOLS
2.1. Les sols pulvérulents (grenus)
2.1.1. Propriétés des sols grenus
2.1.2. Comportement des sols grenus
2.2. Les sols fins
2.2.1. Propriétés des sols fins
2.2.2. Comportement des sols fins
3. CONSOLIDATION ET TASSEMENTS DES SOLS
3.1. Analyse du phénomène
3.2. Analogie mécanique de la consolidation
3.3. Variation des contraintes et des déformations dans le temps
3.4. Courbe de consolidation
4. GENERALITES ET DEFINITIONS SUR LES TASSEMENTS
4.1. Généralités 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 interprétation 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 différentiels
CONCLUSION
CHAPITRE IV : ANALYSE DES EFFETS DE COMPACTAGE SUR LA PRESSION INTERSTITIELLE
INTRODUCTION
1. GENERALITES SUR LE COMPACTAGE
1.1. Définition du compactage
1.2. Les sols compactés
1.3. Objectif du compactage
1.4. Condition de compactage
1.5. Les facteurs qui influencent le compactage
1.6. Caractéristiques des sols compactés
1.6.1. Essai Proctor
1.6.2. But de l’essai
1.6.3. Principe de l’essai
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. Sensibilité des sols au compactage
1.9. Développement de pressions interstitielles
CONCLUSION
CHAPITRE V : SUIVI DE L’EVOLUTION DE LA PRESSION INTERSTITIELLE PAR
L’AUSCULTATION
INTRODUCTION
1. LES OBJECTIFS DE LA SURVEILLANCE
2. PRINCIPES GENERAUX
2.1. Auscultation des barrages
2.2. Raison d’être du dispositif d’auscultation
3. PRESSIONS INTERSTITIELLES ET NIVEAU PIEZOMETRIQUES
3.1. Les cellules
3.2. Les capteurs électriques
3.3. La cellule à corde vibrante
3.4. Capteurs hydrauliques (Glözl)
CONCLUSION
CHAPITRE VI : ANALYSE PARAMETREE DE LA VARIATION DE LA PRESSION INTERSTITIELLE – CAS DU BARRAGE BOUGHRARA
Introduction
1. PRESENTATION DU BARRAGE – OBJET DE L’ANALYSE
1.1. Données générales
1.2. Caractéristiques de l’aménagement
1.3. Géologie du site
2. PRESENTATION DU CODE DE CALCUL SERVANT A L’ANALYSE PARAMETREE AU NIVEAU DU BARRAGE
2.1. Introduction
2.2. Objectif de Plaxis
2.3. Les points forts de Plaxis
2.4. Les modèles de comportement utilisés dans Plaxis
2.4.1. Modèle linéaire élastique
2.4.2. Modèle 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 déformations du barrage pour différentes
hauteurs du remblai
b. Synthèse des résultats
4.1.2. Analyse des déplacements et des pressions interstitielles sans influence des
fondations
a. Etude de la pression interstitielle et des déplacements du barrage à différents hauteurs
du remblai
b. Synthèse des résultats
4.2. Fin de construction
4.2.1. Analyse des déplacements verticaux et critères de stabilité 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 stabilité du barrage (pour φ= 20° pour les recharges)
CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE
Références bibliographiques
Annexes
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