Rousselet Romain Elève ingénieur de 5ème année INSA de Strasbourg Spécialité Génie Civil

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Niveau: Supérieur
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

  • expansion de la brèche durant la vidange du réservoir

  • présentation des données de sortie

  • evolution de la brèche

  • amélioration du modèle du cemagref

  • essai

  • modélisation de l'érosion interne

  • essai het


Publié le : vendredi 1 juin 2007
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èmeRousselet Romain – Elève ingénieur de 5 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


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.

























Juin 2007 Rapport de PFE : Modélisation de l’érosion interne II Rousselet Romain
GC5

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
Juin 2007 Rapport de PFE : Modélisation de l’érosion interne III Rousselet Romain
GC5
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 ..............................................................................................................................p.26 c
7.1.2.2 Sensibilité par rapport à k ............................................................................................................................p.27 er
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 k , et f pour cet essai ............................................................... p.31 er c b
7.2.3 Sensibilité par rapport à et k pour cet essai ................................................................. p.32 c er
7.2.3.1 Sensibilité par rapport à ........................................................................................................ p.32 c
7.2.3.2 Sensibilité par rapport à k ............................................................................................................................p.34 er
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 k et k ................................p.37 er d
8.1 Etablissement de la relation............................................................................... p.37
8.2 Etude dimensionnelle ........................................................................................ p.37
8.3 Correspondance entre les valeurs de k et k des matériaux utilisés dans les er d
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
Juin 2007 Rapport de PFE : Modélisation de l’érosion interne IV
tttt Rousselet Romain
GC5
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

Juin 2007 Rapport de PFE : Modélisation de l’érosion interne V Rousselet Romain
GC5
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.


Juin 2007 Rapport de PFE : Modélisation de l’érosion interne 1 Rousselet Romain
GC5
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 se sont ainsi produites lors de deux crues du Rhône en octobre 1993 et
janvier 1994 sur un tronçon d’une centaine de kilomètres de levées limitant le champ
d’inondation majeur du Rhône à partir d’Arles. [2]
Dix incidents sérieux sont apparus sur de petits barrages (hauteur inférieure à 15m)
dont trois ont taillé une brèche dans le remblai entraînant sa rupture. Huit incidents
concernent le parc des 250 barrages en remblai français, classés grands barrages au sens de la
CIGB. Ils ont affecté 2 barrages construits avant 1950, 3 construits entre 1950 et 1970 et 3
après 1970 ; cependant, aucune brèche n’eut le temps de se développer. [2]

Au niveau européen, une enquête lancée par un groupe de travail animé par le
Dr.Andrews Charles (G.B.) a recensé plus d’une soixantaine d’incidents sérieux constatés ces
dernières années en Europe.
Les événements de fortes crues qui se sont produits en Europe au cours de ces
dernières années ont de nouveau montré la fragilité des digues vis à vis de l’érosion interne,
avec des conséquences parfois tragiques (digue d’Aramon, septembre 2002) et des dégâts
matériels considérables. De plus, le problème est récurrent, en moyenne, une rupture par
érosion interne est recensée en France chaque année depuis 1970. [2]

Cependant, ce phénomène n’est à ce jour pas réellement maîtrisé, ni modélisé. C’est
pourquoi il paraît essentiel d’effectuer un travail dans ce sens afin d’être capable de prédire la
cinétique d’une éventuelle rupture, qui permettrait de prévoir le danger pour la population.
L’objectif de ce PFE sera de tester le modèle du Cemagref qui donne l’évolution du
rayon du renard, puis de l’améliorer si possible et de mettre au point un modèle d’ouverture
de brèche.
Juin 2007 Rapport de PFE : Modélisation de l’érosion interne 2 Rousselet Romain
GC5
1. Présentation de l’entreprise

1.1. Le groupe EDF

Depuis 1946, EDF est une entreprise publique nationale, qui produit, transporte et
distribue de l’électricité. Elle a pour mission de fournir à chacun, à chaque instant, en tout
point du territoire et en toute sécurité, un kilowatt-heure compétitif. Pour cela, elle conçoit,
réalise et exploite les ouvrages nécessaires aux besoins de ses 40.2 millions de clients dans le
monde.


1.2. Rapide historique

1946 : Création d’EDF et d’une ingénierie hydraulique

1989 : Création du Centre National d’Equipement Hydraulique (CNEH) : activités de
premier équipement

1992 : Redéploiement de l’activité vers l’Ingénierie du Parc hydraulique en
Exploitation (IPE)
Développement à l’international

2000 : Création du Centre d’Ingénierie Hydraulique (CIH) : il regroupe le CNEH et
les USI (Unités de Services et d’Ingénierie hydrauliques).
Le CIH devient une ingénierie hydraulique intégrée : il allie la haute expertise associée
à la création d’ouvrages neufs, à la connaissance pointue de la conduite et de la
maintenance des ouvrages.


1.3. Chiffres clés

EDF est le deuxième producteur d’électricité au monde avec 48 milliards de kWh
produits. Dans le secteur de l’électricité, le groupe dispose du plus important parc de
production en Europe. EDF possède 161 560 salariés.
En 2006, le chiffre d’affaires consolidé du Groupe EDF s’élève à 58,9 milliards
d’euros. Il était de 51.05 milliards d’euros en 2005 et de 46.9 milliards d’euros en 2004.
EDF est aujourd’hui un véritable groupe international avec 47 filiales dans le monde
représentant 19% du chiffre d’affaires du groupe et pas moins de 16 millions de clients.

La production d’électricité d’EDF représente :
610 TWh
125 447 Mwe de puissance installée.


Juin 2007 Rapport de PFE : Modélisation de l’érosion interne 3 Rousselet Romain
GC5
EDF exploite en France 250 barrages et 500 centrales hydrauliques et participe dans le
monde à l’étude et la réalisation de nombreux ouvrages hydroélectriques.


1.4. Présentation du CIH

Le CIH fait partie de la Division Production Ingénierie Hydraulique, au sein de la
Direction Production Ingénierie (DPI). Cette division est constituée d’Unités de Production
hydraulique et de compétences en ingénierie de conception et de construction, en ingénierie
de la mesure, en ingénierie d’appui à l’exploitation, en conduite de projets dans les domaines
hydrauliques et des énergies renouvelables.

Le CIH est organisé de la façon suivante :


























Service où j’étais affecté


erOrganigramme au 1 janvier 2007


Le CIH rassemble 600 ingénieurs, techniciens et chefs de projet.


Juin 2007 Rapport de PFE : Modélisation de l’érosion interne 4 Rousselet Romain
GC5
Le CIH est présent dans 7 villes en France :




Cette localisation au plus près des ouvrages lui permet de mieux répondre aux attentes
du client et des exploitants.

Ses prestations sont :

La conception d’ouvrages neufs
La planification
Le montage de projets
L’expertise auprès des décideurs
La réhabilitation d’ouvrages
L’automatisation et la modernisation de la conduite de centrales hydrauliques ou de
fermes éoliennes
La maintenance des ouvrages et de leur matériel, amélioration de leur performance
Partenaire du maître d’ouvrage
Ingénieur conseil
Maître d’œuvre pour un ouvrage ponctuel ou l’ensemble d’un programme
Prestataire pour la maintenance ou l’aide d’exploitation.

Ses domaines de compétence sont :

La géologie et la géotechnique
L’hydrologie et la topographie

Juin 2007 Rapport de PFE : Modélisation de l’érosion interne 5

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