Probabilistic stability analysis of an earth dam using field data

Etude probabiliste de la stabilité d'un barrage en remblais. Prise en compte des données in-situ

• Auteur / Autrice : Xiangfeng Guo
• Direction : Daniel Dias, Laurent Peyras, Pierre Breul
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Soutenance le 10/03/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Sols, solides, structures - risques (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Sidi Mohammed Elachachi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julien Baroth
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vaughan D. Griffiths, Daniel Straub

Mots clés

Mots clés contrôlés

Barrages -- Sécurité

Fiabilité -- Méthodes statistiques

Mots clés libres

Variabilité des sols

Analyse de fiabilité

Analyse de sensibilité

Barrage en terre

Champ aléatoire

Soil variability

Reliability analysis

Sensitivity analysis

Earth dam

Random fields

Résumé

Compte tenu de la nature des sols, des incertitudes sur leurs propriétés sont largement rencontrées en géotechnique, en particulier dans le domaine des barrages en terre. Actuellement, il est de plus en plus nécessaire de tenir compte de ces incertitudes pour l'évaluation de la sécurité des grands barrages, notamment dans le cadre des études d’analyse de risques. Cependant, les analyses probabilistes sont complexes et difficiles à mettre en œuvre en raison du nombre limité de mesures, des temps de calcul importants et des limites des méthodes fiabilistes implémentées dans les outils de simulation commerciaux. De plus, la plupart des études précédentes sont basées sur des cas académiques et des données hypothétiques.Ce travail tente de résoudre les problèmes mentionnés ci-dessus en fournissant une étude d'analyse probabiliste pour la stabilité d'un barrage réel en terre en considérant les données in-situ disponibles. Cette étude inclut les éléments principaux suivants: (1) définition de la variabilité des sols en utilisant les mesures disponibles; (2) développement des modèles déterministes; (3-4) analyses probabilistes bu barrage en utilisant des approches en variables aléatoires et en champs aléatoires; (5) analyse 3D de la fiabilité du barrage considéré. Des méthodes fiabilistes avancées (par exemple le métamodèle adaptatif) sont introduites. Cela permet d'estimer précisément la probabilité de rupture du barrage et les valeurs statistiques des facteurs de sécurité avec un temps de calcul significativement réduit. En outre, certaines questions, qui restaient floues dans le domaine de l'analyse probabiliste des barrages, sont discutées (e.g. l’analyse de sensibilité globale des paramètres hydrauliques et géo-mécaniques des sols ; l’étude des performances de cinq méthodes de fiabilité; la simulation/comparaison de trois types de champs aléatoires : générique, conditionnel et non-stationnaire). Le travail présenté, basé sur des données réelles, pourrait être un bon complément aux études probabilistes existantes des ouvrages géotechniques. Les lecteurs pourront également trouver des informations utiles à partir des résultats obtenus afin de mieux résoudre les problèmes pratiques de géo-ingénierie dans un cadre probabiliste.

Uncertainties of soil properties are widely encountered in the field of geotechnical engineering especially for earth dams which are constructed with earthen materials. In recent years, there is an increasing need, motivated by the deficiencies of the traditional deterministic approach or guided by the national regulations such as in France, of accounting for these uncertainties for a safe assessment of large dams particularly in the framework of risk analysis studies. However, probabilistic analyses are still complex and not so easy to implement in practice due to the limited number of in-situ measurements, expensive computation efforts and lack of implementation of reliability methods in commercial simulation tools. Moreover, most of the previous studies are based on academic cases and hypothetic data.This work attempts to deal with the aforementioned issues by providing a probabilistic analysis study for the stability of a real earth dam using available field data. This study includes the following main elements: (1) definition of the soil variability by using the available measurements; (2) development of the deterministic models; (3-4) dam probabilistic analyses using the random-variables and random-fields approaches; (5) three-dimensional reliability analysis of the considered dam. Advanced reliability methods, such as the adaptive surrogate modelling, are introduced for the studied earth dam problem. This allows accurately estimating the dam failure probability and the safety factor statistics with a significantly reduced calculation time. In addition, some issues, that remain unknown or unclear in the field of the dam probabilistic analysis, are discussed (e.g. global sensitivity analysis of the soil hydraulic and shear strength parameters; performance survey of five reliability methods; simulation/comparison of three different kinds of random fields: generic (unconditional-stationary), conditional and nonstationary). The presented work, based on real measurements, could be a good supplement to the existing probabilistic studies of geo-structures. Readers will find useful information from the obtained results in order to better solve the practical geotechnical problems in a probabilistic framework.