Phénomènes d'érosion interne dans les graves et les sols grossiers : Application aux digues et aux barrages

Phenomena of internal erosion in gravel and coarse soils : application to dykes and dams

• Auteur / Autrice : Rachid Fellag
• Direction : Jean-Claude Dupla
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géotechnique
• Date : Soutenance le 15/12/2016
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Navier (Paris-Est) - Laboratoire Navier UMR 8205- IFSTTAR-ENPC-CNRS
• Jury : Président / Présidente : Nadia Saiyouri
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Claude Dupla, Didier Marot, Christophe Chevalier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ahmed Benamar, Farimah Masrouri

Mots clés

Mots clés contrôlés

Granulométrie

Barrages

Digues

Sols -- Érosion

Mots clés libres

Erosion interne

Instabilité interne

Suffusion

Sols grossiers

Transport de particules

Barrages

Internal erosion

Internal instability

Suffusion

Coarse soils

Particles transport

Dams

Résumé

L’érosion interne est la cause principale de ruptures des ouvrages hydrauliques en terre, tels que les digues et les barrages. Les conséquences de telles ruptures sont conséquentes et couteuses. L’objectif de cette thèse est de mieux comprendre une catégorie particulière de processus d’érosion, la suffusion, en en caractérisant l’initiation et l’évolution. Cette recherche, à dominante expérimentale, s'appuie sur une modélisation physique unidimensionnelle. Les essais sont réalisés dans une conduite en plexiglas de 18 cm de diamètre intérieur, équipée de capteurs de pression, d’un débitmètre et d’un turbidimètre. Un dispositif de collecte des particules érodées est installé à l’aval de la conduite pour quantifier les particules érodées à des intervalles de temps choisis. Dans cette étude, on a réalisé une série d’essais sur des matériaux pulvérulents. Dans ce type de matériaux, l’érosion se manifeste par suffusion. Elle correspond à l’arrachement et au transport des particules fines à travers l’espace poral des particules grossières. Dans un premier temps, un protocole de reconstitution de matériaux pulvérulents est élaboré. Le principe consiste à réaliser des mélanges humides avec une teneur en eau relative à la masse des particules fines. Pour surmonter les problèmes rencontrés dans la réalisation des essais, la conduite est disposée verticalement, et les matériaux testés sont reconstitués à partir de mélanges de particules sableuses. Une étude paramétrique est menée sur l’influence de certains paramètres, tels que la granulométrie, la pression d’écoulement, la nature et la teneur en particules argileuses ainsi que la densité de mise en place. Les résultats obtenus montrent que l’érodabilité des matériaux dépend de la forme des courbes granulométrique. En effet, l’érosion est plus accentuée pour les matériaux contenant moins de particules fines. Elle est également plus forte quand la courbe granulométrique est discontinue. L’ajout de particules argileuses augmente la résistance à la suffusion des matériaux testés. Trois catégories de matériaux argileux ou fins sont testées : une illite (argile verte de Velay), une kaolinite (Speswhite), et du sable broyé (C10). Les résultats montrent que les matériaux contenant de l’illite sont plus résistants à la suffusion que les matériaux contenant de la kaolinite, tandis que les matériaux contenant du sable broyé sont les moins résistants. Cette résistance à la suffusion augmente avec la teneur en particules argileuses. L’érosion des matériaux dépend aussi de la densité initiale des matériaux testés. En effet, pour la même pression d’entrée, la quantité des particules érodées diminue en augmentant la densité de mise en place

Internal erosion is the main cause of failure of hydraulic structures such dykes and dams. The consequences of such failures are substantial and costly. The objective of this thesis is to better understand one of the erosion phenomena, the suffusion, and to characterize the initiation and the evolution of this phenomenon. A physical modeling approach is used for this study. Tests are carried out in a Plexiglas pipe of 18 cm inner diameter, equipped with pressure sensors, flowmeter and turbidimeter. A device for collecting the eroded particles, at selected time intervals, is installed in the downstream part of the device. In this study we performed a series of tests on coarse cohesionless soil. In this type of material, erosion is manifested by suffusion. It corresponds to the detachment and transport of fine particles through the pore space of the coarse particles. First, a cohesionless soil reconstitution protocol is developed. The idea is to make wet mixtures with water content depending on the fine particle content. To overcome some problems encountered in carrying out the tests, the device is arranged vertically, and the materials tested are reconstituted from mixtures of sand particles. A parametric study on the influence of several parameters such as particle size distribution, flow pressure, nature and content of clay particles and initial density are conducted. The results show that the erodibility of the material depends on the shape of the particle size distribution. Indeed erosion is more pronounced for materials containing less fine particles. This erodability is more pronounced when the curve is gap-graded. Erodibility of the tested soils increases with the hydraulic load. The addition of clay particles increases the resistance to suffusion of the soils. Three categories of clayed or fine soils are tested: illite (Argile Verte de Velay), kaolinite (Speswhite), and crushed sand (C10). The results show that materials containing illite are more resistant to suffusion than materials containing kaolinite, whereas materials containing crushed sand are less resistant. This resistance to suffusion increases with clay particle content. The erosion of materials also depends on the initial density of the soil tested. Indeed, for the same applied pressure, the quantity of eroded particles decreases with increasing the initial density