PROJET ERINOH Comité Directeur Paris 29 novembre 2007 Projet National ERINOH 2007-2010 Erosion Interne des Ouvrages Hydrauliques

PROJET ERINOH

Comité Directeur Paris 29 novembre 2007

Projet National ERINOH2007-2010

Erosion Interne des Ouvrages Hydrauliques

PROJET ERINOH


ENJEUX ?

1 Améliorer la sécurité publique 1RUPTURE/AN EN FRANCE

2 Réduire le coût pour la société Baisse des dégâts des inondationséconomie de 10 millions Euro/an

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Recherche d’une méthodologie d’évaluation du risque (Fell & Fry 2007)

– 1 Situations– 2 Positions– 3 Initiation– 4 Filtration– 5 Progression– 6 Détection – 7 Intervention– 8 Prévention

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Le Problème en 8 questions

1 – Où et de quelle nature est l’érosion interne?2 – Quand et comment évolue l’érosion interne?3 – Peut-on simuler l’érosion interne locale?4 – Peut-on détecter à temps l’érosion interne? 5 – Comment améliorer les défenses?6 – Quelles conséquences en cas de rupture?7 – Peut-on valider les résultats sur sites?8 – Comment mettre à disposition les résultats?

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Le Programme en 8 thèmes

A – Bases de données et grille d’analyseB – Seuils et cinétiques d’érosion (ANR)C – Simulation Migration/colmatageD – Pérennité des parois et sols injectésE – Logiciel de modélisation du renardF – Méthodes de détection (ANR)G – Tests et expérimentation en vraie grandeurH – Valorisation

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A – Base de données et analyse pathologie

Agigawa Japan

Water Resources

Development Public Corp.

Welded tuffaceous rhyolite with granitic

porphry intrusions, highly fractured.

Rock

Ajuare Sweden - Glacial activity.River section of embankment on

bedrock. Abutments on glacial till.

Ataturk Turkey - Limestone Rock - karst limestone

Bath County Upper Dam

USA, Virginia -Sedimentary -

sandstones and siltstones

Rock

Beliche Portugal - SchistsCore and filters on MW schists, rockfill

on alluvial sands and gravels of medium density.

Bellfield Australia, VictoriaWimmera

Mallee Water

Sedimentary, mainly sandstones; granite

intrusions.

Variable. At maximum section core and upstream shoulder on sandstone,

downstream shoulder on alluvium.

Bjelke PetersonAustralia,

QueenslandQDNR (now Sun Water)

Complex geology, mix of sedimentary,

metamorphic and volcanic

Excavation to bedrock for core and rockfill shoulders.

BloweringAustralia, New South Wales

State Water DLWC

Slightly metamorphosed sedimentary -

interbedded phyllite, siltstone & quartzite

Excavation to bedrock for core and rockfill shoulders.

ChaffeyAustralia, New South Wales

State Water DLWC

Sedimentary - Jasper & Siltstone

Core and most of downstream shoulder on bedrock (MW to FR). Upstream

shoulder on dense alluvial gravels (~ 12 thick).

Cherry Valley USA, San FranciscoHetch Hetchy Water Supply

Granite, glacially scoured valley

Rock. Strip to weathered rock, cutoff to fresh granite.

Chicoasen Mexico -Limestone, some clay

shales

Core on bedrock. Shoulders in river section on up to 60 m depth of granular

alluvial deposits containing large boulders.

CopetonAustralia, New South Wales

State Water DLWC

porpyritic biotite granite Rock

Corin Australia, ACT ACTEWfolded quartzite, silicified sandstone & siltstone.

Rock

Name

GENERAL DETAILS

Geology FoundationOwner/

AuthorityLocation

1990's - 5,1,1 c-tn CL 102 460 4.5 2.6H to 1V 2H to 1VThin central clay core supported by compacted rockfill

shoulders. Single filter zones up and downstream of core and drainage layer on downstream foundation.

Karasawa et al (1994)Yamazumi et al (1991)

1966, Oct 2 5,2,2 c-tn SM 46 525 11.4 1.8H to 1V 1.7H to 1VVery narrow central core with near vertical downstream edge

supported by poorly compacted rockfill shoulders. Foundation filters used due to high fines content of rockfill.

Nilsson & Norstedt (1991)

1990, Aug 3.6 5,2,0 c-tm CH 184 1664 9.0 2.15H to 1V 2.2H to 1V

Central clay core aligned slightly to upstream supported by rockfill shoulders of weathered to fresh rock types. Deep

grout curtain (>180 m) in karst limestone. Cofferdam incorporated into the upstream toe of the embankment. The

dam axis is arched to upstream.

Cetin et al (2000)Cetin (2002)

Oziz et al (1990)Lask & Reinhardt (1986)

1984, Dec 3 5,2,0 c-tn SC (?) 134 670 5.0 2.4H to 1V 2.5H to 1V

Thin central core with rockfill sourced from weathered to fresh rock types. A zone of fresh rockfill is used immediately downstream of the filters and on the downstream foundation

for leakage control purposes.

Wong et al (1992)

1985, Mar 3 5,2,2 c-tn GC 55 527 9.6 2H to 1V 1.95H to 1VNarrow central core with weathered (Zone 3A) to fresh (Zone

3B) poorly compacted rockfill shoulders. Cofferdam upstream of the main dam.

Naylor et al (1997)Maranha Das Neves et al (1994)

Naylor et al (1986)Pagano et al (1998)

1966, Apr 2.25 5,2,0 c-tm CL/SC 40 823 20.6 1.6H to 1V 1.42H to 1V

Medium width central core with dry dumped rockfill shoulders. Embankment design changes associated with

changes in foundation conditions. Slopes a series of steep benches at 1.2 - 1.33H to 1V (angle of repose).

Currey et al (1968)SMEC (1998a)

1988, Sept 1.7 5,2,1 c-tn CL 41.5 650 15.7 1.7H to 1V 1.7H to 1VVery narrow central core (0.1H to 1V up and downstream)

with compacted rockfill shoulders.

QWRC (1986a, 1986b)Eadie (1988)QDNR (1997)

Hadgraft (1984)

1968, Apr 2 5,2,0 c-tm SC - CL 112 808 7.2 1.9H to 1V 1.9H to 1VCentral core (slopes of 0.5H to 1V up and 0.4H to 1V

downstream) supported by compacted rockfill shoulders.

SMHEA (1964)Svenson (1964)

Olsauskas et al (1966, 1967a, 1967b, 1968)

Hunter & Bacon (1970)Bacon (1969, 1999)

1979, Mar 1 5,2,0 c-tm CH/GC 54 530 9.8 1.75H to 1V 1.75H to 1V

Central clay core supported by compacted rockfill shoulders. Cofferdam at upstream toe. Large bench on upstream slope

at 24 m depth below crest level. Disposal area at downstream toe.

DWR NSW (1989)WRC NSW (1979)

Newland & Davidson (1979)

1955, Oct 2 5,2,0 c-tk SM/ML 100 793 7.9 1.85-2H to 1V 1.85-2H to 1VBroad central core (0.7-0.75H to 1V) with thin filters zones

and dumped and sluiced rockfill shoulders. Outer slopes in a series of benches sloped at 1.33H to 1V.

Lloyd et al (1958)Cooke & Strassburger (1988)

1980, May - 5,2,0 c-tn GC 261 463 1.8 2.35H to 1V 2H to 1VNarrow central core with wide filter zones supported by well compacted rockfill shoulders. Constructed in 125 m wide

gully with near vertical abutment slopes.

Alberro & Moreno (1982)Moreno & Alberro (1982)

1973, June 1.75 5,2,0 c-tm SC 113 1484 13.1 1.7H to 1V 1.8H to 1V

Central clayey sand core supported by reasonably to well compacted rockfill (outer zone poorly compacted).

Cofferdam incorporated into the upstream toe. Embankment slopes of 1.6H to 1V on the mid to upper slopes and 2H to

1V on lower slopes.

LWC NSW (1995a)PWD NSW (19XX)

1968, Jan 1 5,2,0 c-tm SM 74 282 3.8 1.8H to 1V 1.8H to 1VCentral core supported by compacted rockfill shoulders.

Filters / transition 10.6 m wide downstream and 9 m wide upstream of the core.

CDW (1970)ACTEW (1994)

Construction Timing

CONSTRUCTION / DESIGNEmbankment Classification

Dimensions

Comments on DesignYear

CompletedTime

(years)

Dam Zoning

Classn

Core Width / Slope

Core Type

Height, H (m)

Length, L (m)

Ratio L/H

Downstream Slope

(H to V)

Upstream Slope

(H to V)

References

CAUSES?PHENOMENES?

CONSEQUENCES?TEMINOLOGIE?

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A – Base de données et analyse pathologie

1 Création Base de Cas réels de Rupture (EDF)Analyse des causes et de l’enchaînementRéférences pour validation de modélisation

2 Création Base d’Incidents (CEMAGREF)Analyse des causes et de l’enchaînementRéférences pour évaluation du risque

3 Importation des cas (CNR, VNF, EDF, CEMA...4 Exploitation (CNR, VNF, EDF, CEMAGREF)

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B Seuils d’arrachement et cinétique d’érosion

Gradient critique icrit ?

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3 LIVRABLESDES DISPOSTIFS EXPERIMENTAUX

– CEMAGREF – GèM St. NAZAIRE– LTHE GRENOBLE– LMPG HAVRE– LCPC

DES LOIS D’EROSION

DES BASES DE DONNEES

B Seuils et cinétiques d’érosion

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Phénomènes étudiés4 conditions d’érosion– Érosion régressive – Érosion de conduit– Érosion de contact– Suffusion

Condition de dépôt– Colmatage


laboratoires :– GèM – Cemagref, LCPC– LTHE– GèM

– LMPG

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i (m/m)0 i3 i2i1

Pas d’érosion mesurable

Suffusion sans colmatage

Suffusion avec colmatage

Érosion régressive

Exemple de résultats au GèM St-NazaireI1, i2, i3 = f ( paramètres : confinement, % de fines, nature des matériaux ….)


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Résultats au LTHE Y-H Faure, C C Ho

Alimentation par un réservoir à niveau constantavec mesure du débit

DébimètreTurbidimètre

Grille<d15

Sol 1

Sol 2

700 mm

écoulement

B Seuils et cinétiques d’érosionFlow velocity V - Soil Erosion Rate μ ( G1 )

0

20

40

60

80

100

120

140

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5

Velocity V (cm/s)

Ero

sio

n r

ate

(to

n/m

2 /an

)

P = 50 kPa

P = 10 kPa

Vc

Flow velocity V - Soil Erosion Rate μ ( G1 )

0

20

40

60

80

100

120

140

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5

Velocity V (cm/s)

Ero

sio

n r

ate

(to

n/m

2 /an

)

P = 50 kPa

P = 10 kPa

Vc

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Longueur 1 m

Capteurs depression

Echantillonde sol

de longueurvariable

EntréeEau claire

SortieEau chargée

Vue de dessusFiltres amont etaval possibles

Turbidimètre

Débitmètre

Hole Erosion Test Slot Erosion TestRESULTATS DU CEMAGREFNadia Benahmed, Stéphane Bonelli

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Nadia Benahmed, Stéphane Bonelli R

ayo

n a

dim

en

sio

nn

éR

ayo

n d

u t

rou

Ray

on

du

tro

uR

ayo

n a

dim

en

sio

nn

é

Loi d’échelle S. BONELLI (CEMAGREF) à pression constante à débit constant

Temps adimensionnéTemps


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C – Simulation multi-échelle de migration et de colmatage

GeM: P.Y. Hicher, N. SaiyouriLTDS: B. Cambou, E. Vincens et N. ReboulLMPG : A. Benamar H. WangLTHE: Y.H. FaureCEMAGREF: S. BonelliEDF :J-J Fry

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Simulations numériques

C – Simulation multi-échelle de migration et

de colmatage

?

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C – Simulation multi-échelle de migration et de colmatage

GeM: Approche continue de l’érosionLTDS: Approche discrète de la filtrationLMPG : Modélisation du colmatageLTHE: Modélisation impact géotextileCEMAGREF: Loi d’érosion d’interfaceEDF : Modélisation d’un conduit avec filtre

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E – Modélisation du renard

LIVRABLE Maquette du logiciel d’évaluation de l’hydrogramme de rupture

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D – FAISABILITE ET PERENNITE DES SOLS TRAITES

Maitres d’Ouvrages Publics ou Privés- SNCF - VNF - BRL - EDF - FNTP

Laboratoires de recherche

- ECN / GéM (P.Y. Hicher)

- ENPC/CERMES (J. Canou)

Entreprises - SOLETANCHE-BACHY – SEFI-INTRAFOR

- ASF & MINOVA

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D – FAISABILITE ET PERENNITE DES SOLS TRAITES

1 Pérennité des sols traités

2 Injection sous écoulement fort

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F – Méthodes de détection

2 - Ouvrages en charge: digues, excavations Mettre au point une méthode d’auscultation à grand rendement

Développer des techniques de surveillance en continu des ouvrages

Améliorer les méthodes de détection

Développer une méthode d’estimation du débit de fuite

3 - DiguesÉvaluer l’impact du réseau racinaire

1 - Digues de protection contre les crues (suite PN CRITERRE) Poursuivre l’évaluation des méthodes d’auscultation à grand rendement en périodes de crues et post-crues

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• Expérimentation sur sites tests : Étude de sensibilité des méthodes de détection

- Évaluer les performances des méthodes sur remblai à 2 états hydriques,

- Mise au point d’un protocole expérimental pour le suivi en continu

- Étudier la sensibilité des méthodes de détection sur site à caractéristiques « connues »

• Développement de nouvelles méthodes et de nouveaux moyens de mesure :

- Capteur RMT, nouveau dispositif de mesure de PS par traîné aquatique

- Méthode quantitative d’évaluation des fuites (vitesse, débit)

• Modélisation : Étude de l’influence des grandeurs…

- internes (nature et état matériaux, hétérogénéité, géométrie, topographie..)

- externes (environnement)

- Effet des configurations expérimentales

F – Méthodes de détection 2007

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Géophysique et

détection danger végétal6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

X (m) côté aval de d igue (fo

ssé)

Y*10 (m ) côté am ont de d igue

p iézom ètre

profil N °1

profil N °2

profil N °3

profil N °4

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Inversion couplée

PS-resistivité électrique

Débit de fuite

A. REVIL & A. BOLEVE

Digue saine

Zone de fuite

Caractéristique électrocinétique des matériaux

++

Digue avec fuite


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Simulation d’écoulement en cuve 2D dans un matériaux sableux

Mesure du signal PS dans tout l’espace 2D associé à l’écoulement

Estimation par problème inverse de la vitesse d’écoulement à partir des données PS

Etape 1

Etape 2

Etape 3


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G Tests et expérimentation en vraie grandeurValider modélisation et

méthodes de détection

Approche transversale pour valider les outils développés dans le PN

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1 Modélisation de mécanismes d’érosion

Érosion par surverse et écoulement interne

-Applications sur ouvrages réels « à problèmes »-Validation des modélisations basées des essais -Projet IJKDIJK

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2 Validation de critères ou de loi d’érosion sur prototype

- Essais sur modèles « réduits » CNR- Digue H=2m x L=10m x l= 3m ?- Charge d’eau = 4m+- Système à concevoir pour être représentatif- Suivi de l’entraînement des fines jusqu’à la ruine

complète de l’ouvrage

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3 : diagnostic des digues

Détection d’hétérogénéités et de fuites - polarisation spontanée, fibres optiques, EM basse fréquence, panneaux électriques, etc.

Applications

1. Site sur le Rhin : Surveillance en continu (12/2006 ->)

2. Site sur la Loire équipé par le projet HYDRODETECT-SAFEDYKE (09/2007)

3. Fouille (parking, immeuble, etc…)

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H – Recommandationset publications

2003 2007 2007

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La synergie Un réseau international

TC33

ERINOH

CIGBEGT EI

USBR USACE

ARS

DELFT7°PCRD

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La valorisation en 5 rapports clés

2003 – Synthèse IREX sur l’érosion interne2007 – Internal erosion of Dams and their

foundation Fell & Fry Taylor&Francis2007 – « Methodology for Assessing the

Likelihood of Internal Erosion and Piping of Embankment Dams and their Foundations » European Club of ICOLD site internet TUM

2008 – Rapport ANR2010 – Rapport PN

Participation à la normalisation du dimensionnement des ouvrages hydrauliques

Documents

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