Climate change consequences on the shrinking / swelling behavior and the stability of dams and levees
Effet du changement climatique sur les mécanismes de retrait-gonflement et la stabilité des digues et barrages
Résumé
Dikes and dams often include fine soil elements (clay and/or silt) that are sensitive to the atmosphere interaction. Depending on the initial moisture content and the initial dry density, shrinkage cracks may appear during dry periods in temperate climates. Their depth is limited, knowing that the thickness of the soil interacting with the atmosphere would be of the order of 2 or 3 meters according to some instrumented sites. These cracks can contribute to numerous disorders on hydraulic structures: higher loading, increasing hydraulic conductivity by several orders of magnitude, reduction of the safety factor or slippage due to rapid increase in water pore pressure, concentration of flows leading to the development of internal erosion mechanisms.
A model, that considers suction in the shrinkage analysis, is used to evaluate the extent of the shrinkage phenomena and their irreversible (first "loading" in suction) or reversible nature depending on the hydric stresses. It has been used to simulate the behaviour of structures in a temperate climate in two configurations: a site with low water gap (suction between 0 and 300kPa as in eastern France and England) and one with high water gap (suction between 0 and 1100kPa as in Italy).
With the climate changing, structures currently in a climate with a low water gap could change to a high water gap, leading to irreversible shrinkage cracks and hydraulic structures in fine soils made more vulnerable.
To limit the risk of shrinkage on new structures using fine soils, the authors recommend to increase the energy of compaction and reduce the compaction water content. For the most sensitive structures, some protection solutions exist (granular masks for example) but a wider reflection is needed to find solutions adapted to each context.
Les digues et barrages comprennent souvent des éléments en sols fins (argile et/ou limon) qui sont sensibles à l’environnement hydrique atmosphérique de l’ouvrage. Suivant la teneur en eau initiale et la densité sèche initiale, des fissures de retrait peuvent apparaitre en période sèche en climat tempéré. Leur profondeur est limitée, sachant que l’épaisseur de sol en interaction avec l’atmosphère serait de l’ordre de 2 ou 3 mètres d’après quelques sites instrumentés. Ces fissures peuvent contribuer à de nombreux désordres sur les ouvrages hydrauliques: mise en charge rapide, perméabilités augmentées de plusieurs ordres de grandeur, réduction du coefficient de sécurité voire glissement du fait de la mise en charge rapide, concentration des écoulements à l’origine du développement de ménanismes d’érosion interne.
Un modèle prenant en compte la succion dans l’analyse du retrait permet d’évaluer l’ampleur des phénomènes de retrait et leur caractère irréversible (premier « chargement » en succion) ou réversible en fonction des sollicitations hydriques. Il est utilisé pour évaluer le comportement des ouvrages en climat tempéré dans deux configurations : dans une zone à faible écart hydrique (succion entre 0 et 300kPa dans l’Est de la France et en Angleterre) et un site à fort écart hydrique (succion entre 0 et 1100kPa en Italie).
Avec le changement climatique, des ouvrages aujourd’hui en climat à faible écart hydrique pourraient passer à fort écart hydrique, conduisant à des fissures de retrait irréversibles et des ouvrages hydrauliques en sols fins rendus plus vulnérables.
Pour limiter les risques de retrait sur les ouvrages neufs en sols fins, il est recommandé d’augmenter l’énergie de compactage et réduire les teneurs en eau de mise en œuvre. Pour les ouvrages les plus sensibles, certaines solutions existent (masques granulaires par exemple) mais une réflexion plus large est à engager pour trouver des solutions adaptées à chaque contexte.