Le projet Overcome : comprendre et modéliser les processus d’érosion par surverse des digues et barrages en remblai constitués de matériaux grossiers à granulométries étalées
Résumé
Predicting overflowing erosion of levees and embankment dams is one of the major difficulties in assessing the safety of these structures. Although it has been identified as the main failure mechanism in almost half of all levee failures, the methods and tools available to engineers to characterize it deterministically are still very limited. In particular, no numerical modelling tool validated to the required level is yet available to characterize the erosion process in geometric and temporal terms, taking into account the behavior of the soil material constituting the embankment and its foundation and the hydraulic loadings specific to levees. For the time being, therefore, engineers have to make do with empirical approaches: so-called “expert judgement” criteria or empirical formulae. These highly simplified approaches are known for their high discrepancies and their inability to guarantee systematically conservative results. It was with the ultimate aim of significantly improving the robustness and accuracy of overflowing erosion prediction tools for engineers that EDF and CNR decided to launch the Overcome research project. The aim of this project is to include, within the TELEMAC-2D open-source digital platform, modules representing different types of physical processes associated with levee overflowing, based on a highly advanced multi-scale experimental approach. This paper presents the very first results of one of the first subjects investigated by this project: the description of the physical mechanisms of overflowing erosion of embankments constituted with coarse gap-graded soils. These soils are found in a large proportion of levees located in mountain areas or in valleys just downstream. An initial series of small-scale overflow tests was carried out in the laboratory of the Polytechnic University of Madrid, using homogeneous embankments 55cm high constituted with three different materials: fairly uniform sand, granite gravel and alluvial coarse gap-graded soil from the CNR site at Montfaucon. While the tests with the sand embankments confirmed the expected surface erosion mechanism, it was quite surprising to see significant differences in the erosion mechanism between the Montfaucon and granite gravels materials. In the Montfaucon material, the mechanism resembles surface erosion, whereas with the granite gravel, the erosion mechanism begins with “headcut migration” and then evolves into surface erosion. In addition, the Montfaucon soil proved to be four times less erodible than the granite gravel. These initial results need to be confirmed by additional small-scale repeatability tests and larger-scale tests.
La prédiction de l’érosion par surverse des digues de protection contre les crues et des barrages en remblai constitue l’une des difficultés majeures dans l’analyse de la sûreté de ces ouvrages. Bien qu’identifié comme étant le mécanisme de rupture dominant de près de la moitié des ruptures de digues fluviales, les méthodes et outils dont disposent les ingénieurs pour le caractériser, de manière déterministe, restent encore très limités. Notamment, la caractérisation du processus d’érosion, en termes géométriques et temporels, prenant en compte le comportement des matériaux constitutifs du remblai et de sa fondation et les spécificités des sollicitations hydrauliques sur les digues, n’est encore à la portée d’aucun outil de modélisation numérique validé au niveau requis. Les ingénieurs doivent donc, pour l’instant, se contenter d’approches recourant largement à l’empirisme : critères dits « de jugement d’expert » ou formules empiriques. Ces approches très simplifiées sont connues pour présenter de fortes incertitudes et ne pas garantir des résultats systématiquement du côté de la sécurité. C’est dans le but final d’améliorer significativement la robustesse et la précision des outils de prédiction de l’érosion par surverse pour les ingénieurs, qu’EDF et CNR ont décidé de lancer le projet de recherche Overcome. L’objectif de ce projet est d’inclure au sein de la plateforme numérique open source TELEMAC-2D des modules représentant différents types de processus physiques en lien avec les ruptures par surverse de digues, basés sur une approche expérimentale multi-échelles très poussée. Cette communication présente les tous premiers résultats de l’un des premiers sujets investigués par ce projet : la description des mécanismes physiques d’érosion par surverse des remblais constitués de sol grossiers à granulométrie étalés. Ces sols sont présents dans une grande partie des digues situées en zones montagneuses ou dans les vallées situées juste en aval. Une première série d’essais de surverse à petite échelle a été menée au laboratoire de l’Université Polytechnique de Madrid, en réalisant des remblais homogènes de 55 cm de hauteur à partir de trois matériaux différents : un sable assez uniforme, un gravier de granite et un sol alluvionnaire à granulométrie étalée, issu du site CNR de Montfaucon. Si les essais avec le remblai en sable ont confirmé le mécanisme attendu d’érosion de surface, il a été assez surprenant de voir des différences significatives de mécanisme d’érosion entre les matériaux de Montfaucon et graviers de granite. Dans le matériau de Montfaucon, le mécanisme s’apparente à de l’érosion de surface, tandis qu’avec le gravier de granite, le mécanisme d’érosion débute avec du « Headcut migration » puis évolue à la fin en érosion de surface. Par ailleurs, le sol de Montfaucon s’est avéré quatre fois moins érodable que le gravier de granite. Ces premiers résultats appellent à être confirmés par des essais de répétabilité à petite échelle et des essais à plus grande échelle.