Cette étude porte sur l’utilisation des outils de la géostatistique pour évaluer l’importance des phénomènes de sédimentation dans le barrage Akdarya en Ouzbékistan. Les analyses de variogrammes et les techniques d’interpolation par krigeage ont permis de générer des données dans les zones non échantillonnées du barrage. A l’aide des données de terrain complétées par les données produites par les outils géostatistiques, de nouvelles cartes bathymétriques du barrage ont été générées et ont permis de calculer de façon précise l’évolution du volume d’eau stocké en fonction du taux de sédimentation. / Sedimentation processes in man-made water reservoirs reduce their main asset: the volume storage capacity. This raises engineering, environmental and economic issues for the communities around the world and in particular for the areas affected by strong water deficit. Because of Uzbekistan’s arid climatic conditions and uneven spatial and temporal water resources distribution, responsive and innovative water availability assessment surveys of all major water reservoirs are required. Bathymetric survey is a traditional method that is carried out for the estimation of reservoir volumes and surface areas for the corresponding reservoir stages in order to assess the water availability. Volume and surface area differences derived from multiple surveys of a reservoir provide storage loss estimates over time due to sedimentation. However, two main factors such as intensive field data measurement and post data-processing often limit the frequency of these surveys. Alternatively, innovative depth measurement technologies coupled with contouring and surface mapping programs provide automated reservoir volume and surface area calculations. This significantly reduces time, work load and financial burdens for reservoir sedimentation projects. This study deals with the use of a geostatistical approach to assess the reservoir sedimentation in the Akdarya reservoir in Uzbekistan. Geostatistical approach includes (semi-) variogram analysis and interpolation (kriging and simulations (turning bands)) techniques predicting values at unsampled locations for generating digital bathymetric surface models of reservoir bottom conditions in order to calculate volume and surface area at given water elevation. Simulation enables to have range of reservoir volumes and surface areas with the same probability in comparison to the kriging and traditional methods. This gives a real estimation of the water resource availability for operators and managers to sustainably manage natural resources and hydraulic infrastructure.

La résistance du till de la Romaine 3 a été étudiée sous sollicitations cycliques grâce à un nouvel appareil de cisaillement simple cyclique. Les essais ont été effectués à différentes teneurs en eau de compactage (côté sec et côté humide de l’optimum Proctor) et à différentes contraintes de cisaillement cyclique. Il a été démontré que les échantillons compactés du côté sec de l’optimum Proctor ont nécessité environ dix fois plus de cycles de cisaillement pour atteindre la rupture que les échantillons compactés du côté humide. Les essais effectués à faible ratio de cisaillement ont aussi nécessité l’application de dix fois plus de cycles de cisaillement que ceux effectués à ratio de cisaillement élevé avant d’atteindre la rupture. Le projet de recherche présenté s’inscrit dans le cadre de la chaire de recherche industrielle CRSNG – Hydro-Québec sur l’optimisation du cycle de vie des barrages en remblai. / The resistance of Romaine 3 till was studied under cyclic loading using a new cyclic simple shear apparatus. The tests were carried out at different compaction water contents (dry and wet sides of Proctor optimum) and at different cyclic shear stress levels. It was found that ten times more cycles were needed for samples compacted on the dry side of optimum to reach failure than for samples compacted on the wet side of optimum. It was also found that the tests carried out at low cyclic stress ratio took ten times more cycles to reach failure then tests carried out at high cyclic stress ratios. The presented research project is part of the NSERC – Hydro-Québec Industrial Research Chair in life cycle optimisation for embankment dams.

Un carottier à triple paroi a permis la récupération d'échantillons de calibre PQ3 et ZQ3, dans le till glaciaire des fondations du barrage Jules-Allard, dans le sud du Québec. Des essais cross-hole ont permis d'obtenir des modules de Young variant entre 1300 et 2600 MPa. Les essais triaxiaux consolidé non drainés de chargement monotones ont permis l'obtention de modules de Young Emax variant entre 290 et 6000 MPa, notamment en fonction de la fraction de gravier de l'échantillon. Les modules de Young des échantillons de calibre ZQ3 étaient similaires à ceux obtenus avec les essais cross-hole et leurs coefficients de Poisson étaient régulièrement nuls. Lors d'essais triaxiaux de chargement cycliques, les échantillons ont subi une contraction, avant de dilater à l'atteinte d'un point de transformation de phase, lorsque les contraintes ont croisé le cheminement de contraintes d'un échantillon chargé de façon monotone, à la même contrainte effective de consolidation. Mots clés: transformation de phase, comportement cyclique, till glaciaire, module de Young, vitesse de propagation d'onde de cisaillement, coefficient de Poisson. / A triple tube wireline core barrel allowed to retrieve PQ3 and ZQ3 calibre samples from the foundation glacial till of the Jules-Allard dam, South of Quebec. Cross-hole testing allowed to obtain Young's modulus ranging from 1300 to 2600 MPa. Consolidated-undrained triaxial monotonic testing, yielded Young's modulus Emax ranging between 290 MPa and 6000 MPa, notably as a function of the amount of gravel particles present in the samples. ZQ3 samples Young modulus were similar to those obtained using the cross-hole testing. In addition, the Poisson's ratio of these samples were regularly zero. During cyclic triaxial testing, contraction was followed by dilation when the samples reached a phase transformation point and the stress path intersected the stress path of a monotonically loaded sample having the same effective consolidation stress. keywords: phase transformation, cyclic behaviour, glacial till, Young's modulus, shear wave velocity, Poisson's ratio.

Barrages de corrections torrentielles et plages de dépôts jouent un rôle clés dans la protection contre les crues des torrents. Leurs gestionnaires ont pour mission de réduire les risques d'inondations, mais doivent désormais aussi minimiser les impacts environnementaux liés aux ouvrages de protection. Ceci nécessite une meilleure compréhension des effets des barrages de corrections torrentielles et des plages de dépôts sur le transport sédimentaire des torrents. Cette thèse s'inscrit dans cet objectif et se décompose en deux parties. Sa section sur l'état de l'art présente: i) les différents effets des barrages de correction torrentielle sur la production et le transfert sédimentaire; ii) des descriptions des processus hydrauliques et de sédimentation ayant lieu dans les plages de dépôts; et iii) les processus liés à la production et au transfert de bois d'embâcle. Une nouvelle méthode de quantification de la production sédimentaire des torrents complète cet état de l’art.La seconde partie de cette thèse présente le travail réalisé en banc d’essai expérimental. Une première série d’expérience a permis de mettre en évidence un transport par charriage plus régulier lorsque des barrages de correction torrentielle sont ajoutés à un bief alluvial. Une seconde série d’essais a été réalisée sur un modèle générique de plage de dépôt dans l’objectif d’en caractériser les écoulements. Pour cela, une nouvelle procédure de mesure et de reconstruction par approche inverse a été développée. Il en résulte une description des caractéristiques d’un écoulement proche du régime critique, ainsi que des mécanismes de rétrocontrôle entre morphologie et hydraulique pendant la phase de dépôt. / Check dams and open check dams are key structures in torrent hazard protection. Their managers must mitigate flood hazards, but now must also minimize the environmental impacts of these protection structures. This requires to improve the knowledge on the effects of check dams and open check dams on the sediment transport, and this thesis forms a contribution towards this end.The section on the current state of research reviews i) the diverse effects of check dams on sediment production and transfer; ii) descriptions of the hydraulics and sedimentation processes occurring in open check dams; and iii) woody debris production and trapping processes. This state of the art is completed with proposition of new bedload transport estimation methods, specifically developed for paved streams experiencing external supply or armour breaking.Experimental results are then provided. Firstly, flume experiments highlight the emergence of a more regular bedload transport when check dams are built in alluvial reaches. In a second stage, experiments were performed on a generic Froude scale model of an open check dam basin in order to capture the features of laterally-unconstrained, highly mobile flows. A new flow measurement and inverse-reconstruction procedure has been developed. A preliminary analysis of the results describes flows that tend toward a critical regime and the occurrence of feedback mechanisms between geomorphology and hydraulics during massive bedload deposition.

Les eaux continentales sont des sources de méthane (CH4), de dioxyde de carbone (CO2)et de protoxyde d’azote (N2O). Dans le but de préciser leur importance dans le bilan global des émissions de gaz à effet de serre (GES), de nombreuses études ont été réalisées afin de quantifier les différents flux de carbone et d’azote les parcourant. Ces flux sont perturbés par la mise en place de barrages sur le lit des fleuves. Peu d’études présentent des bilans de carbone et d’azote complets (apports, exports, flux vers l’atmosphère et enfouissement) pour les lacs de barrages, et elles concernent uniquement des écosystèmes boréaux et tempérés. Suite à la création d’un barrage, de la matière organique (MO) est mise en eau (sols et forêts), elle se dégrade rapidement les premières années suivant la mise en eau puis plus lentement par la suite. L’état de dégradation de la MO et la principale source de GES dans un lac de barrage près de 20 ans après la mise en eau sont souvent méconnus. L’étude réalisée 18 ans après la mise en eau du lac de Petit Saut (Guyane Française) est la première étude où les principaux éléments des cycles du carbone et de l’azote d’un lac de barrage hydroélectrique, et de son fleuve en aval, situé en climat équatorial et dont la création a entraîné la mise en eau de forêt primaire, sont étudiés près de 20 ans après la mise en eau. Cette étude se base sur (i) la mesure mensuelle de la qualité des eaux et des concentrations en carbone et azote en amont, dans, et en aval du lac de barrage, (ii) la mesure et/ou le calcul des différents flux de GES vers l’atmosphère, (iii) des données de la signature isotopique et de l’état de dégradation de la MO en amont, dans, et en aval du lac, (iv) des prélèvements de sédiments et de troncs d’arbres ennoyés en 1994 et (v) des incubations d’eau du fleuve, de sédiments et de troncs d’arbres du lac. L’ensemble des données collectées au cours des 12 mois de campagnes réalisées en 2012 - 2013 nous a permis de déterminer que (i) les sols inondés sont toujours des sources significatives de GES contrairement aux troncs d’arbres ennoyés, (ii) dans le lac 84 % des émissions de CH4 et 51 % des émissions de CO2 ont lieu dans la zone littorale (< 10 m de profondeur), (iii) 54 % du CO2 produit dans le fleuve en aval provient de la dégradation de la MO apportée par le lac. Cette étude nous a aussi permis de réaliser des bilans de carbone et d’azote à Petit Saut et un bilan des émissions de chacun des GES émis (CH4, CO2, N2O) près de 20 ans après la mise en eau. / Inland waters are sources of methane (CH4), carbon dioxide (CO2) and nitrous oxide (N2O). In order to define their importance in the global balance of greenhouse gases (GHG) emissions, numerous studies have been conducted to quantify the different fluxes of the carbon and nitrogen browsing them. These fluxes are modified by the creation of dams on river beds. Few studies present full carbon and nitrogen balances (inputs, outputs, fluxes to the atmosphere and sequestration) for reservoirs, and they concern only boreal and temperate ecosystems. The creation of a dam floods organic matter (OM) (soils and forests), which is rapidly degraded the first years following the impoundment and thereafter more slowly. The state of degradation of the OM and the main source of GHG in a reservoir nearly 20 years after impoundment are often unknown. The study conducted 18 years after the impoundment of the Petit Saut Reservoir (French Guiana) is the first study where the main elements of carbon and nitrogen cycles of an hydroelectric reservoir, and its river downstream, located in equatorial climate and which creation resulted in the flooding of primary forest, are studied nearly 20 years after impoundment. This study is based on (i) a monthly measurement of water quality and carbon and nitrogen concentrations upstream, in, and downstream of the reservoir, (ii) measurements and/or calculations of the different fluxes of GHG through the atmosphere, (iii) data of the isotopic signature and of the state of degradation of OM upstream, in, and downstream of the reservoir, (iv) sediments and 1994’s flooded tree trunks sampling and (v) incubations of downstream river water, sediments and tree trunks from the reservoir. All the data collected during the 12 months of campaigns carried out in 2012 - 2013 allowed us to determine that (i) flooded soils are still significant sources of GHG unlike flooded tree trunks, (ii) in the reservoir 84 % of CH4 emissions and 51 % of CO2 emissions occur in the littoral zone (< 10 m depth), (iii) 54 % of the CO2 produced in the river downstream of the dam come from the degradation of the OM provided by the reservoir. This study also allowed us to achieve carbon and nitrogen balances in Petit Saut and emission balance of each GHG emitted (CH4, CO2, N2O) nearly 20 years after impoundment.

Au Québec, il existe près de 6000 barrages et ouvrages régulateurs dont il est nécessaire d'assurer la sécurité et la stabilité. Les barrages-poids en béton, concernés par cette étude, sont soumis à plusieurs sollicitations telles que la poussée des eaux et l'action des sous-pressions. Ces sollicitations peuvent entraîner le cisaillement de l'ouvrage selon qu'elles se développent au sein d'une ou plusieurs interfaces suivantes: contact béton-béton, interface béton-roc de fondation et discontinuités roc-roc. La résistance au cisaillement de ces matériaux est gouvernée par leur friction et leur cohésion. La détermination de ces paramètres est donc primordiale dans l'établissement de la stabilité d'un barrage-poids en béton. Pour répondre à cette problématique, ce projet de maîtrise s'est concentré sur les paramètres de résistance au cisaillement (principalement l'angle de friction et la cohésion) des différentes interfaces des barrages, obtenus à partir des essais de résistance au cisaillement. Une base de données comportant plusieurs centaines d'essais a été constituée à partir de rapports d'essais de résistance au cisaillement disponibles sur des barrages-poids en béton du Québec.Au total, des essais provenant de 30 barrages-poids en béton, 4 carrières et 2 projets de barrages ont été incorporés dans la base de données. Ces ouvrages, construits entre 1911 à aujourd'hui, ont été investigués dans les années 1985 à 2010. Les données recueillies ont permis d'établir que plusieurs variables semblaient influencés [i.e. influencées] par la résistance au cisaillement. Les facteurs influençant les paramètres de résistance au cisaillement (tels que la nature du roc, la rugosité, l'effet d'échelle, la granulométrie, l'altération, etc.) ont été étudiés par des analyses statistiques. Notamment, les analyses en composantes principales ont permis d'établir des corrélations entre les différentes variables et les données d'essais, tandis que les classifications ascendantes hiérarchiques ont regroupé les données semblables et contribuer [i.e. contribué] à mieux comprendre les relations entre les variables. Plus particulièrement, ce sont les relations entre les paramètres de résistance au cisaillement et les types de roches formant les fondations rocheuses des barrages du Québec qui étaient recherchés [i.e. recherchées]. Les principaux résultats de ces analyses ont été les suivants : (1) Il n'existe pas de relation linéaire (c'est-à-dire directe) entre les paramètres de résistance au cisaillement et les divers types de rocher de fondation ; (2) Il n'y a pas d'effet d'échelle sur les résultats à l'échelle de l'éprouvette de laboratoire ; (3) Il existe une corrélation importante entre les paramètres de résistance au cisaillement et les paramètres de rugosité des épontes. Cette étude a donc permis de mieux comprendre le comportement au cisaillement des interfaces d'un barrage-poids en béton et d'établir que le facteur prépondérant demeure relié à la morphologie des épontes des discontinuités. En outre, certaines modifications à la méthodologie actuelle pour la détermination des paramètres de résistance au cisaillement ont été proposées, permettant d'approfondir les relations avec la rugosité des épontes.

Les barrages-poids en béton sont des structures essentielles afin de régulariser les apports en eau potable, la gestion des bassins hydrologiques et la génération d'électricité. Par contre, la plupart des barrages-poids, au Québec, ont été conçus et construits au cours du dernier siècle avec des méthodes d'analyse et des forces sismiques qui sont jugées inadéquates aujourd'hui. En effet, au cours des dernières décennies, les connaissances en sismologie, en dynamique des structures et en génie parasismique ont grandement évolué, rendant nécessaire la réévaluation des barrages existants afin d'assurer la sécurité du public. Actuellement, des méthodes déterministes, utilisant des facteurs de sécurité, sont utilisées pour évaluer la sécurité des barrages. Cependant, étant donné le caractère aléatoire des sollicitations sismiques et des incertitudes sur les matériaux et propriétés d'un barrage, les méthodes probabilistes se révèlent plus adaptées et deviennent de plus en plus populaires. L'une de ces méthodes est l'utilisation de courbes de fragilité. Ces courbes sont des fonctions permettant de représenter la probabilité d'endommagement ou de rupture d'une structure pour toute une gamme de chargement. Ce projet de recherche présente donc le développement de courbes de fragilité pour évaluer la vulnérabilité sismique de barrage-poids en béton. La méthodologie est appliquée à un barrage spécifique, le barrage-poids aux Outardes-3, le plus grand barrage-poids en béton au Québec. La méthode des éléments finis est utilisée pour modéliser ce barrage et prendre en compte les différentes interactions entre le barrage, le réservoir et la fondation. De plus, des résultats d'essais dynamiques in situ sont utilisés pour calibrer le modèle numérique. Les courbes de fragilité sont ensuite générées à l'aide d'analyses dynamiques temporelles non linéaires afin d'évaluer deux états limites d'endommagement : le glissement à la base du barrage et le glissement aux joints de reprise dans le barrage. Les incertitudes associées aux paramètres de modélisation et à la sollicitation sismique sont incluses dans l'analyse de fragilité et ces sources d'incertitudes sont propagées à l'aide d'une méthode d'échantillonnage. Une étude de sensibilité est également réalisée afin de déterminer les paramètres de modélisation ayant une influence significative sur la réponse sismique du système. L'incertitude associée à la variation spatiale des propriétés du barrage est également prise en compte et est modélisée à l'aide de champs aléatoires ; cette source d'incertitude peut s'avérer importante pour des ouvrages de grandes dimensions comme les barrages. Les résultats montrent que la variation spatiale des propriétés du barrage a un impact minime sur la fragilité du barrage aux Outardes-3 et qu'elle pourrait être négligée. Malgré tout, la méthodologie mise en place pour développer des courbes de fragilité applicables aux barrages-poids est efficace, pratique et donne d'excellents résultats. Par surcroît, un des grands avantages des courbes de fragilité est qu'elles permettent d'obtenir des informations quantitatives sur la vulnérabilité d'un barrage au contraire des méthodes déterministes actuelles.

Dans ce mémoire, des approches contribuant à l'évaluation de la performance d'un barrage sont proposées. Les développements portent sur : -une méthode d'évaluation déterministe de la performance des barrages par recueil, formalisation et agrégation de différentes sources de connaissances ; -une base de connaissances sur les phénomènes de dégradation des barrages permettant la capitalisation des connaissances du domaine ; -une méthode d'analyse des imperfections ; -une méthode non déterministe d'évaluation de la performance qui procède par représentation des imperfections et leur propagation dans le modèle. Ces différentes méthodes ont conduit à trois outils informatiques : une interface d'aide à l'évaluation de la performance, un système de traçabilité des données et une base de connaissances sur les phénomènes de dégradation. Ces approches sont illustrées sur les barrages en remblai et plus spécifiquement le mécanisme d'érosion interne

L’Orge est une petite rivière de plaine fortement segmentée, du bassin parisien. En 2010, elle comptait en moyenne un clapet tous les kilomètres sur sa partie aval. Pour rétablir la continuité écologique du cours d’eau, le Syndicat de l’Orge efface progressivement ces ouvrages. L'objet de cette thèse est le suivi biogéochimique, hydro-sédimentaire et écologique d'un bief de l’Orge de 6 km où 3 clapets consécutifs ont été effacés.Les hauteurs d’eau dans la rivière ayant baissé, des bancs de vase ont été mis à l'air. Ces banquettes de sédiments subissent des séquences d’inondation/exondation au rythme des crues. Les transformations de l’azote et du soufre y sont particulièrement actives et dynamiques. Cependant, les faibles flux d’eau échangés (modélisation) limitent l’impact des banquettes sur la rivière. Des processus intenses de précipitation/solubilisation des sulfates, liés aux variations des niveaux d’eau, ont une importance non négligeable sur la dégradation de la matière organique et la production d’ammonium dans la banquette.La capacité de transport de sédiments de la rivière a fortement évolué suite aux effacements, ce qui se traduit par l’apparition d'une granulométrie plus grossière en fond de lit. Ont été évalué la nouvelle vitesse de transit des particules charriées et le temps nécessaire pour atteindre un nouvel équilibre du lit et des espèces biologiques qui y vivent. Les indicateurs biologiques montrent que les effacements améliorent l’habitabilité de la rivière.Ces suivis montrent l’impact positif des effacements de barrage sur une rivière de plaine, même si un suivi dans la durée reste nécessaire pour confirmer les évolutions mises en évidence. / Orge is a lowland river from Seine’s watershed, France. In 2010, Orge River was highly segmented with on average one dam (< 2m) every kilometer in downstream part. To restore the ecological continuity of the river, the “Syndicat de l’Orge” gradually removes these little dams. The purpose of this thesis is the monitoring of hydro-morphology, biogeochemistry and ecological of a section of 6 km of Orge where 3 consecutive dams have been removed in spring 2010.After the water level decrease, some previously drowned sediment deposits appear along the river bank. These sediment banks are frequently inundated by high flows. Nitrogen and sulfate processes are very intense onto these banks. However, a model shows that water fluxes limited biochemical impact of sediment banks on the river. Intense precipitation/solubilization sulfate processes, link with water level variations, have a significant importance on organic matter degradation and ammonium production in sediment banks.The sediment transport capacity of the river has changed significantly after dam removal. It results in an increase of the maximum transportable diameter of the river, leading to the appearance of a coarser bed in-situ. It was possible to evaluate the new transit speed of particles carried along and highlight the time required to reach a new equilibrium of the bed and the biological species that live there. Biological indicators show that removals enhanced the livability of the river.All these studies show the positives impacts of dam removal on a lowland river, even if a monitoring in time is still needed to confirm the first developments highlighted here.

La resuspension de sédiments contaminés peut entraîner le relargage d'éléments traces métalliques (ETM) dans la phase dissoute. Pour anticiper le risque de remobilisation des ETM lors de la vidange des retenues de barrages et créer un modèle géochimique permettant de prédire ce risque, des expériences de resuspension de sédiments provenant de trois retenues ont été réalisées pendant une semaine dans un réacteur. Le pH et le potentiel redox ont été suivis en continu et des échantillons ont été prélevés afin de mesurer l'évolution des ETM dissous. Trois grandes tendances d'évolution des ETM ont été mises en évidence et ne sont pas modifiées par les variations des masses de sédiment en suspension (entre 2 et 9 g/L): 1) Cr, Cd et Zn ne sont pas relargués. 2) Mn, Fe Co, Pb, ainsi que As pour deux retenues, augmentent puis diminuent au cours du temps. Ces éléments sont contrôlés par les oxyhydroxydes de Fe et de Mn et l'évolution du potentiel redox dans la solution. 3) Mo, Al, ou As pour une retenue, continuent d'augmenter à la fin des expériences, révélant des processus de relargage plus lents et une stabilisation dans la phase dissoute. Dans les trois retenues, As est l'élément le plus fortement et durablement relargué. Ces données expérimentales ont été utilisées pour calibrer un nouveau modèle géochimique développé par EDF sur ECOLEGO, intégrant la cinétique des réactions d'échange des ETM entre la phase dissoute et trois types de phases solides: les oxydes, les particules organiques et les carbonates. La calibration des paramètres cinétiques permet de bien reproduire les évolutions temporelles des concentrations qui augmentent (relargage) puis diminuent (piégeage). / The resuspension of the contaminated sediments may promote the remobilization of trace metals to the dissolved phase, threatening the water quality. The dam reservoirs sometimes need to be fully drawn down and being able to anticipate the release of the contaminants is essential to improve the management of reservoirs and assess the risk of water quality degradation. Surface sediments were collected in three contaminated dam reservoirs and aliquots of wet sediments were resuspended for a week in a reactor. The pH and the redox potential were continuously measured, dissolved samples were collected and the evolution of dissolved trace elements concentrations were measured. Depending on the elements, different temporal trends can be highlighted during the resuspension experiments. These evolutions were reproducible, regardless of the mass of sediment used from 2 to 9 g/L. 1) Cd, Cr and Zn were not released; 2) Mn, Fe, Co, Pb and As for two reservoirs, increased and then decreased during the experiments and were regulated by the Fe- and Mn-oxyhydroxides and the redox potential; 3) Al, Mo, or As for one reservoir, were still increasing at the end of the experiments, showing slower release processes and the stabilization of these elements under dissolved forms. For theses three reservoirs, As showed the greatest and the most prolonged release during resuspension. The experimental trends of dissolved metals were used in the firts calibration steps of a new chemical speciation model developped by EDF, which takes several kinetic rates into account for the exchange reactions of dissolved metal between water and three types of solid phases.