Un barrage est une structure qui est construite sur une rivière pour contrôler l'eau. L'un des types de barrages est un barrage en remblai. Les deux principaux types de barrages en remblai sont les barrages en terre et les barrages en enrochement, selon les matériaux utilisés dans la construction du barrage. La rupture de barrage est l'un des problèmes les plus importants de la structure des barrages. De nombreux facteurs sont à l'origine de la rupture d'un barrage. Le débordement est l'une des principales causes de rupture de barrage. Le développement de la brèche dans le barrage peut causer des dommages irréparables. La rupture de remblai a récemment attiré plus d'attention en raison de l'importance de ce problème. Cette recherche a étudié la rupture d'un barrage en remblai en raison d'un débordement. Cinq essais expérimentaux réalisés en dispositif à flume au laboratoire de l'Université Laval. Un modèle a été construit avec du till romaine 3 (T₁), un modèle a été construit avec du sable pur (T₂) et trois modèles ont été construits avec des mélanges sable-argile (T₃, T₄ et T₅). Le développement de l'érosion pour différents matériaux observé lors des essais de rupture de remblai et l'analyse des résultats sont décrits dans cette recherche. / A dam is a structure that is built across a river to control water. One of the types of dams is an embankment dam. The two principal types of embankment dams are earth dams and rock-fill dams, depending on the materials used in construction of the dam. Dam failure is one of the most important problems in dam structure. There are many factors that causes of dam failure. Overtopping is one of the main causes of dam failure. Development of the breach in the dam can cause irreparable damage. Embankment breaching has recently drawn more attention due to importance of this issue. This research studied breaching of embankment dam due to overtopping. Five experimental tests carried out in flume device in laboratory of Laval University. One model was constructed of till of romaine 3 (T₁), one model was constructed of pure sand (T₂) and three models were built of sand-clay mixtures (T₃, T₄ and T₅). The erosion development for different materials observed during embankment breaching tests and the analysis of the results are described in this research.

La surverse est un phénomène qui survient lorsque le niveau du réservoir dépasse celui de la crête du barrage permettant à l'eau de s'écouler sur la face aval de l'ouvrage de retenue. Lorsque ce dernier est composé de sol, l'écoulement initie le processus d'érosion superficielle qui peut mener à la rupture du barrage. L'objectif principal de cette étude est d'étudier la rupture par surverse des barrages en remblai à l'échelle du laboratoire en utilisant la technologie LiDAR. Pour atteindre cet objectif, un canal expérimental a été développé, à l'intérieur duquel un modèle physique d'un barrage en remblai à l'échelle du laboratoire est construit. Ce montage expérimental permet de reproduire la rupture d'un barrage en remblai due à la surverse tout en contrôlant les conditions hydrauliques et géotechniques. Le canal expérimental a également permis de mesurer les paramètres essentiels à l'étude de la surverse. En effet, l'évolution temporelle du débit d'eau s'échappant du réservoir, ainsi que le niveau du réservoir ont pu être mesuré. De plus, le LiDAR a permis d'obtenir des images en 3D du barrage pour chaque seconde de l'essai de surverse. Ensuite, la technologie LSPIV (Large Scale Particle Image Velocimetry) a été intégrée au montage expérimental dans le but d'estimer la vitesse de l'eau s'écoulant sur la face aval de l'ouvrage qui servirait à calculer la force de cisaillement appliquée sur les grains de sol. Pour continuer, des sols dont la proportion de kaolin et de sable varie ont été utilisés pour la construction des barrages, et différents chargements hydrauliques ont été appliqués, afin d'en déterminer l'effet sur le processus d'érosion qui survient lors de la surverse. Afin de traiter les données expérimentales recueillies lors de cette étude à partir du LiDAR, il a fallu développer une méthodologie d'analyses. Cette dernière a permis de calculer les volumes de sol érodé, les taux d'érosion et l'évolution de la brèche dans le temps. En se basant sur ces données, un modèle de prédiction du temps de rupture des barrages en remblai soumis à une surverse est proposé, visant à devenir un outil de conception dans l'avenir. / Overtopping occurs when the reservoir level exceeds the crest level of the dam, allowing water to flow over the downstream face of the retaining structure. When the structure is composed of soil, this flow initiates a surface erosion process that can lead to dam failure. The main objective of this study is to investigate embankment dam overtopping on a laboratory scale using LiDAR technology. To achieve this objective, an experimental channel has been developed, within which a physical model of a laboratory-scale embankment dam is constructed. This experimental setup allows the simulation of the embankment dam failure due to overtopping while controlling hydraulic and geotechnical conditions. The experimental channel also facilitated the measurement of essential parameters for studying overtopping. This includes the temporal evolution of outflows and the reservoir level. Additionally, LiDAR was used to capture 3D images of the dam every second during the overtopping test. Furthermore, LSPIV (Large Scale Particle Image Velocimetry) technology was integrated into the experimental setup to estimate the velocity of water flowing over the downstream face of the structure. This velocity data could be used to calculate the shear force applied to the soil grains. Moreover, soils with varying proportions of kaolin and sand were used in dam construction and different hydraulics loads have been applied, to assess their effect on the erosion process during overtopping. To process the experimental data collected using LiDAR, an analysis methodology was developed. This methodology facilitated the calculation of eroded soil volumes, erosion rates, and the evolution of the breach over time. Based on these data, a model for predicting the failure time of embankment dams subjected to overtopping was proposed with the aim of becoming a design tool in the future.

L'érosion régressive est l'un des mécanismes initiaux de l'érosion interne qui se produit dans les fondations des barrages en remblai et des digues. Une fois que la charge hydraulique de l'écoulement souterrain atteint des conditions critiques, des particules de la couche granulaire se détachent et sont transportées vers le pied aval avec l'écoulement sous le toit du matériau cohésif. Un conduit d'érosion étiré de l'amont vers l'aval se forme dans la fondation à travers ce processus, mettant en danger la stabilité du corps supérieur du barrage. Des études antérieures ont révélé que deux mécanismes différents sont responsables de la progression du conduit d'érosion, à savoir les érosions primaires et secondaires, c'est-à-dire l'érosion au niveau de la tête du conduit et du lit du conduit, respectivement. Plusieurs critères ont été développés sur la base de l'érosion secondaire, tels que la méthode de Sellmeijer pour déterminer le gradient global critique requis pour la progression du conduit d'érosion. Cependant, la plupart des investigations récentes se sont concentrées sur les conditions hydrauliques locales, car l'application de tels critères globaux sur le terrain pourrait être difficile en raison de l'hétérogénéité du terrain et de la stratification complexe du sol. Cette étude vise principalement à modéliser expérimentalement l'érosion régressive. Pour atteindre cet objectif, une cellule d'essai rectangulaire avec sortie de type trou est conçue pour contourner les inconvénients et les limitations des dispositifs existants. La configuration améliorée est composée de plusieurs rangées de capteurs de pression le long du chemin du conduit d'érosion, permettant de suivre librement les conditions hydrauliques le long des méandres du conduit. La compaction horizontale, l'application automatique de charge, le système d'acquisition de données de haute précision et fréquence et la procédure d'essai basée sur l'instrumentation sont d'autres améliorations ajoutées à la cellule. Les essais d'érosion avec la configuration améliorée sur différents sables fins uniformes montrent que le gradient global critique (i$\sf_{G\_cr}$) dans la configuration de sortie de type trou peut être expliqué par la conductivité hydraulique (k) et la taille de grain représentative (d$_{\mathsf70}$). La comparaison des données d'essai de la présente étude avec les données de la littérature démontre en outre que i$\sf_{G\_cr}$ corrèle parfaitement avec le facteur d'échelle (F$\sf_s$) qui intègre à la fois k et d$_{\mathsf70}$. En conséquence, le critère modifié de Sellmeijer est examiné pour son inclusion d'un nombre excessif de paramètres dans la prédiction du gradient global critique. La révision de la procédure de développement de la méthode de Sellmeijer révèle que le modèle est surajusté et inclut des paramètres intercorrélés. L'analyse statistique des données expérimentales utilisées pour modifier le critère de Sellmeijer montre qu'un modèle alternatif avec un nombre moindre de paramètres existe qui peut prédire le gradient global critique encore plus précisément. Le modèle proposé, développé sur la base des données expérimentales avec une sortie de type pente, est ensuite validé avec les données d'essai obtenues à partir de la configuration améliorée de cette étude. Il est démontré que le modèle est capable de prédire avec précision les deux types de configurations de sortie. Une analyse supplémentaire sur la capacité de prédiction du critère modifié de Sellmeijer rejette l'hypothèse précédente concernant sa surestimation 2 fois supérieure dans la prédiction du gradient pour les sorties de type trou. De plus, l'historique des charges et le gradient local sont étudiés dans les tests d'érosion sur les sables fins. Il est constaté que l'historique de charge hydraulique, c'est-à-dire l'application de charge en une seule étape ou en plusieurs étapes, n'a aucune influence sur le processus d'érosion. L'analyse des gradients locaux mesurés en amont du conduit d'érosion à l'aide des capteurs de la cellule reflète la relation mutuelle entre la progression du conduit d'érosion et le gradient local à la tête du conduit. Les résultats des essais indiquent la relation linéaire entre le gradient global critique et le gradient local. Une méthode géostatistique (krigeage) est utilisée pour étudier davantage l'influence de la distance entre les capteurs sur l'ampleur du gradient local mesuré. Il est démontré que le krigeage pourrait ne pas être un outil approprié pour l'interpolation de la charge hydraulique à proximité de la tête du conduit d'érosion. Une approche différente est utilisée, démontrant que le gradient local augmente de manière exponentielle avec la diminution de la distance entre les capteurs. / Backward erosion piping is one the initiating mechanisms of internal erosion that occurs in the foundations of embankment dams and dikes. Once the hydraulic load of the underground seepage reaches the critical conditions, particles of the granular layer are detached and transported towards the downstream toe with the seepage under the roof of the cohesive material. A stretched pipe from upstream to downstream forms in the foundation through this process which endangers the stability of the upper dam body. Previous studies found out that two different mechanisms are responsible for the progression of the pipe, namely primary and secondary erosions, i.e., erosion at the pipe tip and the pipe bed, respectively. Several criteria have been developed based on the secondary erosion such as Sellmeijer's method to determine the critical global gradient required for the pipe progression. Most recent investigations, however, focused on the local hydraulic conditions since application of such global criteria in the field could be challenging due to the field heterogeneity and complex soil stratification. This study aims primarily to model backward erosion experimentally. To achieve this end, a rectangular test cell with hole-type exit is designed which improves the drawbacks and limitations of the existing setups. The improved setup is composed of several rows of pressure sensors along the pipe pathway enabling to track freely meandering pipe's hydraulic conditions. Horizontal compaction, automatic load application, high accuracy and frequency data acquisition system and instrumentation-based testing procedure are other improvements added to the cell. The erosion tests with the improved setup on different fine uniform sands show that the critical global gradient (i$\sf_{G\_cr}$) in hole-type exit configuration can be explained by the hydraulic conductivity (k) and the representative grain size ($_{\mathsf70}$). Comparing the present study's test data with the data from the literature further demonstrates that i$\sf_{G\_cr}$ correlates perfectly with the scale factor (F$\sf_s$) which incorporates both k and $_{\mathsf70}$. Consequently, Sellmeijer's modified criterion is scrutinized for its inclusion of an excessive number of parameters in predicting the critical global gradient. Revisiting the development procedure of Sellmeijer's method reveals that the model is overfitted and it includes intercorrelated parameters. Statistical analysis on the experimental data used to modify Sellmeijer's criterion shows that an alternative model with a smaller number of parameters exists that can predict critical global gradient even more accurate. The proposed model developed based on the experimental data with slope-type exit is further validated with the test data obtained from this study's improved setup. It is shown that the model is capable of accurate prediction for both types of exit configurations. Additional analysis on the prediction capability of the Sellmeijer's modified criterion dismisses the prior hypothesis concerning its 2-time overestimation in prediction of the gradient for the hole-type exits. Furthermore, the loading history and local gradient are investigated in the erosion tests on the fine sands. It is found out that hydraulic loading history, i.e., single stage or multistage load application does not have any influence on the erosion process. The analysis of the local gradients measured upstream of the pipe using the cell sensors reflects the mutual relationship between the pipe progression and the local gradient at the pipe tip. The test results indicate the linear relationship between the critical global gradient and the local gradient. A geostatistical method (kriging) is used to further study the influence of the sensors distance on the magnitude of the measured local gradient. It is demonstrated that kriging might not be an appropriate tool to use for interpolation of the pressure head in the vicinity of the pipe tip. A different approach is used which demonstrates that local gradient increases exponentially with decreasing distance between the sensors.

Le bris d'un barrage est un événement exceptionnel et rare. Toutefois, lorsqu'il se produit, il peut engendrer de nombreuses pertes aussi bien matérielles qu'humaines. La modélisation de la propagation d'ondes de crue intumescentes issues d'un bris de barrage a fait l'objet d'inombrables études durant les quarante dernières années. À ce jour, il existe de nombreux modèles commerciaux capables de prédire avec satisfaction la propagation d'une onde de crue dans un canal à surface libre. Cependant, ces modèles ne sont pas conçus pour décrire la propagation dynamique des ondes de crue dans le cas des conditions hivernales caractérisées par la présence d'un couvert de glace à la surface des rivières. Pour les analyses de sécurité ou les études d'impact, les gestionnaires d'ouvrages de retenues et d'autres aussi qui s'intéressent aux écoulements fluviaux ont donc besoin de nouveaux outils de prédiction mieux adaptés à ces conditions particulières. Cette thèse se situe dans le cadre des efforts menés actuellement pour palier ce manque. L'objectif spécifique de la présente recherche est d'étudier la propagation des ondes hydrodynamiques dans un canal recouvert d'un couvert de glace. Pour y arriver, l'analyse s'est faite en deux parties. Premièrement, une analyse statique de la réponse du couvert de glace aux vagues de différentes formes est présentée. Cette dernière, faite à l'aide de modèles numériques uni- et bi-dimendionnels, a pour but de formuler des critères simples de bris du couvert de glace en rivière. Dans la seconde partie, un nouveau modèle numérique couplé eau-glace intitulé HYDROBEAM est bâti pour simuler la propagation dynamique des ondes dans un canal recouvert de glace. Pour ce nouveau modèle couplé, les équations de Saint-Venant, sous leurs formes conservatives et en présence d'un couvert flottant, sont reformulées. Les équations de Saint-Venant sont ensuite couplées aux équations décrivant le mouvement d'un couvert de glace semi-rigide. Les résultats du modèle couplé démontrent que la présence du couvert a pour effet d'atténuer et de ralentir les ondes et que l'effet se fait ressentir surtout sur des ondes très courtes (typiquement inférieures à 100 m).