Le présent projet de maîtrise s’inscrit dans le cadre de la Chaire de recherche CRSNG/Hydro-Québec sur l’optimisation du cycle de vie des barrages en remblai (CRIBAR) située à l’Université Laval dans la ville de Québec au Canada. Le compactage de l’enrochement d’un barrage en remblai à noyau asphaltique est étudié. L’enrochement d’un barrage en remblai est constitué de fragments de roc de grandes dimensions. L’étude de ce matériau représente des défis dont plusieurs aspects n’ont pas trouvé de solution pour le moment. Les rouleaux compacteurs utilisés afin de compacter l’enrochement du barrage sont munis d’un système de contrôle de compactage. Le système CCC permet de s’assurer que le nombre de passes requises a été effectué et il fournit une mesure de la rigidité du sol en calculant un paramètre appelé CMV. Le système enregistre des données en temps réel lors du compactage. Pour cette recherche, il a été décidé de vérifier si ces données pouvaient être utilisées en ingénierie. Cette recherche a d’abord permis d’établir une méthode de traitement, de stockage et d’interrogation des données. Ensuite, avec l’information extraite des passes isolées, un modèle mécaniste utilisant la dynamique des sols a été mis au point afin de déterminer une relation entre CMV et modules de déformation. Ce premier modèle comportait une trop grande imprécision, car les CMV étaient très variables pour un même module de déformation. Un second modèle a donc été mis au point. Cette fois, seules les dernières passes de chaque groupe ont été utilisées, ce qui a permis d’établir une relation linéaire plus représentative entre CMV et modules de déformation en fin de compactage. Cette méthode pour déterminer les modules de déformation du sol en fin de compaction est innovante et elle peut être étendue à d’autres domaines du génie civil comme le génie routier.

La présente thèse vise à améliorer l'état des connaissances à l'égard des paramètres influençant les effets de site des barrages en enrochement. Une revue exhaustive des publications liées au comportement et à la modélisation dynamique de ce type de barrage a mis en évidence que le nombre de cas de référence est très limité dans la littérature spécifiquement orientée vers l'étude des effets de site avec des analyses en 3D de barrages en enrochement pour lesquels des données instrumentales sont disponibles. Les travaux réalisés sont très orientés vers les praticiens, car ils établissent des lignes directrices pouvant les aider à évaluer les formulations et algorithmes les mieux adaptés à la réalisation d'analyses en 1D, 2D ou 3D. Ils portent sur l'étude des effets de site du barrage Denis-Perron, un grand barrage en enrochement construit dans une vallée escarpée. L'emplacement exceptionnel de cet ouvrage et le fait qu'il a été muni d'accéléromètres pendant sa construction en font un sujet d'étude particulièrement intéressant. Le premier volet des travaux a consisté à analyser les signaux détectés par les accéléromètres pendant trois petits séismes. Les résultats de cette analyse mettent en évidence qu'il est possible de déduire les caractéristiques dynamiques d'un grand barrage, et ce, même avec des signaux faibles. Les fonctions de transfert et les rapports spectraux obtenus à partir de ces séismes fournissent en fait de nouvelles connaissances sur la directionnalité des fréquences de résonance, les modes de vibration et les effets de site. Puisqu'à travers le monde, il existe très peu de barrages instrumentés dont les données sont disponibles et que les séismes de moyenne et de forte amplitude se produisant dans des zones de faible sismicité sont rares, ces données sismologiques se sont avérées très précieuses pour valider les résultats obtenus au cours des travaux subséquents. Le deuxième volet des travaux a servi à évaluer le potentiel de la technique du bruit ambiant pour déterminer les caractéristiques dynamiques du barrage Denis-Perron. Des mesures de bruit ambiant ont été prises à l'aide de vélocimètres à trois composantes adaptées aux conditions d'un grand barrage. Ces données expérimentales ont permis d'établir la fréquence des modes de vibration de ce grand barrage. Les résultats obtenus d'analyses simples effectuées pour traiter les signaux individuels sont aussi concluants que ceux provenant d'une analyse modale réalisée à partir d'un ensemble de signaux synchronisés entre eux tout en étant cohérents avec les résultats issus de l'analyse des données sismologiques. À partir de la fréquence des modes de vibration fondamentaux calculée avec les données sismologiques et expérimentales, une analyse modale numérique effectuée avec un modèle tridimensionnel a permis d'ajuster le profil de rigidité moyen par rétro-calculs représentatifs du milieu 3D. Dans le cadre du troisième volet, des analyses paramétriques ont été réalisées avec des modèles simplifiés, conçus pour étudier des aspects spécifiques en lien avec les effets de site du barrage Denis-Perron. Les résultats obtenus de ces analyses indiquent que la forme de la vallée, le contraste d'impédance ainsi que le contenu fréquentiel et l'orientation de la sollicitation sont les paramètres qui influent le plus sur les effets de site. Bien que ces résultats illustrent l'importance des effets de site du système vallée barrage étudié, ils font également ressortir certaines limitations entourant la réalisation d'analyses dynamiques en 2D et 3D pour un tel système. De plus, conformément à la littérature, ils indiquent que la forme de la vallée et le rapport entre la hauteur maximale d'un barrage et sa longueur en crête agissent fortement sur sa réponse dynamique. Après que les modèles aient été améliorés pour mieux refléter les conditions du barrage, ils ont été validés à l'aide des données sismologiques disponibles. Les signaux du séisme le plus fort de 1999 ont permis de vérifier et valider ces modèles avancés à l'aide des résultats de simulations obtenus tant dans le domaine temporel que fréquentiel, de même que de conclure qu'il n'est pas requis de recourir à une dé convolution pour ajuster des signaux à la base des modèles. Des analyses dynamiques faites à partir d'un séisme de plus forte intensité (0,3 g), représentatif de la sismicité de l'Est du Canada, a aussi permis d'extrapoler ainsi que de prévoir les phénomènes dynamiques et leurs impacts sur la stabilité et les déplacements permanents du barrage Denis-Perron. / This thesis aims at improving the state of knowledge regarding the parameters that influence the site effects of rockfill dams. A comprehensive literature review related to the behavior and dynamic modeling of this type of dam has highlighted that the number of reference cases specifically oriented towards the study of site effects with 3D analyses of rockfill dams for which seismological data are available is very limited in the literature. The research effort is very practitioner-oriented, as it establishes guidelines that can help engineers evaluate the most appropriate formulations and algorithms when performing 1D, 2D or 3D analyses. It focuses on the study of the site effects of the Denis Perron Dam, a large rockfill dam built in a steep valley. The exceptional location of this structure and the fact that it was equipped with accelerometers during its construction make it a particularly interesting case study. The first phase of the project consisted in analyzing the signals detected by the accelerometers during three small earthquakes. The results of this analysis show that it is possible to deduce the dynamic characteristics of a large dam, even with weak signals. The transfer functions and spectral ratios obtained from these earthquakes provide new insights into resonant frequency directionality, vibration modes, and site effects. Since there are very few instrumented dams worldwide for which seismological data are available and as medium and large magnitude earthquakes occurring in areas of low seismicity are rare, the available seismological data have proven to be very valuable invalidating the results obtained in the subsequent work. The second phase of the project was meant to evaluate the potential of the ambient noise technique to determine the dynamic characteristics of the Denis Perron Dam. Ambient noise measurements were recorded using three-component velocimeters adapted to the conditions of a large dam. These experimental data were used to establish the frequency of the vibration modes of this large dam. The results obtained from simple analyses conducted to process individual signals are as conclusive as those from a modal analysis based on a set of signals synchronized with each other while being consistent with the results from the analysis of the seismological data. From the frequency of the fundamental vibration modes calculated with the seismological and experimental data, a numerical modal analysis was conducted using a three-dimensional model to fit the average stiffness profile by retrofit calculations representative of the 3D medium. In the third and last phase, parametric analyses were conducted using simplified models designed to study specific aspects related to the site effects of the Denis-Perron dam. The results obtained indicate that the valley shape, impedance contrast, frequency content, and solicitation orientation are the parameters that have the most influence on the site effects. These results illustrate the importance of site effects for the studied valley-dam system, but they also emphasise some limitations surrounding the performance of 2D and 3D dynamic analyses for such a system. Further, in accordance with literature, they show that the ratio of the maximum height of a dam to its crest length and the valley shape strongly affect its dynamic response. After the models were refined to better reflect dam conditions, they were validated based on seismological data. Signals from the strongest 1999 earthquake were used to verify and validate these advanced models from simulation results in both time and frequency domains and conclude that deconvolution is not required to fit the signals at the base of the models. Dynamic analyses based on an earthquake of higher intensity (0.3 g), representative of the seismicity of eastern Canada, were conducted, from which the dynamic phenomena and their impacts on the stability and permanent displacements of the Denis Perron dam were extrapolated and predicted.

La contribution significative de cette thèse se situe dans le domaine de la déformation sismique de différents types de barrages en enrochement. La déformation excessive permanente à la crête d'un barrage causée par les secousses du sol menacera la sécurité du barrage. Les caractéristiques de ces barrages et la gravité des tremblements de terre (quantifiée par des mesures d'intensité, c'est-à-dire des IM) sont identifiées comme les composants les plus critiques impliquées dans la performance sismique du barrage. Dans la première partie, une étude est réalisée sur la déformation sismique (tassement de la crête) des barrages en enrochement avec masque en béton (CFRD) et sa corrélation avec les IM de mouvements de sol. De cette manière, l'importance des principales caractéristiques des charges cycliques dans une étude de cas CFRD typique modélisée numériquement est soulignée. On en conclut qu'en plus de l'amplitude et de la durée du mouvement de sol, la réponse du barrage est fortement affectée par les caractéristiques de fréquence du séisme. En rassemblant les histoires de cas de CFRD disponibles et en analysant leur tassement sismique, un nouveau IM est proposé pour décrire efficacement le potentiel d'un séisme à induire un règlement dans les CFRD. Une nouvelle relation prédictive est alors établie qui relie la IM suggérée et l'amplitude du tremblement de terre avec le tassement de crête étudié des cas CFRDs. Dans la deuxième partie, les données disponibles pour les barrages en enrochement à noyau de terre (ECRD) comprenant les valeurs de tassement rapportées et les mouvements de sol enregistrés lors des tremblements de terre sont analysées. Deux nouvelles approches sont développées en introduisant deux nouveaux IM et en les corrélant au règlement observé des cas ECRD. Les IM proposés pour les ECRD prennent en compte l'influence des aspects essentiels concernant le comportement non linéaire des barrages lors de séismes violents: dégradation de la rigidité des matériaux, augmentation de l'énergie dissipée et augmentation des périodes de vibration des barrages. Ces problèmes sont affectés par la déformation induite par le tremblement de terre, à travers laquelle la corrélation avec la déformation d'un barrage est découverte. Les analyses ont montré que l'occurrence du tassement est directement affectée par les amplitudes de déformation de cisaillement. Compte tenu de l'importance de la déformation de cisaillement, la dernière partie de cette thèse est consacrée aux caractéristiques dépendantes de la déformation des ECRD. À cette fin, des études empiriques ont été menées sur plusieurs séries chronologiques d'accélération pour les ECRD qui avaient été frappés par des tremblements de terre au Japon. Une série de graphiques et de relations a été établie pour estimer: (i) l'amplitude de la déformation de cisaillement induite; (ii) la diminution du module de cisaillement des noyaux des barrages; et (iii) augmentation des périodes fondamentales des barrages. Cette thèse fournit un assemblage approprié d'outils qui peuvent être utilisés dans la pratique de l'ingénierie, que ce soit à des fins d'analyse dynamique ou de conception. Les graphiques et les relations présentés ici sont basés sur l'examen et l'analyse de la performance réelle de nombreux barrages sous les tremblements de terre. Ils répondent non seulement aux lacunes des méthodes empiriques précédentes, mais sont également précis et efficaces. / The significant contribution of this thesis is in the area of earthquake-induced deformation of different types of rockfill dams. The permanent excess deformation at a dam's crest caused by ground-shaking will threaten the dam's safety. The characteristics of these dams and the severity of the earthquakes (quantified by intensity measures, i.e., IMs) are identified as the most critical components involved in the dam's seismic performance. In the first part, a study is performed on the seismic deformation (crest settlement) of concrete-face rockfill dams (CFRDs) and its correlation with ground motion IMs. In this way, the importance of cyclic loads' main characteristics on a numerically modelled typical CFRD case study is underlined. It is concluded that in addition to the amplitude and duration of ground motion, the dam's response is strongly affected by the frequency characteristics of the earthquake. By gathering available CFRD case histories and analyzing their seismic settlement, a new IM is proposed to efficiently describe an earthquake's potential to induce settlement in CFRDs. A new predictive relationship is then established which relates the suggested IM and earthquake magnitude with the surveyed crest settlement of the CFRD cases. In the second part, the data available for earth-core rockfill dams (ECRDs) comprising the reported settlement values and the ground motions recorded during the earthquakes are analyzed. Two novel approaches are developed by introducing two new IMs and correlating them to the observed settlement of the ECRD cases. The IMs proposed for ECRDs take into account the influence of the essential aspects regarding the nonlinear behaviour of the dams during severe earthquakes: stiffness degradation of the materials, increase in dissipated energy, and increase in the dams' periods of vibration. These issues are affected by the earthquake-induced strain, through which the correlation with a dam's deformation is discovered. The analyses showed that the occurrence of settlement is directly affected by the shear strain amplitudes. Given the importance of the shear strain, the last part of this thesis is devoted to the strain-dependent characteristics of ECRDs. To this end, empirical studies were performed on several acceleration time series for ECRDs that had been struck by earthquakes in Japan. A series of graphs and relationships were established to estimate: (i) the amplitude of the induced shear strain; (ii) the decreased shear modulus of the dams' cores; and (iii) increased fundamental periods of the dams. This thesis provides an appropriate assembly of tools that can be utilized in engineering practice, either for dynamic analysis or design purposes. The graphs and relationships presented herein are based on reviewing and analyzing the actual performance of numerous dams under earthquakes. They not only address the shortcomings of previous empirical methods, but are also accurate and efficient.

Cette thèse vise à modéliser numériquement des barrages en enrochements pendant les phases de construction et de mise en eau. Ceci est fait en se basant sur des essais en laboratoire et l’analyse des données de l'instrumentation insitu. Des essais triaxiaux en compression monotone à déformation/contrainte contrôlée sont effectués sur des assemblages compactés de particules de granit. Les échantillons utilisés en laboratoire ont initialement été préparés à différentes densités sèches et à différentes granulométries. Une loi de comportement élastoplastique parfait, en considérant l’élasticité non linéaire est implémentée dans le logiciel FLAC. Ceci est fait pour modéliser le comportement des particules de roche pendant les essais. Le nouveau modèle est basé sur le comportement hyperbolique, en considérant le critère de rupture de Mohr-Coulomb avec une règle d'écoulement non associé pour considérer la dilatance à cause du cisaillement. La technique de relaxation des contraintes de Nobari-Duncan est également implémentée dans FLAC avec les procédures modifiées et les nouveaux algorithmes pour reproduire les déformations causées par le mouillage. À l'aide de neuf paramètres, le modèle réussi à reproduire le comportement observé pendant les essais triaxiaux et à caractériser l'assemblage des particules de roche. Les effets de temps et de saturation sont également discutés en détail. Finalement, le modèle est utilisé pour la modélisation des étapes de la construction et de la mise en eau du barrage en enrochement LG4 construit au Québec, Canada. Les résultats de la modélisation sont comparés avec les données de l'instrumentation. Aussi, les efforts antérieurs de modélisation de ce barrage et les avantages du nouveau modèle sont discutés. / This thesis contributes to the field of numerical modeling of rockfill dams during construction and impoundment based on laboratory research and field instrumentation. Data is presented from monotonic triaxial compression tests, in both stress and strain-controlled conditions, on compacted assemblages of granite rock particles prepared in the laboratory using different initial dry densities and grain size distribution. A nonlinear elastic-perfectly plastic constitutive model is implemented into the commercial software, FLAC, to simulate the behavior of the rock particles during the tests. The new implemented model is the traditional hyperbolic model coupled with the Mohr-Coulomb plastic failure criteria, and with a non-associated flow rule to consider shear dilatancy. The Nobari-Duncan stress relaxation technique with modified procedures and algorithms is also implemented in FLAC to reproduce the collapse deformations due to wetting. Using nine parameters, the model is successful to capture the observed behavior in the triaxial tests and to characterize the assemblage of rock particles. The effects of time and saturation are also discussed in detail. Finally, the model is used to simulate the construction and impoundment stages of LG4 rockfill dam in Quebec, Canada. The results of the modeling of both stages are compared with the instrumentation data and previous efforts of the modeling of this dam and the advantages of the new model are discussed.

Au cours des dernières décennies, un noyau plutôt mince supporté par des épaulements en enrochement a été le modèle le plus économique et sans danger pour les barrages. Plusieurs rapports d'inspection de tassement et de déformation des barrages en enrochement au cours de la mise en eau et le fonctionnement de ces structures. Les tassements rapides ont été associés à la mise en eau. Cependant, la pression hydrostatique peut également contribuer à des changements considérables dans les déformations volumétriques au début de fonctionnement de barrages en amont. Le premier objectif de cette thèse est de montrer expérimentalement l'influence de la pression hydrostatique sur les matériaux concassés d’enrochement. Les essais de compression unidimensionnelle ont été menés par un grand oedomètre. L'équipement est conçu de manière à modifier la pression hydrostatique lors de l'essai, sans aucune influence sur les contraintes effectives. Premièrement, une étude approfondie est réalisée sur l’influence des dimensions de cellule et aussi l’influence de système de transfert de la charge à l’échantillon. Il a été établi que la hauteur de la cellule a de grandes influences sur la réponse de ces roches concassées en compression. La force de frottement entre la cellule et l'échantillon est la source de comportement varié de l’échantillon avec des hauteurs différentes. Une méthode simple, basée sur un double essai oedométrique peut être utilisée afin de définir la force de frottement dans les échantillons. Trois systèmes sont utilisés pour étudier l'influence de différents systèmes de chargement des échantillons. Ces systèmes transfèrent la charge à l’aide d’une plaque fixe, semi-fixe et rotulé. La plaque fixe transfère la charge d’une manière nonuniforme à l'échantillon, contrairement à d’autres systèmes étudiés. Donc, les résultats obtenus avec la plaque fixe de chargement doivent être utilisés avec une prudence particulière. Le comportement des matériaux d’enrochement dépend de plusieurs paramètres. Basés sur l’utilité de ces matériaux dans le barrage, quatre paramètres sont choisis pour cette étude. Ces paramètres sont la densité, le type de roches concassées, le niveau de contrainte et la taille des roches concassées. L'influence de ces paramètres sur le comportement à court terme de ces matériaux a été définie avec les essais expérimentaux. L’essai de compression unidimensionnelle a été choisi pour les études sur les enrochements avec des roches concassées. Les conditions de matériau ont été à sec, saturé sous la pression atmosphérique ou la pression hydrostatique. Le module oedométrique est utilisé pour représenter l'état de matériau dans l’essai de compression unidimensionnel. Un essai de fluage a été réalisé pour montrer le comportement à long-terme des matériaux granulaires grossiers saturés. L’essai a été réalisé sur les roches concassées de granite en plusieurs niveaux de charge et sous une pression hydrostatique constante. Les résultats de l’essai montrent une relation linéaire entre la contrainte et le temps dans une échelle logarithmique. La thèse présente également des informations sur le modèle phénoménologique à trois paramètres de Zhang et al. (Zhang et al.), développé pour simuler le comportement du fluage à plusieurs niveaux du sable saturé en compression. Le même modèle a été utilisé pour décrire pertinemment les résultats de l'essai sur des matériaux granulaires grossiers. Le comportement semblable de matériaux granulaires à particules fines et grossiers confirme l’existence de mécanismes identiques dans la structure des matériaux granulaires sous effet de fluage. Le deuxième essai de fluage a été réalisé sous différents niveaux de pression hydrostatique. Les résultats de l’essai montrent une relation linéaire entre la pression hydrostatique et le temps dans une échelle logarithmique. La thèse présente également un modèle de fluage qui prendre en compte l’effet de la pression hydrostatique sur des matériaux granulaires grossiers. / During the past decades, a rather thin core supported by rockfill shoulders was the most economical and safe design for dams. There are different reports of settlement and deformation inspection of rockfill dams during impounding and operation of these structures. The rapid collapse settlements have been associated with water impoundment. However, hydrostatic pressure may also contribute to significant change in volumetric deformations during the life of dams in upstream. The first aim of this thesis is to show experimentally the influence of hydrostatic pressure on crushed rockfill materials. In this way, the one-dimensional compression tests were conducted using the large oedometer equipment. The equipment is conceived in a manner to change the hydrostatic pressure during the test without any influences on the effective stresses. A comprehensive study is primarily carried out on the equipment effects on the test results. This study provides the impact of cell dimensions, and also the system influences on the loading transfer to sample. It was established that the height of the cell has great influences on the response of the crushed rock in compression. The frictional force between cell and sample is the source of dissimilarity in behaviour of the sample with different heights. A sample method, based on a double oedometer test, can be used to define the frictional force in the samples. Three systems are used to investigate the influence of different techniques of loading the samples. These systems transfer the loading using the fixed, the semi-fixed and the rotational platen. The fixed platen system transfers the loading in a non-uniform manner to the sample in contrast to other studied systems. Thus, the results obtained with the fixed platen of loading, must be used with a special caution. The behaviour of rockfill materials depends on several parameters. Based on the materials utility in dam, four parameters are chosen for this study. These parameters were the bulk density, the rock mineral type, the stress state and the particle size. The influence of these parameters on the short-term mechanical behaviour is defined with the experimental tests. The tests consisted of the one-dimensional compression tests on the uniform crushed rock particles. The materials are tested in the similar conditions which they are in rockfill dams means the air-dry condition, the flooded under atmospheric or hydrostatic pressure. The oedometric modulus is used to represent the mechanical state of materials under one-dimensional compression test. The one-dimensional creep test is also carried out to show the long-term behaviour of saturated coarse granular materials. The test was realised on the granitic crushed rock particles in multiple stage of stress under a constant hydrostatic pressure. The test results show a linear relationship between stress-strain and strain-time in a log-log scale. The thesis also presents the information on the three-parameter phenomenological model of Zhang et al.(2006) developed to reproduce the multiple stage creep behaviour of saturated sand in compression. The same model is used to describe accurately the results of test on coarse crushed rock particles. The similar behaviour of coarse and fine granular materials confirms the occurring of identical mechanisms in the structure of granular materials under creep effect. The second creep test was conducted under different levels of hydrostatic pressure. The test results show a linear relationship between the hydrostatic pressure and time in a logarithmic scale. The thesis also presents a creep model that takes into account the hydrostatic pressure effect in coarse granular materials.

La performance de l'effet de barrière hydraulique d'un noyau de barrage en remblai est hautement dépendante des conditions au compactage observées au cours de la construction, et conjointement aux propriétés géotechniques des matériaux, peuvent varier significativement dans l'espace. Des études récentes (Qin, 2015; Venkovic et al., 2013; Smith et Konrad, 2011) ont montré que les géostatistiques peuvent être utilisées pour modéliser la variabilité spatiale des propriétés géotechniques des barrages, tel que la conductivité hydraulique, à l'aide de données géoréférencées issus des essais de contrôle réalisés au cours de la construction. Ces études ont permis une meilleure compréhension de divers problèmes liées à nature stratifiée de la structure des barrages et ont élargi le champ d'application des géostatistiques dans le cadre de l'analyse des barrages en remblai. Ce mémoire porte sur l'amélioration de l'approche géostatistique utilisée pour modéliser la conductivité hydraulique du noyau en till compacté d'un barrage en remblai. Le site étudié est le barrage Sainte-Marguerite-3 (SM-3), érigé sur la rivière Sainte-Marguerite au nord-ouest de la ville de Sept-Îles au Québec. Une démarche de calcul faisant appel au taux d'agrégation des matériaux a d'abord été développée afinn d'obtenir une évaluation plus représentativede la conductivité hydraulique. Une structure d'interpolation spatiale quasi-3D a été utilisée dans le cadre de l'analyse géostatistique afin d'estimer la conductivité hydraulique du noyau en tout point de la structure. La priorité d'analyse des paramètres géotechniques utilisés dans le calcul de la conductivité hydraulique a ensuite été étudiée. Pour cet aspect du projet, les géostatistiques ont été utilisées pour analyser chaque paramètre individuellement, puis les estimations obtenues ont servi à calculer la conductivité hydraulique. Finalement, une analyse géostatistique par domaine a été réalisée dans le but de modéliser plus fidèlement l'importante variabilité spatiale des propriétés géotechniques, observées dans certaines zones du noyau, engendrée par la variation de l'origine des matériaux. Les résultats montrent que l'utilisation d'une structure d'interpolation spatiale quasi-3D est une alternative efficace à une analyse en 1D utilisée dans le cadre de travaux précédents et que ce type de structure d'interpolation respecte la continuité spatiale des matériaux. Les résultats montrent aussi qu'une analyse multi-paramétrique par domaine, motivée par la réalité du terrain, offre une meilleure estimation, particulièrement en ce qui concerne l'évaluation de l'influence des conditions au compactage. / The hydraulic barrier performance of the compacted till core of embankment dams is highly dependent on compaction conditions during construction, which alongside with basic geotechnical properties, may significantly vary spatially. Recent studies showed that geostatistics can be used to represent the spatial variability of the geotechnical properties of dam materials, such as hydraulic conductivity, using georeferenced construction control data. These studies led to advances in the understanding of various issues related to the stratified nature of dams' structure and broadened perspectives for geostatistical analyses of large embankment dams. This research focuses on the improvement of the geostatistical approach used to model the hydraulic conductivity of an embankment dam's compacted till core. The studied site is the Sainte-Marguerite-3 (SM-3) dam, built on the Sainte-Marguerite river, northwest to the city of Sept-Îles in Québec. A mathematical approach using an aggregation rate was first developed as a way to obtain a more representative assessment of the dam's hydraulic conductivity. A quasi-3D spatial interpolation structure was used for the geostatistical analysis to estimate the hydraulic conductivity for every location in the core. A priority analysis of the multiple geotechnical parameters used to compute hydraulic conductivity was then performed. For this aspect of the project, geostatistics were used to individually analyze the spatial variability of the parameters measured during construction, which were then used to compute the hydraulic conductivity. Finally, in order to provide a solution to a specific problem observed in the SM-3 dam, a geostatistical analysis using multiple domains was performed. This approach was used to accurately model the important spatial variability of the geotechnical parameters, observed in some areas of the dam, caused by variations in the origins of the materials. Results showed that the quasi-3D spatial interpolation structure used for this project is an effective alternative to a 1D analysis used in past projects and that this type of interpolation structure respects the materials' spatial continuity. The results also showed that a multi-parametric approach using domains, motivated by the terrain's reality, offers a better estimation, especially when it comes to assessing the influence of compaction conditions.

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.

La problématique de surverse du noyau de barrages en remblai lors de crues causées par une défaillance des systèmes de contrôle du niveau du réservoir préoccupent les gestionnaires de ces ouvrages. Une surverse de ce type peut entraîner des vitesses d’écoulement beaucoup plus importantes que celles de conception et causer un écoulement important dans des zones où aucun écoulement n’est initialement prévu. Pour évaluer l’impact des propriétés hydrauliques des composantes du barrage, de la géométrie du barrage et des caractéristiques de la crue, un modèle numérique 2D d’éléments finis a été conçu en utilisant le logiciel COMSOL Multiphysics 5.3. Le modèle numérique a permis de réaliser une série d’analyses de sensibilité sur un barrage modélisé typique qui a montré l’importance de la perméabilité de la crête et du noyau ainsi que de la hauteur maximale atteinte par la crue sur la vitesse à laquelle arrive la surverse et sur les vitesses d’érosion atteintes. L’érosion de contact selon le critère de Brauns (1985) ne semblait pas problématique lors des analyses de sensibilité alors que l’érosion interne selon le critère de Konrad & Côté (2013) paraissait très probable. Ensuite, une étude de cas a été réalisée portant sur un barrage existant d’Hydro-Québec. En raison des perméabilités très élevées de la crête pour ce barrage, les vitesses en crête dans le cas de hautes crues peuvent causer un écoulement turbulent à l’aval du noyau, sans toutefois être problématique pour cet ouvrage au niveau de l’érosion de contact. Finalement, la convergence numérique a été grandement meilleure lors de l’utilisation de courbes de rétention basée sur le modèle de van Genuchten (1980) comparativement à celles basées sur le modèle de Brooks & Corey (1964). / The issue of core overtopping in embankment dams during floods caused by failures of water-level control systems is a concern to dam managers. Core overtopping can generate flow velocities far greater than those considered during design and can result in intense flow in zones where no flow was intended. A 2D finite-element numeric model running on the COMSOL Multiphysics 5.3 software platform was generated to evaluate the impact of soil permeability, dam geometry and flood shape on seepage and internal flow systems. This numerical model was used to conduct a series of sensitivity analyses on a conceptual standard dam. These analyses have shown the importance of crest and core permeability and maximum height reached by the flood on the rate at wich core overtopping occurs and on erosion velocities generated. Contact erosion based on the Brauns (1985) criteria did not seem to be a concern for these sensitivity analyses as opposed to internal erosion based on the Konrad & Côté (2013) criteria which seemed highly probable. Subsequently, a case-study on an existing Hydro- Québec earthfill dam was also carried out. Because of the high permeability of the crest components of this structure, significant velocities and turbulent flow could be obtained in the crest material in cases of high floods, without however being problematic in terms of contact erosion. Furthermore, numerical convergence of the model has been greatly improved by using the van Genuchten-based (1980) water retention curves instead of the Brooks & Corey-based (1964) curves.

Le comportement de grands barrages en enrochement d'Hydro-Québec à la suite des tassements différentiels de l'enrochement lors de la mise en eau a amené l'entreprise à se questionner sur les relations contraintes-déformations de l'enrochement et ce qui les influence. Pour le barrage Romaine-2, il était d'autant plus important que l'enrochement soit rigide et ne connaisse pas de grands tassements différentiels puisque le noyau est en béton asphaltique. Il est donc plus étroit et a des pentes plus raides que les ouvrages zonés en enrochement à noyau de till qu'Hydro-Québec à l'habitude de construire. Pour évaluer les propriétés et les tassements de l'enrochement, une revue des facteurs d'influence de ces paramètres est importante et a été réalisée dans le cadre de ce mémoire. Ensuite, plus spécifiquement, l'influence de ces facteurs sur l'enrochement du barrage RO-2 a été analysée. Il a été conclu que l'enrochement utilisé pour la construction du barrage Romaine-2 est de bonne qualité, a été mis en place adéquatement et a montré de hautes masses volumiques, de faibles tassements et des modules de déformation élevés.

Hydro-Québec reçoit plusieurs demandes de la part de compagnies minières pour pouvoir utiliser la crête de leurs ouvrages en remblai comme route d'accès aux ressources naturelles. La problématique liée à ces demandes d'autorisation de passage est le fait que lors de la conception d'un barrage en remblai, la circulation des charges lourdes en crête n'est pas considérée. Il est donc pertinent de développer des outils décisionnels pour les gestionnaires des barrages de manière à ce qu'ils soient en mesure d'octroyer ou d'appliquer certaines restrictions sur les passages demandés. Ces critères décisionnels doivent être basés, entres autres, sur la déformation permanente subie par le noyau du barrage. Concrètement, des instruments de mesure de contraintes et de déformations ont été installés dans l'extrémité supérieure du noyau d'argile du barrage en remblai de St-Timothée. Les contraintes horizontales et verticales mesurées lors du passage de camions en crête permettent de reproduire le cheminement de contraintes en laboratoire lors des essais de déformations permanentes. L'échantillon d'argile recompacté en laboratoire est soumis à des contraintes déviatorique cycliques allant jusqu'à des valeurs très élevées par rapport à ce qui a été enregistré sur le terrain. La contrainte axiale cyclique à laquelle l'argile accumule une certaine déformation permanente suite à sa post-compaction est de 5 kPa et celle à laquelle l'instabilité du matériau est observée correspond à 55 kPa. La charge en crête de l'ouvrage qui engendre ces incréments de contraintes axiales au sein du noyau est déterminée avec les données enregistrées avec les instruments mis en place dans le barrage. Le nombre de passages nécessaire pour engendrer des déformations permanentes de 50 mm et 100 mm au sein du noyau peut être estimé en fonction de différentes charges circulant en crête du barrage. Ceci est effectué en considérant une variation de la profondeur dans le noyau sur laquelle la charge en crête contribue à sa déformation permanente.