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.

Cette thèse contribue au domaine de la modélisation en centrifugeuse géotechnique des barrages en enrochement. Étant donné que les essais œdométriques sont généralement utilisés pour estimer les déformations verticales de la partie centrale des barrages en enrochement, une étude comparative a été réalisée entre les déformations verticales des modèles en centrifugeuses d’assemblages de particules de roche avec des pentes non supportées (2D) et les déformations verticales observées au cours des essais œdométriques (1D). Les deux types d’essais ont été effectués sur des assemblages de particules de roche avec la même granulométrie, tout en tenant compte de l’effet de la compacité. La comparaison a montré que pour une densité relative donnée, les modèles en centrifugeuses ont subi des déformations verticales plus élevées que celles des spécimens œdométriques et que le rapport entre les déformations verticales des sommets des modèles et celles obtenues lors des essais œdométriques diminue quand la densité relative augmente. De plus, une autre série d’essais en centrifugation a été réalisée sur des modèles de barrages en enrochement avec des noyaux centraux minces pour simuler le comportement typique de ce type de barrages pendant la construction et le remplissage du réservoir, tout en explorant les effets de la granulométrie et d’échelle sur la réponse de ces modèles. Ces modèles ont différentes granulométries alors qu’ils ont la même densité relative. Tout au long des essais, la rigidité de réponse a été plus élevée quand le coefficient d’uniformité des granulométries des modèles augmente pour la même taille maximale des particules et quand la taille maximale des particules diminue pour des granulométries parallèles. La taille des particules dans les grandes structures en enrochement telles que les barrages en enrochement empêche les essais de laboratoire sur ces matériaux et par conséquent, la prédiction du comportement sur le terrain nécessite le développement d’une méthode d’analyse afin d’extrapoler les résultats des essais de laboratoire tout en prenant les effets d’échelle et de la granulométrie en compte. Une méthode d’analyse est adoptée dans ce travail afin d’extrapoler les résultats des essais en centrifugeuses menés sur les modèles, déjà mentionnés, des barrages en enrochement avec des noyaux centraux minces, ce qui a permis la prédiction des déformations verticales de différentes zones du barrage de la Romaine 2. Cette méthode d’analyse est basée sur les effets d’échelle sur l’aptitude à la fragmentation des matériaux granulaires et il tient compte des résultats expérimentaux passés relatifs à cette question. Les valeurs prédites des déformations verticales de différentes zones du barrage de la Romaine 2 étaient dans le même ordre des valeurs des mesures in situ pendant la construction et le premier remplissage. / This thesis contributes to the domain of geotechnical centrifuge modeling of rockfill dams. Given that odometer testing is usually used to estimate the vertical deformations of the central part of rockfill dams, a comparative study was performed between the vertical deformations of centrifuge models of rock particle assemblages with unsupported slopes (2D) and the vertical deformations observed during oedometer tests (1D). Both types of testing were conducted on rock particle assemblages with the same gradation while considering the effect of compactness. The comparison showed that for a given relative density, the centrifuge models experienced higher vertical deformations than those of the oedometer specimens and the ratio between the vertical deformation of the top of the models and that obtained during the oedometer tests decreases as relative density increases. Furthermore, another series of centrifuge tests was conducted on models of rockfill dams with thin central cores to simulate the typical behavior of such type of dams during construction and reservoir impoundment while exploring the effects of gradation and size scale on the response of these models. These models have different gradations while they have the same relative density. Throughout the tests, the response stiffness was higher as uniformity coefficient of the models’ gradations increases for the same maximum particle size and as maximum particle size decreases for parallel gradations. Particle size in large rockfill structures such as rockfill dams prevent laboratory testing of these materials and consequently, the prediction of field behaviour requires the development of an analysis method in order to extrapolate the laboratory testing results while taking the effects of size scale and gradation in consideration. An analysis method is adopted in this work in order to extrapolate the results of the centrifuge tests conducted on the already mentioned models of rockfill dams with central thin cores, which allowed the prediction of vertical deformations of different zones of the Romaine 2 dam. This analysis method is based on size scale effects on the crushability of granular materials and it considers past experimental findings relating to this issue. The predicted values of vertical deformations of different zones of the Romaine 2 dam were in the same order of the field measurement values during construction and reservoir impoundment.

Cette thèse contribue au domaine des déformations post-construction des barrages en enrochement. D’abord, en étudiant le comportement in situ en compression de l’enrochement, il a été révélé que la compressibilité à court terme et la compressibilité en fonction du temps de l’enrochement sont reliés. De plus, la résistance à la compression simple (RCS) de la roche-mère et l’indice des vides de l’enrochement sont deux paramètres clés qui déterminent la compressibilité in situ de l’enrochement. Ainsi, ces paramètres, en plus du comportement des matériaux de remplissage pendant la construction (quantifiées par le module de déformation), ont été utilisés pour présenter des lignes de tendance pour prédire les déformations post-construction de différents types de barrages en enrochement. En considérant une base de données de 19 barrages en enrochement avec masque amont en béton et 22 barrages en enrochement zoné avec noyau en terre et en évaluant des tassements pendant et après la construction des lignes de tendance établissant un rapport entre les déformations post-construction et le comportement observé lors de la construction ont été développées. Dans les lignes directrices présentées, les tassements peuvent être obtenus séparément pour chacune des trois phases du cycle de vie des barrages : avant, pendant et après la mise en eau. De plus, le point zéro du temps pour les déformations en fonction du temps a été redéfini pour chaque phase. Lors du calcul des modules de déformation, les géométries de remblai ont été prises en compte en considérant un facteur de réduction pour les contraintes verticales à l'intérieur des remblais. Cette étude fournit une bonne base pour caractériser et estimer le comportement de l’enrochement pendant et après la construction des barrages en enrochement. Les tendances présentées montrent qu’en plus de surmonter les difficultés reliées aux méthodes actuelles (y compris les essais au laboratoire, les modélisations numériques, et des méthodes empiriques), les approches proposées sont précises et très pratiques. Cette recherche permet également une meilleure compréhension des mécanismes de déformation de l’enrochement. Outre l'utilisation de ces méthodes comme outils prédictifs des tassements, les relations présentées peuvent être utilisées afin de détecter un comportement atypique d'un barrage en enrochement au cours de sa durée de vie. / This thesis contributes to the area of post-construction deformations of rockfill dams. First, by studying the in-situ compression behavior of rockfill, it was revealed that the rockfill short-term compressibility and time-dependent compressibility are connected. Additionally, unconfined compressive strength (UCS) of parent rock and the rockfill void ratio are two key parameters that determine the in-situ (short-term and time-dependent) rockfill compressibilities. Thus, these parameters, besides the fill materials behavior during construction (quantified by defining deformation modulus) were used to present guidelines for predicting post-construction deformations of different types of rockfill dams. In other words, by gathering a comprehensive data base of 19 concrete face rockfill dams and 22 earth core rockfill dams and evaluating settlements during and after construction, trend lines were developed which relate the post-construction settlements to the observed behavior during construction. In the presented guidelines, settlements are obtainable separately for each of the three dams’ life cycle phases: before, during and after impoundment. Additionally, the time datum for time-dependent deformations was redefined for each phase. When calculating the material moduli, the embankment geometries were taken into account by introducing a reduction factor for vertical stresses inside embankments. This study provides a good framework for characterizing and estimating the behavior of rockfill during and after construction of embankments. The trend lines presented based on behavior of numerous rockfill dams show that, in addition to addressing some limitations of previous methods (including laboratory testing, numerical modeling, and empirical methods), the approach proposed for predicting post-construction settlements is accurate and highly practical. This research also permits a better understanding of rockfill deformation mechanisms. Apart from using the presented method for predictive purposes, the presented graphs can be used to distinguish unexpected settlement behavior of a rockfill dam during its post-construction lifespan.

Trente-quatre essais d'écoulement provenant de quatre groupes d'auteurs ont été sélectionnés dans la littérature afin d'étudier l'instabilité interne de matériaux de faible plasticité soumis à l'écoulement de l'eau et initiée par suffosion. Les essais sélectionnés ont tous été effectués dans un perméamètre en appliquant les contraintes hydrodynamiques de manière ascendante et par palier. L'objectif était de déterminer la vitesse critique (vcr(l))p qui initie la mobilisation des particules fines dans les pores de la structure prédominante des matériaux, soit celle qui forme les constrictions. La méthode d'analyse présentée par Kovacs et Ujfaludi (1983), mettant en relation la résistance à l'écoulement ([Delta]h/Q) en fonction de la charge totale appliquée ([Delta]h), a été utilisée afin de déterminer les vitesses critiques (vcr(¹))p. Les essais ont tous été réinterprétés avec cette méthode et celle-ci a permis d'extraire des conditions critiques à des stades inférieurs durant les essais comparativement aux méthodes d'analyses utilisées par leurs auteurs respectifs. Ainsi, par cette approche, un nouveau critère de stabilité interne, basé sur celui développé par Kovacs et Ujfaludi (1983) pour l'application sur les puits, a été proposé pour l'étude des barrages en remblai. Puis, toujours suite à l'analyse des essais avec la méthode [Delta]h/Q - [Delta]h, les matériaux utilisés lors des essais ont été classés en trois catégories selon leur type de comportement sous écoulement après la vitesse critique (vcr(¹))p dans le repère [Delta]h/Q - [Delta]h. Il a ensuite été discuté que la sélection de matériaux stables pour l'étude des barrages doit tenir compte du type de comportement sous écoulement des matériaux et doit inclure un critère admissible de perte de fines, tel que présenté par l'approche russe. Enfin, via l'étude de certains paramètres qui influencent la vitesse critique, il a été démontré que la seule façon d'obtenir une tendance dans les résultats était de représenter dans un repère cartésien logarithmique les vitesses d'écoulement critiques (vcr(¹))p par rapport à la conductivité hydraulique (K) des matériaux.

Les barrages en enrochement comptent parmi les des ouvrages les plus importants en génie civil. Ce sont des ouvrages critiques dont les exigences de performance sont très élevées. De plus, les normes parasismiques pour ces ouvrages ont évolué rapidement depuis quelques années ((Hydro- Québec, 2003; Gouv. du QC, 2002; Canadian Dam Association (CDA), 2007 (révisé en 2013); ICOLD, 2016; Federal Guidelines for Dam Safety (FEMA), 2005) et sont maintenant très sévères. Ces analyses sont très importantes puisqu’elles permettent de mieux définir le comportement d’un l’ouvrage face à un séisme et, par conséquent, de mieux évaluer sa sécurité. Cependant, ces méthodes sont complexes et leur mis en oeuvre pour des barrages existants constitue toujours un exercice délicat. L’Est du Canada se caractérise par une séismicité active mais modérée. Les secousses sismiques de l’Est canadien ont un contenu fréquentiel plus élevé que celui de l’Ouest américain. Cependant, les signaux de l’est canadien n’ont fait l’objet relativement que de peu d’études jusqu’à maintenant. Ce mémoire présente les résultats de l’étude dynamique unidimensionnelle (1D) et bidimensionnelle (2D) du comportement d’un barrage en enrochement sous sollicitations sismiques. L’ouvrage étudié est le barrage Denis-Perron dont la construction a été complétée en 1998. C’est un barrage en enrochement d’une hauteur de 171 mètres constitué d’un noyau en till. L’ouvrage ferme la rivière Ste-Marguerite sur une vallée étroite située au nord de Sept-Îles. Des enregistrements des accélérations en crête et à la base du barrage pour trois événements sismiques ont été utilisés dans les différentes simulations. Les analyses 1D ont été menées dans le domaine fréquentiel avec le logiciel ProShake. Les analyses 2D ont été menées dans le domaine temporel avec les logiciels QUAD4M, qui adopte le comportement linéaire-équivalent des sols, et FLAC, qui tient en compte la non-linéarité du comportement des sols. Pour les deux catégories d’analyse, les résultats ont été exploités dans les domaines spectral et temporel. Ces résultats ont démontré qu’une étude 1D sur ProShake avec une correction de la période prédominante selon la forme de la vallée sont nécessaire pour des études dynamiques préliminaires d’un barrage. Cependant, des études approfondies sur FLAC peuvent s’avérer essentiel pour l’évaluation des risques sismiques de ces ouvrages. / Rockfill dams are one of the most important structures in civil engineering. These are critical structures whose performance requirements are very high. In addition, the seismic standards for these structures have changed rapidly over the last few years (Hydro-Québec, 2003; Gouv.-du- Québec, 2002; Canadian Dam Association (CDA)) and currently are very sever. These analyzes are very important since they can define the behavior of structure when earthquakes happen, and consequently, evaluate its safety. However, these methods are complex and their application on existing dams is always a delicate exercise. Eastern Canada is characterized by an active but moderate seismicity. The earthquakes in Eastern Canada have a higher frequency content than the Western United States. Though, only a few studies have been made with signals from Eastern Canada. This thesis presents the results of the dynamic 1D and 2D behavior of a rockfill dam under seismic loading. The study takes into consideration the Denis-Perron dam activity, a rockfill dam of 171 meters height with a till core, which was finished constructing in 1998. This structure closes the Ste-Marguerite River on a narrow valley north of Sept-Îles. Recordings of accelerations at the top and at the base of the dam for three seismic events were used in different simulations. The 1D analyzes were conducted in the frequency domain with ProShake software. The 2D analyzes were conducted in the time domain with QUAD4M software, which adopts the linear behavior of soils, and FLAC, which takes into account the nonlinearity of soil behavior. For both analyses, the results were carried out in spectral and temporal domains. These results demonstrated that the 1D study on ProShake, with a correction of predominant period according to the shape of the valley, is necessary for preliminary dynamic studies of a dam. However, in depth studies, FLAC may be essential for seismic risk assessment of these structures

Le projet de recherche a été réalisé dans le but premier de mettre à niveau, d'adapter et de rendre opérationnelle la méthode de Newmark pour les types de barrages et les types de séismes habituellement rencontrés au Québec. Pour ce faire, une Banque de Signaux Sismiques pour l'Est du Canada (BDSSEC), contenant 451 accélérogrammes, a été produite de même qu'un code de calcul permettant de calculer les déplacements permanents, par double intégration numérique, selon la méthode de Newmark. À partir d'analyses statistiques, des modèles prédictifs applicables au contexte sismologique de l'Est canadien ont été développés en considérant un comportement rigide-plastique (méthode dite du "bloc rigide") et un comportement viscoélastique linéaire équivalent (méthode dite "flexible"). La comparaison entre le nouveau modèle rigide-plastique pour l'Est avec ceux existants développés à partir de signaux de l'Ouest américain a montré que les déplacements permanents évalués pour l'Est peuvent être significativement inférieurs à ceux de l'Ouest pour des magnitudes et des distances épicentrales comparables compte tenu de leur contenu fréquentiel plus fort en hautes fréquences. Le modèle prédictif flexible a montré qu'il pouvait prédire des déplacements permanents du même ordre de grandeur que Makdisi et Seed (1977) et de Rathje et Antonakos (2011). Les déplacements permanents sont amplifiés par la méthode flexible comparativement à la méthode rigide principalement lorsque le ratio entre la période prédominante de l'ouvrage et la période moyenne de la sollicitation se situe autour de 1. Le second but consistait à tester l'applicabilité de la méthode du bruit de fond ambiant (H/V) comme outil expérimental pour estimer la période prédominante des barrages en remblai et en enrochement (Tp). Les études comparatives ont montré, de façon générale, une bonne concordance entre les calculs analytiques et les mesures expérimentales tant et aussi longtemps que les hypothèses à la base des modèles sont respectées.

La résolution d'un problème d'interaction gravier-enrobé bitumineux dans les barrages en remblai avec des noyaux bitumineux nécessite la connaissance du comportement des interfaces entre ces deux matériaux. Ce travail constitue une contribution dans ce sens. Des échantillons ont été confectionnés dans le laboratoire en utilisant des pierres concassées dont la granulométrie est médiane et un enrobé bitumineux caractéristique de la Romaine 2. L’appareil de cisaillement direct a été utilisé pour réaliser les essais sur ces échantillons sous une contrainte normale constante. En plus de l’effet de la contrainte normale appliqué, les influences de différents paramètres tels que la température, la vitesse de cisaillement et le pourcentage de bitume de l’interface ont été explorés. La conclusion majeure que l’on peut tirer de ces essais est que le comportement de l’interface susmentionnée est dominé par l’enrobé bitumineux et que l’enveloppe de rupture de cette interface, dans des conditions de vitesse de cisaillement très faible ou de température très élevée, passerait par l’origine et ayant un angle de frottement égal à 38.7°. Mots clés Interface; gravier-enrobé bitumineux ; Cisaillement direct ; vitesse de cisaillement ; température; enveloppe de rupture; barrage en remblai avec de noyau bitumineux. / The resolution of the problem of interaction gravel-asphalt in embankment dams with bituminous cores requires the knowledge of interfaces behavior between these two materials. This work is a contribution in this direction. Specimens were made in the laboratory using crushed stones owing a median particle size distribution and a characteristic asphalt of the Romaine 2. The direct shear device was used to perform the tests on these samples under a constant normal stress. In addition to the effect of applied normal stress, the influences of various parameters such as temperature, shear rate and the percentage of bitumen in the interface were explored. The major conclusion that can be drawn from these tests is that the behavior of the aforementioned interface is dominated by the asphalt and the failure envelope of this interface in conditions of very low shear rate or very high temperature, passes through the origin with a friction angle equal to 38.7 °. Keywords Interface; gravel-asphalt; direct shear; shear rate; temperature; failure envelope; ACRD.

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.