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.

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.