No description available.

Le travail présenté dans ce mémoire de thèse porte sur la modélisation discrète de l’évolution régressive du front d’un conduit d’érosion qui peut se produire dans les barrages ou digues en remblai. Des outils numériques ont été développés en se basant sur le couplage entre la méthode des éléments discrets (DEM) et la méthode de Boltzmann sur réseau (LBM) pour la description, respectivement, des phases solide et fluide. L’implémentation de la méthode DEM suit une approche standard de type dynamique moléculaire (DM) et les interactions intergranulaires sont modélisées par des contacts unilatéraux visco-élastiques frottants ou bilatéraux (ponts solides) viscoélastiques, afin de permettre la modélisation d’un sol légèrement cohésif. La méthode LBM est implémentée ici avec des temps de relaxation multiples (MRT) et une condition de rebondissement interpolée pour les frontières solides en mouvement, afin d’améliorer la stabilité numérique des calculs. Le schéma du couplage entre les deux méthodes, ainsi que les critères pour le choix des paramètres numériques des deux méthodes. Pour étudier le phénomène visé, un échantillon représentatif de sol granulaire situé au front d’un conduit d’érosion est d’abord assemblé par une procédure de préparation “à sec”, puis testé dans des conditions saturées sous un chargement hydraulique monotone croissant. L’érosion régressive se produit par amas de grains au niveau du front d’érosion ayant subi au préalable une dégradation due à de nombreuses ruptures de ponts solides en traction. L’autre phénomène important observé est la présence d’arcs associés a` des chaines de forces en compression qui parviennent à maintenir parfois totalement, parfois partiellement l’intégrité du matériau non érodé. / The work reported in this thesis consists in a discrete modelling of the backward front propagation of an erosion pipe, as can take place in embankment dams or dikes. Some numerical tools have been developed to this end, based on the coupling between the Discrete Element Method (DEM) and the Lattice Boltzmann Method (LBM) for the representation of the solid and uid phases, respectively. The implementation of DEM follows a standard molecular dynamics approach and the interaction among grains are regulated by unilteral frictional visco-elastic and breakable visco-elastic bonds, in order to take into account a slightly cohesive soil behaviour. The LBM was implemented according to the Multiple Relaxation Time (MRT) scheme along with an interpolated non-slip conditions for moving boundaries, in order to improve the numerical stability of the calculations. The coupling scheme is described along with the criteria for the numerical parameters of the two methods. A representative specimen of a granular soil located at the front of an erosion pipe is first assembled by a \dry" preparation precedure and then tested under fully-saturated conditions and increasing hydraulic load over time. Backward erosion is takes place in the form of clusters of grain being eroded at the erosion front after a degradation of the material due to the breakage of tensile bonds. The other interesting feature that was observed is the creation of arches of compressive force chains. These arches enabled the specimen to maintain a stable or metastable configuration under the increasing hydraulic load.

Climate change results to more extreme and frequent flood events that induce extra risk to flood protection structures such as levees. Thus, estimation of the probability of levee failure is of utmost importance when it comes to structural safety and flood risk assessment. This master thesis focuses on the estimation of the probability of levee failure owing to backward erosion at the foundation of the levee. For the estimation of the probability of failure three breach models of different complexity were developed and site-specified data were used from the Paglia river area and an assessment of the results followed. Besides the breach models, a 2-D hydraulic model was also built where breach scenarios were used to assess the associated flood risk. The results showed that the complexity of the breach model plays significant role to the estimated probability of failure. The simplest model estimated the lowest probability, while the complex the highest. Consequently, the associated to the complex model flood risk was higher than the other two. / Klimatförändringarna är ett allmänt problem som bland annat resulterar i ökad risk för extrema hydrologiska händelser. Av dessa extrema händelser är översvämningar bland de mest förekommande. För att tackla problemen med översvämningsriskerna används skyddsvallar som en av de vanligaste anläggningarna bland olika översvämningsskydd. Vid ett tillräckligt högt flöde kan dock den ökade belastningen på skyddsvallen orsaka att skyddsvallen havererar. En skyddsvall kan haverera på grund av flera fysikaliska fenomen, varav de vanligaste är inre erosion, otillräcklig släntstabilitet samt överspolning. Risken för att en skyddsvall havererar, det vill säga brottrisken, kan beräknas med olika metoder. Sannolikhetsbaserade metoder har nyligen växt fram som ett allt viktigare tillvägagångssätt. Det här examensarbetet handlar om brottsannolikhetsberäkningar för skyddsvallar i syfte att kartlägga översvämningsrisker. Arbetet fokuserar på fenomenet med inre erosion i skyddsvallars grundläggning. Det praktiska exemplet i examensarbetet studerar nybyggda skyddsvallar utmed den italienska floden Paglia längs en flodsträcka om 4,5 km mellan städerna Ciconia och Orvieto Scalo i regionen Umbria i centrala Italien. Ur ett hydrogeologiskt perspektiv karaktäriseras regionen av fint jordmaterial, med inslag av slutna akviferer. Sannolikhetsberäkningar med hjälp av ramverket för Monte Carlo-analys genomfördes för tre olika modeller för att beskriva inre erosion i skyddsvallarna till följd av ett 200-årsflöde. De tre olika numeriska modellerna kännetecknades av olika grad av komplexitet. Den enklaste modellen baserades på en metod av Mazzoleni et al. (2015) och tog endast hänsyn till skyddsvallens porositet. Den mellankomplexa modellen var baserad på metoden ifrån Khilar et al. (1985). Den mest komplexa modellen var tidsberoende och baserades på metoderna från Sellmeijer et al. (2011) och Scheuermann (2005), för att ta hänsyn till de två ömsesidigt beroende fenomenen bakåterosion, så kallad ”piping” och läckage, så kallat ”seepage”, vilka tillsammans ger upphov till inre erosion. Resultaten visar att graden av komplexitet i den numeriska modellen spelar en viktig roll när det gäller brottsannolikheten för skyddsvallars grundläggning. Den enklaste modellen beräknade en lägre brottsannolikhet än de andra två modellerna, och den mest komplexa modellen beräknade högst brottsannolikhet av de tre modellerna. Vidare visar resultaten på att några parametrar har en stor inverkan på brottsannolikheten. Dessa är bland annat partikeldiametern som påverkar skjuvhållfastheten i materialet, permeabiliteten, jordlagrets tjocklek under skyddsvallen samt strömningsvaraktigheten. Parametern strömningsvaraktighet kan endast beaktas i tidsberoende modeller, vilket är en av fördelarna med den mest komplexa modellen i denna studie. Förutom de numeriska brottsannolikhetsmodellerna byggdes en tvådimensionell hydraulisk modell upp för att kartlägga de resulterande översvämningsriskerna. Tre olika haveriscenarier studerades för att representera de tre brottsannolikhetsmodellerna. Dock visade det sig att den enklaste av de tre modellerna beräknade så låg brottsannolikhet att det inte var meningsfullt att studera de resulterande översvämningsriskerna enligt den enklaste brottsannolikhetsmodellen i den hydrauliska modellen. Av de två mer komplexa brottsannolikhetsmodellerna visade det sig att den mest komplexa av de två gav mer omfattande haverier i skyddsvallarna och dessutom haverier i flera av skyddsvallarna. Vidare gav den mest komplexa modellen upphov till högst vattennivåer bakom de havererade skyddsvallarna. Slutligen kan det nämnas att staden Scalo Orvieto är utsatt för en högre översvämningsrisk än staden Ciconia enligt resultaten i denna studie.