Le travail de thèse concerne le développement d'un modèle numérique pour la détermination des propriétés hydromécaniques équivalentes pour les roches fracturées. Le rapport de thèse est organisé en 7 chapitres. Le premier chapitre décrit les objectifs de la thèse et présente brièvement une synthèse des travaux réalisés sur les roches fracturées. L'accent est mis sur l'Élément Composite et la détermination des propriétés hydrauliques et mécaniques équivalentes des roches fracturées. Le second chapitre présente les outils utilisés dans le travail de thèse, à savoir la méthode des éléments finis, l'Elément Composite, le couplage écoulement/contraintes, le Réseau de Neurones Artificiels et la méthode de Monte-Carlo. Le troisième chapitre présente le concept de la méthode numérique proposée pour obtenir les propriétés hydrauliques équivalentes des roches fracturées. Elle décrit aussi les données nécessaires à ('application de cette méthode, à savoir celles sur les fractures dominantes. Les chapitres 4 et 5 présentent la détermination des propriétés hydrauliques et mécaniques équivalentes des roches sans prendre en compte le couplage contraintes/écoulement. Le 6ème chapitre présente la détermination des propriétés hydrauliques équivalentes en considérant le couplage contraintes/écoulement. Ce chapitre comporte également la construction d'une base de données sur l'influence du couplage contraintes/perméabilité sur les propriétés hydrauliques équivalentes. Le dernier chapitre décrit un procédé basé sur une combinaison des approches implicite et explicite pour l'analyse d'un barrage poids. Les données de la méthode implicite sont déterminées en utilisant la méthode numérique proposée dans ce travail. / This thesis concerns the use of the "Numerical Test System" for the determination of the equivalent hydraulic and mechanical properties of fractured rock masses. The thesis is composed of 7 chapters. The first chapter describes the objective of the thesis and briefly presents the previous studies conducted on fractured rock masses, with a particular focus on the Composite Element Method as weil as the estimation of the equivalent hydraulic and mechanical properties of fractured rocks. The second chapter presents the tools used in the thesis development, namely the finite element method, the composite element method, the coupling theory, the artificial neural network and the Monte Carlo Method. The third chapter presents the concept of the "Numerical Test System (NTS)" for determination of the equivalent hydraulic properties offractured rock. This method requires field data on dominating fractures. Chapters 4 and 5 present the determination of the equivalent hydraulic and mechanical properties and the relevant REYs neglecting the seepage/stress coupling. The 6th chapter presents the determination of the equivalent hydraulic properties considering seepage/stress coupling. This Chapter also establishes a stress/permeability database for describing the relationship between stresses and the equivalent hydraulic property. The last chapter describes a procedure based on a combination of the implicit and explicit approaches for the analysis of a grravity dam. The eqivalent properties of the implicit method are determined using the NTS.

Au Québec, il existe près de 6000 barrages et ouvrages régulateurs dont il est nécessaire d'assurer la sécurité et la stabilité. Les barrages-poids en béton, concernés par cette étude, sont soumis à plusieurs sollicitations telles que la poussée des eaux et l'action des sous-pressions. Ces sollicitations peuvent entraîner le cisaillement de l'ouvrage selon qu'elles se développent au sein d'une ou plusieurs interfaces suivantes: contact béton-béton, interface béton-roc de fondation et discontinuités roc-roc. La résistance au cisaillement de ces matériaux est gouvernée par leur friction et leur cohésion. La détermination de ces paramètres est donc primordiale dans l'établissement de la stabilité d'un barrage-poids en béton. Pour répondre à cette problématique, ce projet de maîtrise s'est concentré sur les paramètres de résistance au cisaillement (principalement l'angle de friction et la cohésion) des différentes interfaces des barrages, obtenus à partir des essais de résistance au cisaillement. Une base de données comportant plusieurs centaines d'essais a été constituée à partir de rapports d'essais de résistance au cisaillement disponibles sur des barrages-poids en béton du Québec.Au total, des essais provenant de 30 barrages-poids en béton, 4 carrières et 2 projets de barrages ont été incorporés dans la base de données. Ces ouvrages, construits entre 1911 à aujourd'hui, ont été investigués dans les années 1985 à 2010. Les données recueillies ont permis d'établir que plusieurs variables semblaient influencés [i.e. influencées] par la résistance au cisaillement. Les facteurs influençant les paramètres de résistance au cisaillement (tels que la nature du roc, la rugosité, l'effet d'échelle, la granulométrie, l'altération, etc.) ont été étudiés par des analyses statistiques. Notamment, les analyses en composantes principales ont permis d'établir des corrélations entre les différentes variables et les données d'essais, tandis que les classifications ascendantes hiérarchiques ont regroupé les données semblables et contribuer [i.e. contribué] à mieux comprendre les relations entre les variables. Plus particulièrement, ce sont les relations entre les paramètres de résistance au cisaillement et les types de roches formant les fondations rocheuses des barrages du Québec qui étaient recherchés [i.e. recherchées]. Les principaux résultats de ces analyses ont été les suivants : (1) Il n'existe pas de relation linéaire (c'est-à-dire directe) entre les paramètres de résistance au cisaillement et les divers types de rocher de fondation ; (2) Il n'y a pas d'effet d'échelle sur les résultats à l'échelle de l'éprouvette de laboratoire ; (3) Il existe une corrélation importante entre les paramètres de résistance au cisaillement et les paramètres de rugosité des épontes. Cette étude a donc permis de mieux comprendre le comportement au cisaillement des interfaces d'un barrage-poids en béton et d'établir que le facteur prépondérant demeure relié à la morphologie des épontes des discontinuités. En outre, certaines modifications à la méthodologie actuelle pour la détermination des paramètres de résistance au cisaillement ont été proposées, permettant d'approfondir les relations avec la rugosité des épontes.

Les barrages-poids en béton sont des structures essentielles afin de régulariser les apports en eau potable, la gestion des bassins hydrologiques et la génération d'électricité. Par contre, la plupart des barrages-poids, au Québec, ont été conçus et construits au cours du dernier siècle avec des méthodes d'analyse et des forces sismiques qui sont jugées inadéquates aujourd'hui. En effet, au cours des dernières décennies, les connaissances en sismologie, en dynamique des structures et en génie parasismique ont grandement évolué, rendant nécessaire la réévaluation des barrages existants afin d'assurer la sécurité du public. Actuellement, des méthodes déterministes, utilisant des facteurs de sécurité, sont utilisées pour évaluer la sécurité des barrages. Cependant, étant donné le caractère aléatoire des sollicitations sismiques et des incertitudes sur les matériaux et propriétés d'un barrage, les méthodes probabilistes se révèlent plus adaptées et deviennent de plus en plus populaires. L'une de ces méthodes est l'utilisation de courbes de fragilité. Ces courbes sont des fonctions permettant de représenter la probabilité d'endommagement ou de rupture d'une structure pour toute une gamme de chargement. Ce projet de recherche présente donc le développement de courbes de fragilité pour évaluer la vulnérabilité sismique de barrage-poids en béton. La méthodologie est appliquée à un barrage spécifique, le barrage-poids aux Outardes-3, le plus grand barrage-poids en béton au Québec. La méthode des éléments finis est utilisée pour modéliser ce barrage et prendre en compte les différentes interactions entre le barrage, le réservoir et la fondation. De plus, des résultats d'essais dynamiques in situ sont utilisés pour calibrer le modèle numérique. Les courbes de fragilité sont ensuite générées à l'aide d'analyses dynamiques temporelles non linéaires afin d'évaluer deux états limites d'endommagement : le glissement à la base du barrage et le glissement aux joints de reprise dans le barrage. Les incertitudes associées aux paramètres de modélisation et à la sollicitation sismique sont incluses dans l'analyse de fragilité et ces sources d'incertitudes sont propagées à l'aide d'une méthode d'échantillonnage. Une étude de sensibilité est également réalisée afin de déterminer les paramètres de modélisation ayant une influence significative sur la réponse sismique du système. L'incertitude associée à la variation spatiale des propriétés du barrage est également prise en compte et est modélisée à l'aide de champs aléatoires ; cette source d'incertitude peut s'avérer importante pour des ouvrages de grandes dimensions comme les barrages. Les résultats montrent que la variation spatiale des propriétés du barrage a un impact minime sur la fragilité du barrage aux Outardes-3 et qu'elle pourrait être négligée. Malgré tout, la méthodologie mise en place pour développer des courbes de fragilité applicables aux barrages-poids est efficace, pratique et donne d'excellents résultats. Par surcroît, un des grands avantages des courbes de fragilité est qu'elles permettent d'obtenir des informations quantitatives sur la vulnérabilité d'un barrage au contraire des méthodes déterministes actuelles.