L'érosion interne est le résultat de l'arrachement des particules d'un sol sous l'action d'un écoulement hydraulique. Ce phénomène est à l'origine des ruptures hydrauliques des barrages et des digues. Sur le plan mondial, 46% des désordres observés, sur les ouvrages en terre, ont pour origine l'érosion interne. En France, 70 cas critiques ont déjà été détectés. Malheureusement, à cause du phénomène d'érosion lui-même, la prévision du risque reste délicate et les autorités ont du mal à mettre en place des plans d'urgence. Compte tenu du risque potentiel, la compréhension des phénomènes à l'origine de l'érosion interne apparaît comme un enjeu scientifique majeur. L'objectif du travail de thèse est de mettre au point une méthode de diagnostic de l'érosion interne dans les digues et autres ouvrages en terre. Nous cherchons à établir un protocole qui nous guidera sur les essais à faire et qui nous aidera à interpréter les résultats. Cette méthode permettra d'expertiser les risques d'érosion interne. (i) Dans un premier temps, les principaux résultats des reconnaissances géomécaniques permettent d'identifier des couches géotechniques de sol de caractéristiques homogènes dans lesquelles sont réalisés les essais pressiométriques. L'analyse cluster des résultats des essais pressiométriques permet de déterminer le type, la nature de sol, ainsi que les caractéristiques géotechniques moyennes. (ii) Les résultats obtenus servent ensuite à déterminer si le sol est instable et quel est son seuil de sensibilité à l'aide du logiciel expert. Ce logiciel permet de calculer les critères d'érosion interne et de qualifier la sensibilité du sol à l'érosion en déterminant son seuil érosif. (iii) Un nouveau dispositif expérimental appelé l'Essai d'Erosion Transverse (Cross Erosion Test - CET) permet de caractériser expérimentalement le sol par rapport au risque d'érosion interne. Cet essai consiste à injecter de l'eau dans un forage, puis à pomper cette eau dans un forage parallèle au premier. L'eau extraite est chargée en particules produites par l'érosion interne du sol. L'érosion est estimée en se basant sur la mesure de l'évolution de la masse des particules recueillies au cours du temps. Les résultats montrent que cette expérience permet de caractériser l'érosion interne dans un sol spécifique. L'avantage de cette technique c'est qu'elle est transposable in situ et qu'elle peut être utilisée pour prédire le risque de suffusion dans les barrages et les digues. (iv) La validation de l'expérience est faite par un modèle numérique 3D réalisé avec le logiciel Comsol Multiphysics 4.3b. Ce modèle permet de montrer que sous les conditions de perméabilité observées, le gradient hydraulique se concentre autour des points d'injection et de pompage. Une modélisation de base en 2D est développée. Cette première approche permet de décrire le phénomène d'érosion et le transport des particules fines dans le milieu poreux du sol. / Internal erosion is the displacement of the fine particles of a soil under the action of an internal flow. This mechanism could be the origin of the damage on embankments and earth dams. In the word, 46% of failure observed on earthwork, are caused by internal erosion. In France, 70 critical cases have been detected. Unfortunately, due to internal erosion, the prediction of risk remains difficult. The understanding of this phenomenon of internal erosion appears as a major scientific challenge. The aim of this thesis is to develop a diagnostic method of internal erosion in dams and other earthworks. We seek to establish a protocol that will guide us to the test and help us to interpret the results. This method allows concluding about the risk of internal erosion appearance. (i) Initially, the main results of geotechnical survey allow identifying the layers of homogeneous characteristics of soil which are measured by the pressuremeter test. The results of cluster analysis of pressuremeter tests allow determining the localisation, the nature and the mean geotechnical characteristics of the soil. (ii) The results are used to determine the threshold of sensibility to internal erosion with the help of expert software. This software allows to calculate the criteria of internal erosion and to describe the sensitivity of the soil to internal erosion. (iii) A new experimental device is developed in our laboratory. This experiment called “Cross Erosion Test" (CET) allows determining the experimental resistance of the soil to the risk of internal erosion. The test consists of the injection, in a first drilling, of clear water and of the recovery, in another drilling, of water charged with eroded particles. For different initial state of the soils, it is possible to measure and to characterize the internal erosion by visualisation of the water flow and the measurement of the weight of the extracted eroded particles. The results show that this experience allows characterizing the internal erosion in a specific soil. The advantage of this technique is that it can be used in situ to predict the risk of suffusion in dams and dikes. (iv) A validation of experiences, with a 3D finite element method is carried out with the help of the Comsol Multiphysics 4.3b software. This model shows that under experiment hydraulic conditions, the hydraulic gradient is concentrated around the injection and the pumping. A finite element 2D model is developed to simulate erosion process. This approach describes the phenomenon of internal erosion and transport of fines particles in the porous medium of soils tested.

Dans le but de mener à bien le dimensionnement des barrages en terre construits sur sols mous, on développe une approche couplant la consolidation des sols et les écoulements à surface libre. Ce modèle de consolidation à surface libre des sols élastiques ou élastoplastiques isotropes ou anisotropes, écrouissables ou non, prend en compte la variabilité ou la constance des principaux paramètres mécaniques et hydrauliques du sol (indice des vides, écrouissage, perméabilités, compressibilités, teneur en eau). Le traitement numérique de ce problème, effectué au niveau du code de calculs par éléments finis CESAR du Laboratoire Central des Ponts et Chaussées, conduit à la résolution de systèmes d'équations différentielles non-linéaires, pour lesquels on propose des algorithmes transitoires itératifs et des éléments finis appropriés du type déplacement et diffusion. L'application du modèle au calcul d'un ouvrage réel, construit et mis en eau par étapes, a permis d'obtenir des résultats encourageants tant du point de vue mécanique que du point de vue hydraulique.

La thèse constitue une juxtaposition de plusieurs contributions originales à lélaboration et lanalyse de modèles numériques capables de décrire une vaste gamme découlements à surface libre ainsi que les phénomènes de transport associés. Deux axes principaux sous-tendent les recherches entreprises. Il sagit, dune part, dune contribution à létude de modèles visant à reproduire adéquatement les interactions du fluide avec divers constituants transportés, tels que de lair entraîné, un polluant ou des sédiments. Cette phase du travail inclut également la caractérisation et la prédiction du comportement de lécoulement en présence dune topographie mobile ou érodable, y compris dans le cas dun barrage en remblai subissant une surverse. Dautre part, partant du constat quune modélisation fidèle des processus de transport, notamment hydrosédimentaires, passe inévitablement par un raffinement du calcul hydrodynamique proprement dit, une partie des travaux effectués dans le cadre de cette thèse est spécifiquement orientée vers un enrichissement de la connaissance des champs hydrodynamiques au sein du modèle.

La France et plus généralement le monde subissent de fréquents épisodes de crues dévastatrices. Les inondations provoquent d'importants dégâts et les coûts induits sont considérables. Les digues de protection contre les inondations, souvent sousdimensionnées et mal entretenues, ont montré leurs faiblesses à plusieurs reprises et leurs uptures augmentent la violence des inondations. A l'échelle nationale, le linéaire conséquent de digues (environ 7 500 km) et le manque de données sur l'ensemble de ce parc d'ouvrages compliquent leur gestion. A l'échelle du gestionnaire local se pose la question de l'optimisation des opérations de maintenance. En effet, un gestionnaire de digues ne dispose généralement pas d'un budget suffisant pour réaliser l'ensemble des opérations de maintenance sur la totalité du parc d'ouvrages. Ce long linéaire pose donc une question majeure : par où commencer les actions de maintenance pour à la fois assurer le bon fonctionnement des digues et optimiser les choix budgétaires ? Dans ce contexte, les gestionnaires de digues ont besoin de méthodes et d'outils d'aide à la décision. Un premier Système d'Information Géographique (SIG), le SIRS Digues, est opérationnel. Il contient les informations détaillées sur les ouvrages : géoréférencement des digues à l'échelle 1/10 000ème et informations relatives aux digues (constitution, désordres, réseaux, voiries...). Toutefois en l'état, cet outil ne permet pas d'évaluer l'état des digues. Notre recherche vise à développer des méthodes d'évaluation de la performance des digues. A partir des informations disponibles (inspections visuelles détaillées, essais réalisés, données historiques, etc.), nous proposons des indicateurs capables d'évaluer leur état et leur performance. Notre démarche comporte trois étapes : * l'élaboration d'un modèle fonctionnel des mécanismes de rupture, bâti à partir de l'Analyse Fonctionnelle (AF) et l'Analyse des Modes de Défaillance et de leurs Effets (AMDE), et utilisant une représentation sous forme de graphes causaux et d'arbres de défaillances ; * la construction d'indicateurs de performance pour chaque mécanisme de rupture, sur la base de critères et d'une méthode d'aide à la décision multicritère : l'agrégation à base de règles ; * l'intégration du modèle multicritère d'évaluation de la performance des digues dans le SIRS Digues. Cette opération permet de cartographier et de visualiser la performance d'un parc d'ouvrages. Après une application sur une digue existante de ces méthodes, nous proposons divers développements et perspectives à cette recherche, dont la principale est, à moyen terme, le développement d'un outil opérationnel pour l'aide à la décision dans les actions de maintenance des digues de protection contre les inondations.