Comportement des interfaces fragiles des ouvrages hydroélectriques

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THESE DE DOCTORAT

L'UNIVERSITE DE SHERBROOKE

et

L'UNIVERSITE BORDEAUX 1

ECOLE DOCTORALE DES SCIENCES DE L'ENVIRONNEMENT

Par

Baptiste ROUSSEAU

POUR L'OBTENTION DU GRADE DE

DOCTEUR ES SCIENCES

SPECIALITE : GEOSCIENCES DE L'ENVIRONNEMENT

et

PHILOSOPHAE DOCTOR

Comportement des interfaces fragiles des ouvra

hydroelectriques

Soutenue le : 5 mai 2010 Apres avis de :

Kaveh SALEH Rapporteur Devant la commission d'examen formee de:

Joelle RISS Directeur Gerard BALLIVY Directeur Antoine MARACHE Co-directeur Patrice RIVARD Co-directeur Daniel BOISSIER Examinateur Luc CHOUINARD Examinateur Clermont GRAVEL Examinateur

1*1

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THESE DE DOCTORAT

L'UNIVERSITE DE SHERBROOKE

et

L'UNIVERSITE BORDEAUX 1

ECOLE DOCTORALE DES SCIENCES DE L'ENVIRONNEMENT

Par

Baptiste ROUSSEAU

POUR L'OBTENTION DU GRADE DE

DOCTEUR ES SCIENCES

SPECIALITY : GEOSCIENCES DE L'ENVIRONNEMENT

et

PHILOSOPHAE DOCTOR

Comportement des interfaces fragiles des ouvra

hydroelectriques

Soutenue le : 5 mai 2010 Apres avis de :

Kaveh SALEH Rapporteur Devant la commission d'examen formee de:

Joelle RISS Directeur Gerard BALLIVY Directeur Antoine MARACHE Co-directeur Patrice RIVARD Co-directeur Daniel BOISSIER Examinateur Luc CHOUINARD Examinateur Clermont GRAVEL Examinateur

Table des Matieres

REMERCIEMENTS XVII RESUME XVIII ABSTRACT XIX INTRODUCTION 1 1. GEN^RAUTES ET PRESENTATION DES BARRAGES ETUDIES 4

1.1. DEFINITIONS DES PRINCIPALS TERMES EMPLOYES 4 1.2. NECESSITE D'UNE TELLE ETUDE IREGLEMENTSUR LA SECURITEOES BARRAGES C.S-3.1.01.. 6

1.3. NORME« EVALUATION DE LA STABILITE DES BARRAGES-POIDS EN BETON » 8

1.3.1. Angle de frottement 8 1.3.2. Cohesion reelle du beton sain ou des joints lies sans essais 8

1.3.3. Cohesion apparente des joints non lies 9 1.3.4. Discussion de la norme SB-61-08-00 9

1.4. LIEN ENTRE LA MORPHOLOGIE ET LE COMPORTEMENT MECANIQUE D'UNE FRACTURE 10

1.4.1. Resultats d'essais 10 1.4.2. Diagramme de Mohr de discontinuites issues de barrages-poids en beton 12

1.5. ORIGINALITE DE CE TRAVAIL 1 3 1.6. PRESENTATION DES BARRAGES 14

1.6.1. Barrage Hull 2 14 1.6.2. Barrage de Rapide 7 18

2. M^THODOLOGIE 21

2.1. METHODOLOGIE DE L'ESSAI DE CISAILLEMENT 21

2.1.1. Prelevement des echantillons 22 2.1.2. Presentation du montage et des parametres de cisaillement 23

2.1.3. Ameliorations apportees au bati de cisaillement 28

2.2. RELEVESDE LA MORPHOLOGIE 31

2.2.1. Dispositifs de mesure de la rugosite 32 2.2.2. Presentation du profilometre laser 33

2.2.3. Exemple de releves t • 38

2.2.4. Remboitement numerique des epontes 39

2.3. OBSERVATION DE POINTS ATYPIQUES LORS DES RELEVES AU PROFILOMETRE LASER ET LEUR ORIGINE 42

2 . 4 . DETERMINATION DE L'ORIGINE DES POINTS ATYPIQUES 4 4

2.4.1. Methode de test 44 2.4.2. Echantillons utilises 44 2.4.3. Numerisation des echantillons : mise en evidence de points atypiques 46

2.4.3.1.a. Numerisation perpendiculairement au plan (x ; y) 46 2.4.3.l.b. Representation des altitudes dans le plan (x ; z) 47

2.4.4. influence de la Vitesse de numerisation 49

3. ETUDE DE LA MORPHOLOGIE D'UNE FRACTURE ROCHEUSE : LA RUGOSITE ET SA CARACltRISATION.. 51

3.1. DEFINITION/G£NERALITES , 51

3.1.1. Morphologie 51 3.1.2. Asperites 52 3.1.3. JRC 53 3.1.4. Ouverture 55

3 . 2 . PARAMETRES STATISTIQUES USUELS PERMETTANT DE D^CRIRE LA RUGOSITE., 5 8

3.2.1. Plan ou ligne de reference 58 3.2.2. Parametres globaux caracterisant la surface de fracture 58

3.2.3. Parametres directionnels 63

3.3. ETUDE G£OSTATISTIQUE DES FRACTURES ROCHEUSES 66

3.3.1. Principe 66 3.3.2. Equation fondamentale 67

3.3.3. Hypotheses de base et definition 67 3.3.4. Estimation du variogramme 70

3.3.4.2.a. Variogramme des residus des hauteurs 71 3.3.4.2.b. Variogramme de la derivee premiere des hauteurs 72

3.3.5. Modeles variographiques 73 3.3.6. Reconstruction de la surface des epontes 74

4. ETUDE DU COMPORTEMENT MECANIQUE D'UNE FRACTURE 76

4.1. COMPORTEMENT SOUS CONTRAINTE NORMALE 76 4.2. COMPORTEMENT MECANIQUE DE DISCONTINUITY EN CISAILLEMENT 79

4.3. ORIGINES DEL' AUGMENTATION DE CONTRAINTE TANGENTIELLE 84 4.4. INFLUENCE DE LA CONTRAINTE NORMALE SURLE COMPORTEMENT EN CISAILLEMENT 85

4.5. INFLUENCE DE LA RESISTANCE DES EPONTES 85 4.6. INFLUENCE DE L'ETAT DE SURFACE DES ^PONTES 85 4.7. CRITERES DE RUPTURE DES FRACTURES ROCHEUSES EN CISAILLEMENT 86

4.7.1. Critere de Coulomb 86 4.7.2. Critere bilineaire de Patton (1966) 86

4.7.3. Critere de Ladanyi et Archambault (1969) 88

4.7.4. Critere de Barton (1973) 89

4 . 8 . COMPORTEMENT MECANIQUE DES FRACTURES EN CISAILLEMENT 9 1

4.8.1. Modeles incrementaux 91 4.8.2. Modeles prenant en compte la degradation des asperites 93

4.9. ANALYSE DETAILUE DES DONNEES MORPHOLOGIQUES ET MECANIQUES DES BARRAGES DE HULL 2 ET DE RAPIDE 7 96

4.9.1. Proposition d'une notation pour une classification experte des interfaces 96 4.9.2. Analyse comparative du parametre de classification et des resultats issus des essais mecaniques

du barrage de Hull 2 et Rapide 7 97 4.9.3. A.C.P. et CHA sur les parametres de rugosite des discontinuites du barrage de Rapide 7 116

4.9.4. A.C.P. et CHA sur les parametres de rugosite des discontinuites du barrage de Hull 2 127

4.9.5. Comportement mecanique des contacts beton-roche des deux barrages 130

5. ETUDE D'UN CONTACT BETON-ROCHE ARTIFICIEL 139

5.1. CARACTERISATION PETROGRAPHIQUE ET MECANIQUE D'UN BLOC DE GRANITE 139

5 . 2 . NUMERISATION DE LA SURFACE DU BLOC 1 4 1 5.3. TRAITEMENT DES POINTS ATYPIQUES 142

5.3.1. Traitement des points atypiques 146

5.4. PROBLEMES RENCONTRES 155

5.4.1. Description 155 5.4.2. Moyens de resolution proposes 155

5.4.3. Caracterisation geometrique de la surface du bloc de granite et carottages possibles 164

5.4.4. £tude geostatistique des residus des hauteurs du bloc de granite 170

5.4.5. Parametres statistiques de rugosite du bloc de granite 173

5.4.6. Colatitudes 2D 174

5.5. CARTOGRAPHY DES PARAMETRES DE RUGOSITE 175 5 . 6 . REALISATION DU CONTACT ROCHE-BETON 1 8 0

5.7. REALISATION DE CAROTTAGES 181 5.8. ANALYSE DE LA RUGOSITE DES CAROTTES '. 183

5.8.1. Sur les echantillons apres carottage 183 5.8.2. Parametres de rugosite de sous ensembles de la surface 186

5.9. ETUDE GEOSTATISTIQUE DE LA RUGOSITE DES ECHANTILLONS CAROTTES 188

5.9.1. Variogrammes des hauteurs 188 5.9.2. Variogrammes des residus des hauteurs 194

5.10. ANALYSE DU COMPORTEMENT MECANIQUE DES CAROTTES 197

5.10.1. Echantillon 1 1 197

5.10.2. Echantillon 2 200 5.10.3. Echantillon 3 202 5.10.4. Synthese des parametres mecaniques et comparaison avec les parametres de rugosite 203

CONCLUSION 205

RECOMMANDATIONS 210 BIBUOGRAPHIE 214

Table des figures et tableaux

Figure 1-1 : Schema d'explication des parametres definis 4 Figure 1-2 : Courbes de cisaillement et de dilatance pour deux essais roche-roche 11

Figure 1-3 : Plans de Mohr des discontinuites roche-roche etudiees 12 Figure 1-4 : Photographie du barrage de Hull 2 (Hydro-Quebec) 15

Figure 1-5 : Localisation du barrage de Hull 2 15 Figure 1-6 : Photographie d'un lit d'argilite 17 Figure 1-7 : Problemes rencontres au barrage de Hull 2 (photographie : Clermont Gravel)

17

Figure 1-8 : Photographie du barrage de Rapide 7 (Hydro-Quebec) 18

Figure 1-9 : Localisation du barrage de Rapide 7 18

Figure 1-10 : Granite de Rapide 7 19 Figure 1-11 : Problemes rencontres au barrage de Rapide 7 (photographie: Clermont

Gravel) 20 Figure 2-1 : Schema du carottier a triples parois 23

Figure 2-2 : Installation de l'echantillon dans son moule 25

Figure 2-3 : Moule en position dans lapresse 26 Figure 2-4 : Coupe schematique des moules de cisaillement 27

Figure 2-5 : Localisation des rotations parasites (vue de face de la presse) 28 Figure 2-6 : Deplacements parasites mesures au cours d'un essai avant modification du

montage 29 Figure 2-7 : Photographie des rouleaux 30

Figure 2-8 : Deplacements parasites mesures au cours d'un essai apres modification du

montage 30 Figure 2-9 : Plaques de rigidification du montage 31

Figure 2-10 : Peigne conformateur.... 32 Figure 2-11 : Photographie d' ensemble du dispositif de mesure 34

Figure 2-12 : Principe de fonctionnement du rugosimetre laser 35

Figure 2-13 : Presentation de la camera de mesure 36 Figure 2-14 : Presentation du peigne laser 36 Figure 2-15 : Mire permettant au laser de rester dans le plan focal de la camera 37

Figure 2-17 : Quelques profils pris sur l'echantillon precedent 38 Figure 2-18 : Positionnement des billes sur les epontes 40 Figure 2-19 : Positionnement des tiges sur les epontes 41 Figure 2-20 : Image en fausse couleur de la surface numerisee issue d'un bloc de granite 42

Figure 2-21 : Image en niveaux de gris d'un bloc de granite 43

Figure 2-22 : Presentation du granite rose utilise 45 Figure 2-23 : Presentation des mineraux utilises 45 Figure 2-24 : Comparaison de la numerisation et de l'image selon le plan (x ; y) 46

Figure 2-25 : Vue dans le plan (x ; z) de la numerisation de l'echantillon de granite (plan

(x;z)) 47 Figure 2-26 : Agrandissements de l'image du plan (x ; z) issue de la numerisation de

l'echantillon de granite 47 Figure 2-27 : Numerisation de biotite (a), de quartz (b) et de feldspath (c) 48

Figure 2-28 : Comparaison de deux numerisations realisees avec deux vitesses differentes

(Va>Vb) 49 Figure 3-1 : Asperites primaires et secondaires (Kana et al., 1996) 52

Figure 3-2 : profils de rugosite et leur JRC (Barton et Choubey, 1977) 54 Figure 3-3 : Proprietes de la fracture determinees par l'espace des vides (Hakami, 1995).56

Figure 3-4 : presentations des differentes methodes de mesure de l'espace des vides

(Hakami, 1995) 57 Figure 3-5 : Difference entre auto-similarite et auto-affinite (Murata et Saiito, 1999) 60

Figure 3-6 : Definition de la colatitude 3D 61 Figure 3-7 : definition des colatitudes 2D 63 Figure 3-8 : Representation de la signification du parametre Z2 64

Figure 3-9 : Representation de la signification du parametre Z3 64 Figure 3-10 : Representation de la signification du parametre Z4 65 Figure 3-11 : Representation de la signification du parametre RL 65 Figure 3-12 : Variogramme theorique d'une variable stationnaire 68 Figure 3-13 : Definition du fuseau de recherche sur une direction u quelconque 71

Figure 3-14 : Schematisation des residus 71 Figure 3-15 : Exemple de correction de la derive (Marache, 2002) 72

Figure 4-1 : Fermeture d'une fracture sous contrainte normale (Gentier, 1986) 77 Figure 4-2: Comportement d'une fracture lors d'un cycle de charge-decharge (Gentier,

1986) 78 Figure 4-3 : Chargement sous contrainte normale constante 80

Figure 4-4 : Courbes types de cisaillement et de dilatance (dans Lopez 2000) ...82 Figure 4-5 : Definition d'un plan de glissement sans rugosite et des contraintes en place

(Goodman, 1976) 84 Figure 4-6 : Types d'eprouvettes utilisees par Patton (1966) 88

Figure 4-7 : Courbe adimensionnelle (Barton, 1982) extraite de Lopez, 2000 94 Figure 4-8 : Mecanismes de deformation des asperites (Xu et Freitas, 1990) 95

Figure 4-9 : Definition de la direction et du sens du cisaillement 97 Figure 4-10 : Cercle des correlations dans le plan Fl F2 de la classification et des

parametres mecaniques du barrage de Hull 2 104 Figure 4-11 : Nuage des individus dans leplanFlF2 du barrage de Hull 2 105

Figure 4-12 : Dendrogramme des individus du barrage de Hull 2 106 Figure 4-13 : Nuage des individus dans le plan F1F2 du barrage de Hull 2 107

Figure 4-14 : Cercle des correlations dans le plan Fl F2 de la classification et des

parametres mecaniques du barrage de Rapide 7 I l l Figure 4-15 : Individus dans le planFlF2 du barrage de Rapide 7 112

Figure 4-16 : Dendrogramme des individus du barrage de Rapide 7 113 Figure 4-17 : Individus dans le planFlF2du barrage de Rapide 7 114

Figure 4-18 : Definition des suffixes «_x » et «_y » 117 Figure 4-19 : Cercle des correlations dans le plan Fl F2 de la classification et des

parametres de rugosite (avant essai) des epontes de roche du barrage de Rapide 7 118 Figure 4-20 : Representation des individus dans le plan F1F2 des epontes de roche (avant

essai) du barrage de Rapide 7 119 Figure 4-21 : Dendrogramme des individus (epontes rocheuses avant essai) du barrage de

Rapide 7 120 Figure 4-22 : Representation des individus (epontes de roche) dans le plan F1F2 (avant

essai) du barrage de Rapide 7 121 Figure 4-23 : Cercle des correlations dans le plan Fl F2 de la classification et des

parametres de rugosite des epontes de beton (avant essai) du barrage de Rapide 7 123 Figure 4-24 : Representation des individus (epontes de beton) dans le plan F1F2 (avant

essai) du barrage de Rapide 7 124 Figure 4-25 : Dendrogramme des individus (epontes de beton avant essai) du barrage de

Rapide 7 125

Figure 5-1 : Vue de profil dubloc de granite recouvert de beton 140 Figure 5-2 : Photographie de la surface du bloc de granite utilise 140 Figure 5-3 : Representation en fausses couleurs des hauteurs z (mm) de la surface du bloc

142

Figure 5-4 : Image de la surface du bloc en niveaux de gris 144 Figure 5-5 : Detail de l'image sur les points atypiques 145 Figure 5-6 : Histogramme des niveaux de gris le long de la ligne de reference 146

Figure 5-7 : Colatitudes 2D calculees sur le bloc avant la decouverte des points atypiques 147

Figure 5-8 : Principe de l'erosion 148 Figure 5-9 : Principe de la dilatation 149 Figure 5-10 : Definition d'un noyau 3x3 et des ponderations 150

Figure 5-11 : Definition du gradient externe 151 Figure 5-12 : Definition de lafacette utilisee pour le seuillage 151

Figure 5-13 : Localisation des points elimines 152 xii

Figure 5-14 : Image en niveaux de gris apres reconstruction des points elimines 153

Figure 5-15 : Comparaison avant et apres traitement 153 Figure 5-16 : Histogramme des niveaux de gris le long de la ligne de reference avant

traitement 154 Figure 5-17 : Histogramme des niveaux de gris le long de la ligne de reference apres

traitement 154 Figure 5-18 : Pavage du plan par des hexagones et details de ceux-ci (r : rayon du cercle

inscrit a l'hexagone, a : longueur d'un cote de l'hexagone) 156 Figure 5-19 : Position du carre de 100 cm2 sur la surface dubloc 157

Figure 5-20 : Parametres statistiques obtenus lors du reechantillonnage du sous-bloc (l'echelle de gauche concerne les donnees reliees en traits pleins et l'echelle de droite,

celles reliees en pointilles) 157 Figure 5-21 : Comparaison de la presence ou absence de points par maille pour deux

reechantillonnages (A : pas=0,3 mmetB : pas=0,5 mm) 159 Figure 5-22 : Pavage du plan par des carres et details de ceux-ci (c : cote du carre) 160

Figure 5-23 : Parametres statistiques obtenus lors du reechantillonnage du sous-bloc (l'echelle de gauche concerne les donnees reliees en traits pleins et l'echelle de droite,

celles reliees en pointilles) 160 Figure 5-24 : Comparaison de la presence ou absence de points par maille pour deux

reechantillonnages differents (A : pas=0,3 mm etB : pas=0,5 mm) 161 Figure 5-25 : Variogramme des residus des hauteurs z pour les differents

reechantillonnages carres et hexagonaux realises au pas de 0,5 mm 162 Figure 5-26 : Carte des isovaleurs des hauteurs z de la surfacedu bloc 164 Figure 5-27: Coupe realisee au sein du bloc selon une ligne presentant une etendue des

hauteurs z importante (profil de 38 cm) 165 Figure 5-28 : Coupe realisee au sein du bloc le long de la ligne CD (profil de 37 cm).... 165

Figure 5-29 : Variogramme des hauteurs, pour un pas h multiple de 0,5 mm, dans les

directions x ety 166 Figure 5-30 : Position des carres 167

Figure 5-31 : Variogrammes des hauteurs dans les directions x et y pour les carres 1 a 5. 169 Figure 5-32 : Cartographie en fausse couleur des residus des hauteurs (750 000 pixels). 170

Figure 5-34 : Variogrammes des residus des hauteurs z du bloc sur 15 mm 172 Figure 5-35 : Colatitudes 2D dans la direction x (intervalle interclasses = 2,5°) 174

Figure 5-36 : Localisation des centres descarottes virtuelles 175 Figure 5-37 : Cartographie du parametre Z2 pour un maillage carre 176 Figure 5-38 : Cartographie du parametre Z3 pour un maillage carre .177 Figure 5-39 : Cartographie du parametre Z4 pour un maillage carre 177

Figure 5-40 : localisation des trois echantillons 178 Figure 5-41 : Disposition des echantillons sur la surface du bloc de granite avant carottage

179

Figure 5-42 : Vue de profil du bloc de granite et de la couche de beton 181

Figure 5-43 : Carottage des echantillons dans lebloc 182 Figure 5-44 : Mediane des parametres de rugosite de toutes les epontes, pour la roche et le

beton, pre- et post-cisaillement 184 Figure 5-45 : Medianes des parametres Z4 185

Figure 5-46: Comparaison des parametres de rugosite obtenus avec les differents

reechantillonnages 187 Figure 5-47 : Variogrammes des hauteurs de l'echantillon 1 188

Figure 5-48 : Variogrammes des hauteurs de l'echantillon 2 190 Figure 5-49 : Variogrammes des hauteurs de l'echantillon 3 191 Figure 5-50 : Photographie de l'echantillon 2, eponte de roche avant cisaillement 192

Figure 5-51 : Photographie de l'echantillon 3, eponte de roche avant cisaillement 193

Figure 5-52 : Variogrammes des residus des hauteurs de l'echantillon 1 194 Figure 5-53 : Variogrammes des residus des hauteurs de l'echantillon 2 195 Figure 5-54 : Variogrammes des residus des hauteurs de l'echantillon 3 196 Figure 5-55 : Courbes de cisaillement (bleu) et de contrainte normale (rouge) de

l'echantillon 1 198 Figure 5-56 : Courbe de dilatance de l'echantillon 1 199

Figure 5-57 : Courbes de cisaillement (bleu) et de contrainte normale (rouge) de

l'echantillon 2 200 Figure 5-58 : Courbe de dilatance de l'echantillon 2 201

Figure 5-59 : Courbes de cisaillement (bleu) et de contrainte normale (rouge) de

l'echantillon 3 202 Figure 5-60 : Courbe de dilatance de l'echantillon 3 203

Tableau 1-1 : Proprietes mecaniques du calcaire deHull 2 16 Tableau 1-2 : Proprietes mecaniques de l'argilite de Hull 2 16 Tableau 1-3 : Proprietes mecaniques du granite de Rapide 7 19 Tableau 4-1 : Proposition de criteres afin d'evaluer in situ une surface de fracture 96

Tableau 4-2 : Tableau comparatif de la classification et des parametres mecaniques pour le

barrage de Hull 2 101 Tableau 4-3 : Matrice des correlations : classification et parametres mecaniques (Hull 2)

102 Tableau 4-4 : Valeurs des parametres de l'A.C.P. de la classification et des parametres

mecaniques du barrage de Hull 2 103 Tableau 4-5 : Synthese des parametres mecaniques et des parametres de classification du

barrage de Rapide 7 109 Tableau 4-6 : Matrice des correlations : classification et parametres mecaniques du barrage

de Rapide 7 109 Tableau 4-7 : Valeurs des parametres de l'A.C.P. de la classification et des parametres

mecaniques du barrage de Rapide 7 110 Tableau 4-8 : Matrice des correlations des parametres de rugosites calcules sur les

numerisations avant essai pour les seules epontes de type rocheux du barrage de Rapide 7 117 Tableau 4-9 : Resultats de l'A.C.P. sur les parametres de rugosite calcules sur les

numerisations avant essai des epontes de roche du barrage de Rapide 7 118 Tableau 4-10 : Matrice des correlations des parametres de rugosite calcules sur les

numerisations avant essai des epontes de beton du barrage de Rapide 7 122 Tableau 4-11 : Resultats de l'A.C.P. des parametres de rugosite calcules sur les

numerisations avant essai des epontes de beton du barrage de Rapide 7 123 Tableau 4-12 : Matrice des correlations des parametres de rugosite avant essai (Hull 2). 127

Tableau 4-13 : Valeurs des parametres de l'A.C.P 128 Tableau 4-14 : Contraintes normales (ON) appliquees lors des essais 133

Tableau 5-1 : Proprietes mecaniques du granite du Lac Dubonnet 141 Tableau 5-2 : Densite surfacique de points en fonction du rayon "r" des cercles inscrits aux

hexagones 158 Tableau 5-3 : Densite surfacique de points en fonction du cote "c" de la maille carree ... 160

Tableau 5-4 : Parametres de rugosite du bloc de granite 173 Tableau 5-5 : Coordonnees des carottes sur lebloc 179 Tableau 5-6 : Composition et proprietes du beton de recouvrement du bloc de granite... 180

Tableau 5-7 : Parametres de rugosite des echantillons carottes dans le bloc de granite et

numerises une fois dans la boite de cisaillement 183 Tableau 5-8 : Parametres de rugosite calcules a partir du pavage hexagonal 186

Tableau 5-9 : Parametres de rugosite calcules a partir du pavage carre... 186 Tableau 5-10 : Contraintes normales utilisees sur les trois echantillons 197

Tableau 5-11 : Synthesedes parametres mecaniques 204

Table des annexes

ANNEXE 1 : Resultats des essais mecaniques du barrage de Hull 2 221 ANNEXE 2 : Resultats des essais mecaniques du barrage de Rapide 7 276

REMERCIEMENTS

Je tiens tout d'abord a remercier M. Gerard Ballivy ainsi que Mme Joelle Riss pour m'avoir fait confiance et pour m' avoir confie ce travail ainsi que pour m'avoir accueilli dans leurs laboratoires respectifs.

Je tiens aussi a remercier M. Patrice Rivard et M. Antoine Marache d'avoir accepte d'etre les codirecteurs de ce travail de these. Je les remercie aussi pour 1'ambiance stimulante de travail ainsi que pour leur collaboration et leurs idees toujours productives. Enfin, je souhaite dire merci a Patrice pour ses encouragements constants et pour sa patience avec moi.

Mes remerciements les plus sinceres vont a M. Clermont Gravel. Clermont, sache que ce travail ne serait pas ce qu'il est sans toi et sans les discussions que nous avons eues sur des sujets divers et varies. Tu m'as souvent permis de voir plus loin.

J'ajouterais un merci tout particulier a MM. Georges Lalonde et Danick Charbonneau, sans qui ce travail n'aurait jamais pu etre fait. Merci Georges pourla realisation des essais et pour tes critiques constructives. Merci a Danick pour ses conseils et sa bonne humeur ! Mes plus sinceres remerciements vont a Steve Allen du RQCHP ainsi qu'a Jean-Jacques Peraudin de Geovariance pour leur aide precieuse.

Je remercie aussi tous mes Amies et Amis qui m'ont soutenu dans les moments difficiles et qui m'ont apporte enormement sur le plan personnel et professionnel. Je remercie done Philippe, Jeremie, Audrey, Jerome, Sebastien, Danusa, Hana, Nicolas, Maxime, Marie, Benjamin, Mathilde, Julien et Sophie.

Je tiens tout particulierement a remercier ma Famille pour son soutien indefectible lors de ma decision de partir loin ainsi que dans les moments difficiles de ces trois dernieres annees.

Enfin, je te remercie, Sophie, de m'avoir supporte dans les moments les plus difficiles de mon doctorat. Tu as la plus grande place dans mon cceur.

RESUME

Au Quebec, les barrages poids en beton de plus de cinquante ans sont particulierement etudies depuis le seisme du Saguenay (1988, 6,2 sur l'echelle de Richter) car ils n'avaient pas ete dimensionnes pour de tels aleas. Dans les codes de calculs de fiabilite d'Hydro-Quebec, differents parametres relatifs a la morphologie de l'ouvrage ainsi que des parametres physiques et mecaniques sont necessaires. Parmi ces derniers, la resistance au cisaillement des interfaces (beton-beton, beton-roche et roche-roche) du barrage est particulierement importante car elle conditionne en grande partie le coefficient de securite. De plus, il est communement admis que la rugosite des epontes des discontinuites rocheuses conditionne le comportement mecanique en cisaillement. Cette etude se decompose en deux volets : une etude d'echantillons preleves sur deux barrages et la realisation d'un contact roche-beton artificiel.

Tout d'abord, a partir d'essais de cisaillement sous contrainte normale constante, realises sur des contacts provenant de deux barrages d'hydro-Quebec, l'etude en composantes principales des parametres mecaniques et de rugosite a ete menee afin de determiner les parametres preponderants (Z2, Z4, Etendue). De plus, une classification de terrain des discontinuites est proposee. Cette derniere repose sur differents parametres tels que l'angularite de la surface, le remplissage ou encore l'oxydation des epontes.

Le contact roche-beton artificiel, realise au cours de ce travail, a ete etudie dans sa globalite par differents moyens statistique et geostatistique, afin de decrire le plus precisement possible sa rugosite de surface. Une fois cette derniere connue, un plan de carottage au carottier de 150 mm de diametre a ete decide. Les zones prelevees sont celles presentant des particularites de rugosite, comme par exemple, une angularite forte. Une fois le carottage effectue, les echantillons ont ete soumis a un essai de cisaillement sous contrainte normale constante. II en resulte une etude des parametres mecaniques et de rugosite ainsi qu'une prise en compte de l'effet d'echelle.

MOTS CLES : Barrage, Interfaces, Discontinuites, Statistiques, Analyse d'images, Geostatistiques, Profilometre laser.

ABSTRACT

In Quebec, the concrete dams over fifty years are systematically studied since the Saguenay earthquake (1988, 6.2 on the Richter scale) because they were not sized for such hazards. For calculation of the reliability codes for Hydro-Quebec structures, different parameters on the morphology of structure and the physical and mechanical parameters are needed. Among these, the shear strength of interfaces (concrete-concrete, concrete-rock rock-rock) is particularly important because it determines the safety factor in large part. Moreover, it is commonly accepted that the roughness of the surfaces of rock discontinuities determines the mechanical behavior in shear. This study is divided into two parts: a study of taking samples from two dams of Hydro-Quebec and the conception of an artificial rock-concrete contact.

Firstly, from shear tests realized under constant normal load, achieved on contacts from two dams, the principal component study of mechanical and roughness parameters was conducted to determine the parameters dominate (Z2, Z4, Extent). In addition, a field

classification of discontinuities is proposed. The latter depends on various parameters such as the angularity of the surface, filling or oxidation of the surfaces of the discontinuity.

Artificial rock-concrete contact has been studied in its entirety by various statistical and geostatistical methods in order to describe as precisely as possible its surface roughness. Once the last known, a map of coring with a 150 mm diameter core sampler has been decided. The collected areas are those with features of roughness, for example, a high angularity. Once the coring performed, samples were tested for shear resistance under a constant normal load. It follows a study of mechanical and roughness parameter and an underline of scale effect.

KEYWORDS: Dams, Interfaces, Discontinuities, Statistics, Image Analysis, Geostatistics, Laser Profilometer

INTRODUCTION

Le Quebec est parmi les plus grands producteurs d'hydroelectricite au monde. II dispose d'un pare de plus de 6000 barrages et digues (Hydro-Quebec, 2010), de differente nature, que ce soit au niveau de 1'architecture ou des materiaux utilises. Ces barrages appartiennent aussi bien a des collectivites territoriales (Hydro-Sherbrooke) qu'a des entreprises privees (Domtar) ou encore a une societe d'etat qui gere la majeure partie du pare de barrage : Hydro-Quebec. Cette societe gere a elle seule plus de 60 % des barrages parmi les plus importants que ce soit par le volume de la retenue ou encore par la taille du barrage en lui-meme. Ce qui represente 568 barrages. Dans un souci de production d'energie toujours plus ecologique, Hydro-Quebec concoit et construit regulierement d'autres ouvrages hydro-electriques.

Cependant, certains barrages sont anciens, en effet, des barrages realises dans les annees 1910-1930 sont toujours en fonction. II est alors necessaire de les etudier afin de voir si leur structure et leurs materiaux permettent toujours une la production d'hydro-electricite, et ce, de facon securitaire. II existe differentes campagnes d'investigation qui se deroulent chaque annee et qui ont pour but de determiner la « sante » de ces barrages. Ces campagnes se composent de differents volets, et on peut noter parmi les principaux :

• inspection visuelle ; • instrumentation;

• auscultation par des methodes non destructives telles que le radar ou encore la tomographie sismique ;

• campagnes de carottage suivies ou non de diagraphies dans les zones les plus problematiques.

Les premieres methodes permettent de determiner les positions des zones de faiblesse du barrage et les secondes autorisent la verification et la caracterisation a l'aide d'essais mecaniques de telles zones.

A l'age des barrages vient s'ajouter un alea qui n'avait pas ete pris en compte de facon serieuse avant 1988, l'alea sismique. En effet, il etait communement admis que les seismes intraplaque de forte magnitude etaient rares, voire inexistants, dans la region du Saguenay (Quebec, Canada). Or, en 1988 est survenu un seisme d'une magnitude de 6,2 sur l'echelle

de Richter dans la region du Saguenay. Cet evenement, dont la magnitude n'avait pas ete prise en consideration lors du dimensionnement des barrages, constitue le point de depart des etudes entreprises depuis sur la stabilite des ouvrages hydro-electriques.

L'etude presentee ici s'inscrit directement dans le cadre de ce changement. En effet, afin de realiser des modelisations du comportement du barrage vis-a-vis du risque de glissement, il est essentiel de connaitre avec precision le comportement sous contrainte tangentielle des differentes discontinuites presentes au sein d'un barrage. Dans la suite, ne vont nous interesser que les barrages de type poids en beton. Ces derniers ne sont stables que par les forces de cohesion et de frottement qu'ils developpent a l'interface entre le beton et la roche, au niveau de la fondation du barrage. Un barrage, a la difference d'un massif rocheux est une structure qui peut etre instable, meme si elle n'est pas fracturee. En effet, un barrage peut tres bien glisser ou basculer en un bloc, sur ses fondations. De plus, il existe differents types de discontinuite qui participe a son eventuelle instabilite, elles sont enumerees du haut vers le bas du barrage :

• les discontinuites beton-beton qui se developpent a la faveur d'une zone de plus faible resistance par exemple des joints de coulee (joints de betonnage).

• les discontinuites beton-roche qui sont en general les discontinuites les plus etudiees, car les plus critiques quant a la stabilite du barrage.

• les discontinuites roche-roche qui se situent dans les premiers metres de roche sous la fondation du barrage.

Le comportement mecanique des joints rocheux et par extrapolation, des joints composites constitues de beton et de roche, depend de la morphologie et de la topographie de leurs epontes. Le travail de recherche suivant va done s'articuler autour de la mise en relation entre le comportement mecanique de fractures de differents types issues de barrage existant et la morphologie des epontes des fractures considerees.

Nous verrons dans une premiere partie, l'interet de ce travail et le cadre general dans lequel il se place. Nous aborderons la localisation et quelques generalites sur les sites d'etude dans la fin de cette partie.

Dans une seconde partie, consacree a la methodologie utilisee, nous decrirons les differents appareillages utilises, leur mode de fonctionnement et leurs limites ainsi que les ameliorations que nous avons pu leur apporter. Nous determinerons une methodologie afin de pallier un probleme majeur du dispositif qui permet de relever la rugosite des surfaces. Puis, une fois la methodologie presentee, nous expliquerons les theories sur la morphologie des surfaces de fracture ainsi que sa caracterisation, que ce soit par le biais de parametres statistiques ou par l'utilisation de la geostatistique.

Dans une quatrieme partie, nous verrons la theorie sur le comportement mecanique des discontinuites en cisaillement et sous contrainte normale. Nous aborderons alors les resultats des essais mecaniques des discontinuites testees.

Enfin, tout ceci nous amenera a realiser un contact roche-beton artificiel et a l'etudier sur le plan mecanique, mais aussi morphologique.

1. GENERALITIES ET PRESENTATION DES BARRAGES ETUDIES

Ce chapitre permet de presenter quelques generalites et definitions sur les discontinuites et leur comportement mecanique en liaison avec la morphologie des epontes, ainsi que de presenter les barrages dont sont issues les discontinuites qui seront l'objet de cette etude.

1.1. DEFINITIONS DES PRINCIPAUX TERMES EMPLOYES

Certains termes employes en mecanique des roches peuvent avoir plusieurs significations ou une signification si precise qu'elle peut preter a confusions. C'est pourquoi, le paragraphe suivant va s'attacher a definir certains des termes utilises dans la suite de ce travail afin de le rendre le plus explicite possible (Figure 1-1). Les termes suivants s'appliquent aussi bien pour la roche de fondation que pour le beton de masse du barrage.

Asperite vue en coupe

Epontes •$• Emboitement

Rugosite

Figure 1-1 : Schema d'explication des parametres definis

Discontinuite

En geologie, le terme de discontinuite regroupe tous les plans presents dans un massif rocheux, qui induisent, de par leur presence, une anisotropic dans le milieu, lis sont classes selon differents criteres tels que le deplacement relatif des deux parties constitutives de la fracture ou encore leur extension laterale. Ainsi, dans la suite de ce travail, nous regrouperons sous ce terme generique les fractures, joints, failles et diaclases. Leur apparition est la consequence des contraintes subies par le massif rocheux (qu'elles soient actuelles ou historiques).

• Epontes

Les epontes d'une fracture sont les deux parois qui delimitent la discontinuite. Elles delimitent l'espace des vides qui est la cavite remplie ou non de matiere rocheuse entre les deux epontes.

• Rugosite

La rugosite est l'ecart a la planeite de la surface des epontes de la fracture. De facon plus explicite, la rugosite est l'ondulation de la surface des epontes par rapport a une surface plane de reference. Elle peut etre relevee par differents appareils, mecaniques ou optiques.

• Asperite

Une asperite est une structure en trois dimensions qui se developpe a la surface des epontes d'une fracture. On peut l'apparenter a un cone de matiere.

• EmboTtement

En mecanique des roches, l'emboitement d'une fracture est une des aptitudes preponderantes. II s'agit de l'aptitude a ce que les deux epontes d'une fracture puissent etre replacees dans la position de celle qu'elles avaient avant qu'elle ne soit separee par rupture. II peut etre plus ou moins bon en fonction de l'histoire de la fracture et de ses eventuels displacements anterieurs. Une fracture en tension peut potentiellement etre reemboitee de facon quasi parfaite.

• Etat de surface

L'etat de surface d'une fracture rocheuse peut etre tres different en fonction de l'histoire geologique de cette fracture. Elle peut etre recente et done presenter une surface propre dont 1'emboTtement est bon ou avoir subi differents mouvements et avoir ete plus ou moins rabotee. De plus, l'etat de surface est aussi altere par des eventuelles percolations ou remplissages tout au long de l'histoire de la discontinuite.

• Fracture liee ou non liee

A l'etat naturel, une fracture peut etre liee ou non liee, c'est-a-dire que les deux epontes sont separees ou presentent une cohesion. Malgre toutes les precautions necessaires, il peut parfois arriver que les epontes d'une fracture liee se desolidarisent lors du forage ou de sa manipulation dans le laboratoire.

• Cisaillement

L'application d'une contrainte tangentielle sur une fracture rocheuse va induire un glissement relatif des deux epontes l'une sur l'autre. C'est ce que nous allons appeler cisaillement dans ce travail.

1.2. NECESSITE D'UNE TELLE ETUDE : REGLEMENT SUR LA SECURITE DES BARRAGES

C.S-3.1.01

Au Quebec, et dans de nombreux pays, les barrages anciens rencontrent differentes problematiques dont:

• Absence de documentation ;

• Materiaux endommages a caracteriser ; • Elements recouverts par du beton ;

• Elements dont la geometrie est difficile a retrouver ; • Aucune etude hydraulique disponible

C'est pourquoi un reglement sur la securite des barrages est en vigueur depuis le 11 avril 2002 au Quebec. II a pour but d'accroitre la securite des barrages et de proteger les personnes et les biens contre les risques lies a ces ouvrages. II s'applique principalement aux barrages, de forte contenance, definis comme suit:

• Les barrages d'une hauteur de 1 m ou plus dont la retenue a une capacite de plus de 1 000 000 m3;

• Les barrages d'une hauteur de 2,5 m ou plus dont la retenue a une capacite de plus de 30 000 m3;

• Les barrages de plus de 7,5 m, peu importe la capacite de la retenue.

Ce reglement s'applique aussi a tous les barrages en cours de construction et il est progressivement etendu aux barrages plus anciens en fonction de leurs risques potentiels sur les personnes et les biens.

II definit un programme de securite, base sur :

• Un plan des mesures d'urgence ; • Un plan de gestion des eaux de retenue ; • Un registre d'entretien du barrage ; • Une evaluation de la securite.

Enfin, le reglement stipule que dans 1'evaluation de securite soit effectuee une « verification de la stabilite du barrage et du terrain de fondation (calculs de stabilite et caracterisation des materiaux) ».

Ce dernier point est celui qui nous concerne directement. En effet, les barrages etudies sont anciens et necessitent, entre autres, une evaluation de leur securite vis-a-vis du risque de glissement.

Ce cadre legislatif, mis en place a partir de 2002 a necessite la mise en place d'un protocole de normalisation de l'etude des barrages-poids au sein d'Hydro-Quebec. Ceci a ete realise par la norme « Evaluation de la stabilite des barrages-poids en beton ».

1.3. NORME « EVALUATION DE LA STABILITE DES BARRAGES-POIDS EN BETON »

Cette norme d'Hydro-Quebec (SB-61-08-00) a vu le jour en 2003, a la suite de la publication du reglement sur la securite des barrages. Cette norme se propose de qualifier tous les essais necessaires a la connaissance la plus exhaustive possible des barrages-poids en beton utilises par Hydro-Quebec. Elle repose integralement sur le critere de Mohr-Colomb afin de determiner le risque de glissement, elle suppose done l'obtention de trois parametres : Tangle de frottement interne du materiau, la cohesion reelle du beton sain et la resistance au cisaillement des joints non lies.

1.3.1. Angle de frottement

La norme indique que les angles de frottement a considerer pour caracteriser la resistance au pic ainsi que la resistance residuelle au cisaillement doivent tenir compte du type de discontinuites observees. En effet, pour une discontinuity se developpant dans le beton, les angles de friction peuvent etre estimes a 55° pour le pic de resistance au cisaillement et a 45° pour la resistance residuelle (Canadian Dam Association, 1999). En ce qui concerne les contacts beton-roche, les angles de friction doivent tenir compte de la geologie et de la geometrie de la surface (rugosite et presence d'asperites ou de plans de faiblesse).

De plus, la norme indique que :

« La presence de discontinuites dans le massif de fondation pouvant se situer au voisinage du contact beton-roche peut limiter les valeurs d'angle de friction et de cohesion a considerer pour Vinterface »

1.3.2. Cohesion reelle du beton sain ou des joints lies sans essais

Si des essais ne peuvent etre conduits, la norme indique que la cohesion reelle du beton de masse soumis a un essai de cisaillement doit etre estimee a partir de 1'equation 1-1 :

C=OM4TC (1-D

Ou fc est la resistance a la compression du beton intact.

En outre, la cohesion reelle d'un joint de coulee peut etre evaluee a la moitie de celle du beton de masse.

1.3.3. Cohesion apparente des joints non lies

La cohesion apparente des joints non lies peut etre estimee a l'aide de la documentation disponible qui concerne des cas comparables. De plus, si l'etat du joint est sujet a des doutes quant a la qualite de ce dernier (signes de deterioration, ecoulements), la cohesion apparente doit etre consideree comme nulle.

1.3.4. Discussion de la norme SB-61-08-00

A la lecture des paragraphes precedents qui concerne la norme utilisee pour qualifier la resistance au glissement des differentes interfaces d'un barrage-poids en beton, nous pouvons constater qu'elle ne preconise pas forcement de faire des essais de cisaillement direct des interfaces afin de determiner les differents parametres utiles a la verification de la stabilite des ouvrages hydro-electriques de type poids en beton. En effet, les parametres mecaniques du comportement en cisaillement, tels que Tangle de frottement et la cohesion sont estimes a partir d'autres essais (compression, traction), l'essai de cisaillement direct sous contrainte normale constante n'etant pas un essai de routine pour Hydro-Quebec. Cela pose d'emblai un probleme car la surestimation (ou la sous estimation) des deux parametres evoques ci-dessus peut etre a l'origine d'une surestimation (ou d'une sous-estimation) de la securite du barrage. Si un parametre est surestime, la securite le sera aussi par la meme occasion et inversement pour un parametre sous-estime. Dans le cas ou les parametres sont sous-estimes, l'entreprise sera amenee a effectuer des travaux couteux pour stabiliser le barrage et en augmenter la securite.

De plus, la cohesion apparente provient de 1'extrapolation lineaire de l'enveloppe de rupture dans le plan de Mohr-Colomb, pour une contrainte nulle, realisee a l'aide du critere du meme nom. Or, il est admis (Ladanyi et Archambault, 1969 ; Drucker et Prager, 1952) que les criteres de ruptures a prendre en compte ne sont pas lineaires comme Test le critere de Mohr-Coulomb, mais de forme parabolique. ^

1.4. LIEN ENTRE LA MORPHOLOGIE ET LE COMPORTEMENT MECANIQUE D' UNE FRACTURE

II est communement admis, dans la communaute de la mecanique des roches (Patton, 1966 ; Barton, 1977 ; Gentier, 1986), que le comportement mecanique d'une fracture sous contrainte tangentielle depend de la morphologie des surfaces qui la composent.

1.4.1. Resultats d'essais

Dans cette partie, nous allons prendre deux essais realises sur deux discontinuites naturelles constitutes du meme type de roche. Tous les parametres de l'essai seront identiques : contrainte normale, vitesse de deplacement tangentiel.

i..« Displacement tangentiel (mm) /* / • ^^00r ^ ^ ^ 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ii Deplacementtangentiel (mm)

Figure 1-2 : Courbes de cisaillement et de dilatance pour deux essais roche-roche

Les courbes montrent clairement que toutes choses etant egales par ailleurs, le comportement mecanique des discontinuites testees est tres different d'un essai a 1'autre. II est alors evident que le seul parametre qui puisse entrer en jeu est la morphologie des surfaces des epontes qui composent les fractures.

1.4.2. Diagramme de Mohr de discontinuites issues de barrages-poids en beton

Prenons deux criteres tels que le critere de rupture d'une roche intacte de Fairhust et le critere de Mohr-Coulomb qui caracterise le glissement plan sur plan de deux epontes de roche a surface plane. Ces deux criteres sont utilises avec les caracteristiques intrinseques des materiaux utilises lors des essais de cisaillement realises.

Pic Residuel -Mohr-Coulomb • Fairhurst

-7 -6 -5 -4 -3 -2

ContraSnt* normals (MPa)

Figure 1-3 : Plans de Mohr des discontinuites roche-roche etudiees

A la lumiere des courbes produites (Figure 1-3), nous pouvons constater que le comportement sous contrainte tangentielle des essais realises dans le cadre de ce travail se situe exactement entre les deux courbes delimitant les criteres de Fairhurst et de Mohr-Coulomb. Ceci explicite le fait que les discontinuites ont un comportement intermediate entre la roche intacte et des fractures lisses. De plus, le comportement mecanique entre les points correspondant au pic et ceux qui correspondent au comportement residuel sont differents ce qui traduit un changement dans la morphologie des epontes au cours du cisaillement (Huang et al, 1993 ; Sabbadini, 1994: Homand-Etienne et al, 1995, Sabbadini etal, 1995 ; Flamand, 2000 ; Lamontagne, 2001).

Cette section a permis de mieux comprendre en quoi la morphologie et le comportement mecanique d'une discontinuity rocheuse sont indissociables. Voyons maintenant l'originalite et les buts de ce travail.

1.5. ORIGINALITE DE CE TRAVAIL

A la lumiere de ce qui a ete vu precedemment, il semble qu'il faille definir une methodologie qui puisse etre utilisee par Hydro-Quebec pour realiser des essais de cisaillement sur des discontinuites.

C'est pourquoi, ce travail se propose de :

• mettre en place une methodologie d'essai de cisaillement sous contrainte normale constante. Cette methodologie devra tenir compte des resultats de la numerisation des surfaces des echantillons ;

• ameliorer le bati de cisaillement de l'Universite de Sherbrooke afin d'en eliminer tous les mouvements parasites ;

• proposer une classification visuelle des echantillons et la mettre en relation avec les parametres mecaniques et de rugosite, ainsi que faire une etude statistique et geostatistique de discontinuites issues de barrages tests pour en determiner les correlations entre les parametres ;

• apprehender l'effet d'echelle et la relation entre les parametres de rugosite et le comportement en cisaillement d'eprouvettes issues d'un contact artificiel.

Dans un premier temps, le contact artificiel serait constitue d'un bloc de granite d'origine et de proprietes mecaniques connues. Plusieurs etapes seront alors necessaires :

• numerisation de la surface du bloc de roche retenu ; • coulage d'une epaisseur de beton sur celui-ci; • carottage du contact roche-beton ;

Ainsi, nous pourrons mieux etudier les differents parametres a prendre en compte pour la cohesion du contact roche-beton. A terme, 1'ideal serait de trouver un affleurement type de la roche pres des differents barrages etudies afin de pouvoir au mieux reproduire les caracteristiques de la roche en place sous le barrage et done la cohesion reelle du contact.

Nous venons de voir la necessite ainsi que le cadre de ce travail. Afin d'etudier le lien entre la rugosite et le comportement en cisaillement des differentes interfaces des barrages-poids en beton, il nous faut un certain nombre d'essais de cisaillement sur des discontinuites variees. Pour cela, deux barrages ont ete retenus, ceux de Hull 2 et de Rapide 7.

1.6. PRESENTATION DES BARRAGES

Ce travail a ete realise dans un contexte de production, e'est-a-dire que les resultats etaient attendus par Hydro-Quebec. Nous avons done teste des discontinuites issues de quatre barrages-poids en beton. Toutefois, dans cette etude, nous avons prefere nous limiter a deux barrages situes dans des provinces geologiques differentes : Hull 2 et Rapide 7.

1.6.1. Barrage Hull 2

Le barrage de Hull 2 (Figure 1-4) se trouve dans la ville de Hull, au nord d'Ottawa, dans la province du Quebec (Figure 1-5), a la frontiere entre le Quebec et l'Ontario. Ce barrage a ete mis en service en 1920 sur le cours inferieur de la riviere des Outaouais. La hauteur de beton au dessus de la fondation est comprise entre 9,76 m et 10,98 m. La centrale, qui lui est associee, a une puissance de 27 MW.

Figure 1-4 : Photographie du barrage de Hull 2 (Hydro-Quebec)

Figure 1-5 : Localisation du barrage de Hull 2

Ce barrage est situe dans une province geologique composee de calcaires d'age Cambro-Ordovicien. Le calcaire est gris, avec des cristaux allant d'une taille micrometrique a millimetrique. Des lits d'argilite d'epaisseur centimetrique, decroissante avec la profondeur, sont interstratifies dans le calcaire, ils sont tres tendres, se debitent facilement

en feuillets et se developpent dans un plan perpendiculaire a l'axe des carottes issues des forages realises dans ce barrage. De plus, ils sont continus a la surface des discontinuites, mais d'epaisseur suffisamment reduite pour que la topographie des epontes soit celle du calcaire sous-jacent. Les proprietes mecaniques du calcaire ainsi que de l'argilite ont ete determinees au Laboratoire de Mecanique des Roches de l'Universite de Sherbrooke, par les differents tests courants et normalises (normes ASTM).

Tableau 1-1: Proprietes mecaniques du calcaire de Hull 2

Resistance a la compression (C0) Module d'Young E Resistance a la traction Angle de frottement Cohesion Coefficient de Poisson (v) densite 131 ±2,1 MPa 71 ±2,9 GPa 7 ±2,2 MPa 35 ±3,6 a 2 ±0,8 MPa 0,33 2,7

Tableau 1-2 : Proprietes mecaniques de l'argilite de Hull 2

Resistance a la compression (C0) Module d'Young E Resistance a la traction Angle de frottement Cohesion Coefficient de Poisson (v) densite 10 ±2,2 MPa 5 ± 1,3 Gpa 5 ±1,7 MPa 5 ± 1,7 8 0,15 ±0,03 MPa 0,25 2,1

Le calcaire a des proprietes mecaniques interessantes (Tableau 1-1), mais l'argilite est mecaniquement mediocre (Tableau 1-2). D'une maniere plus generate, les argilites qui ont une cohesion de moins de 20 kPa presentent un probleme de stabilite (Bell, 2007). Ce qui a ete verifie lors de la selection des discontinuites a tester: ces dernieres se developpaient majoritairement dans les lits d'argilite et n'affectaient pas le calcaire (Figure 1-6).

t Litd'argilite

«—» 1 cm

Figure 1-6 : Photographie d'un lit d'argilite

Le barrage de Hull 2 a ete repare a plusieurs reprises au cours de son existence. La reparation qui a eu le plus d'impact est survenue dans les annees 1960. Au cours de celle-ci, une epaisseur variable de beton a ete ajoutee sur le barrage afin de le renforcer. Une des problematiques qui nous interesse ici est la cohesion et la resistance au cisaillement de cette nouvelle couche de beton sur la couche initiale. De plus, les lits d'argilite constituent la deuxieme problematique. Car leur cohesion et leur resistance etant faibles, il peut se produire des glissements au niveau de ces joints (Figure 1-7).

Calcaire stratifie

Infiltration entre les deux couches de beton

1.6.2. Barrage de Rapide 7

Le barrage de Rapide 7 (Figure 1-8) se trouve sur le cours superieur de la riviere des Outaouais, proche de Rouyn-Noranda, en Abitibi-Temiscaminque (Figure 1-9). II a ete mis en service en 1941 et la centrale qui lui est associee a une puissance de 61 MW.

Figure 1-8 : Photographie du barrage de Rapide 7 (Hydro-Quebec)

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Ce barrage repose sur une roche, communement denommee gneiss, qui est plutot un granite dont la texture a tendance grenue et heterogene montre une foliation peu marquee et des filonnets de quartz (Figure 1-10). II est compose de quartz, de feldspaths et de peu de micas, les mineraux etant d'une taille inferieure au millimetre. La structure de cette roche est equante. La hauteur du barrage est de 10,76 m.

Figure 1-10 : Granite de Rapide 7

Les proprietes mecaniques ont ete determinees au laboratoire, elles sont excellentes (Tableau 1-3).

Tableau 1-3 : Proprietes mecaniques du granite de Rapide 7

Resistance a la compression (C0) Module d'Young E Resistance a la traction Angle de frottement Cohesion Coefficient de Poisson (v) densite 180 ±11,32 MPa 55 ± 7,26 Gpa 15 ±4,5 MPa 58 ± 4,2 5 22 ± 3,7 MPa 0,2 2,7

Le granite legerement metamorphise sur lequel repose le barrage de Rapide 7 presente des caracteristiques mecaniques qui sont dans la moyenne pour ce genre de granite (Goldsmith, 1976). Ce granite est peu fracture et sain, il ne sera done pas le point de rupture preferentiel dans un eventuel glissement du barrage.

Les deux problematiques rencontrees pour ce barrage sont bien differentes de celles deja vues pour le barrage de Hull 2. En effet, elles ne concernent que le beton de masse qui compose le barrage, la roche du substratum etant de tres bonne qualite.

Figure 1-11: Problemes rencontres au barrage de Rapide 7 (photographie : Clermont Gravel)

Le premier probleme s'exprime de lui meme a 1'observation de la Figure 1-11, il s'agit d'une fissure horizontale qui se developpe dans deux plots, a 6 m de hauteur et sur une longueur de 10 m environ. Cette fissure se trouve le long d'un joint de coulee preexistant et elle est traversante, comme l'indique la glace qui est le signe d'une infiltration d'eau de l'amont vers l'aval du barrage. Le second est une infiltration d'eau au pied du barrage. Le contact entre la fondation et le substratum (contact beton-roche) n'est done pas optimal.

Apres avoir presente, dans ce paragraphe, Finteret et le but de cette etude, a savoir la caracterisation des interfaces fragiles d'un barrage-poids en beton afin de mieux juger de sa stabilite, nous allons maintenant voir comment et avec quelle methodologie nous allons pouvoir acquerir des donnees et repondre aux differentes questions soulevees dans cette partie.

2. METHODOLOGIE

L'etude de 1'interaction de la morphologie et du comportement sous contrainte tangentielle de discontinuites issues de barrages-poids en beton necessite un certain nombre de donnees. Ces donnees doivent etre de deux types : des donnees sur le comportement mecanique des fractures et des donnees sur la morphologie des contacts. Les premieres s'obtiennent de facon classique par la realisation d'essais de cisaillement et les secondes par l'enregistrement des hauteurs des surfaces de la fracture.

L'objet de cette partie est de presenter le materiel utilise ainsi que les donnees dont nous disposons pour conduire cette etude.

2 . 1 . METHODOLOGIE DE L'ESSAI DE CISAILLEMENT

Commencons tout d'abord par presenter la methodologie de l'essai de cisaillement, depuis le prelevement jusqu'au test des discontinuites.

Les discontinuites beton-roche ont ete obtenues par carottage des barrages de Hull 2 et de Rapide 7 (Quebec, Canada). Le beton, qui avait ete coule sur le substratum du barrage avait des proprietes mecaniques et texturales considerees comme constantes au sein d'un barrage donne. Les prelevements ont ete realises in situ avec un carottier de 145 mm de diametre (6 pouces) ou un carottier de 100 mm (4 pouces). Les echantillons des discontinuites beton-roche ont ensuite ete cisailles au moyen de la boite de cisaillement de l'Universite de Sherbrooke (Quebec, Canada). Les essais se sont deroules sous contrainte normale (ON) constante avec trois niveaux selon l'echantillon: 0,15, 0,30 et 0,45 MPa, 0,30 MPa etant la contrainte estimee a l'interface roche-beton compte tenu de la hauteur et du poids volumique des barrages. La force normale appliquee sur l'echantillon est corrigee pour que l'essai soit en contrainte normale constante (CNC). Cependant, la correction s'effectue a partir de l'aire theorique en contact et non en fonction de l'aire reelle. La vitesse de deplacement tangentiel utilisee est de 0,15 mm/min. Cette vitesse de deplacement est la plus faible qui puisse etre employee en suivant les normes ASTM. Elle a ete retenue car le pic de cisaillement intervient en general vers le premier millimetre de deplacement tangentiel (Grasselli, 2002), et, en utilisant cette vitesse, nous avons un

maximum de points de mesure avant ce pic. Lors des essais, differents parametres ont ete enregistres: la force normale, la force tangentielle, le deplacement normal et le deplacement tangentiel. Avant chaque essai, une contrainte deux fois superieure a la contrainte normale utilisee au cours de 1'essai a ete maintenue sur les discontinuites pendant une minute, pour etre ensuite progressivement diminuee jusqu'a atteindre la contrainte normale souhaitee, ceci afin de s'assurer d'une bonne mise en place des epontes de la discontinuite. Ce protocole s'inspire de celui propose par Gentier (1986), il proposait de faire des cycles de chargement-dechargement sur l'echantillon afin de garantir son bon emboitement avant l'essai. Nous ne faisons qu'un seul cycle car le premier type de roche utilise etait tres friable, comme nous l'avons vu dans le paragraphe 1.6.1 et il n'aurait pas resiste a ces cycles. Nous avons, par la suite, conserve ce protocole afin d'avoir des essais qui presentent une mise en place et un deroulement constant.

2.1.1. Prelevement des echantillons

Depuis le debut de ce manuscrit, nous tentons de demontrer que le comportement mecanique de discontinuites et la morphologie des epontes qui la composent sont indissociables. Afin d'avoir des echantillons aussi intacts que possible au laboratoire, il est essentiel que le prelevement soit effectue de la facon la plus rigoureuse et meticuleuse possible. C'est pourquoi, afin d'eviter tous les ecueils habituellement rencontres lors du forage (rotation des epontes l'une par rapport a 1'autre, lessivage du contact), il a ete decide d'effectuer les carottages a l'aide d'un carottier a triples parois (Figure 2-1). Celui-ci isole completement l'echantillon du fluide de forage et toutes les rotations parasites sont annulees.

Cependant, meme. en utilisant ce materiel, il arrive, suite aux aleas de chantier, que certains echantillons subissent des bris d'origine mecanique et que des contacts soient endommages lors du prelevement.

Raccord train cte tige Rotute Tube exterieur Tube irttermediaire Tube central fendu Couronne diamantee

Figure 2-1 : Schema du carottier a triples parois

Les echantillons preleves au sein des deux barrages sont des carottes de 145 mm de diametre, realisees a l'aide d'un carottier a triple paroi d'un diametre exterieur de 152 mm, ou des carottes de 93 mm realisees avec un carottier de 100 mm de diametre.

2.1.2. Presentation du montage et des parametres de cisaillement

Une fois les carottes a l'Universite, commence le choix des echantillons qui vont etre testes. Ceux-ci sont en general de trois categories, comme nous l'avons deja vu : beton-beton, roche-beton et roche-roche.

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Dans le choix des fractures, les fractures naturelles sont privilegiees, par opposition aux fractures mecaniques survenues pendant le carottage, car ce sont elles qui peuvent etre reellement sollicitees lors d'un eventuel glissement. Une fois la selection faite, les echantillons sont alors coupes aux dimensions du moule qui les contiendra lors de l'essai de cisaillement.

Les principales etapes de l'essai sont:

• conditionnement de l'echantillon pendant au minimum 48 h dans l'eau ; • installation et moulage de l'echantillon dans le moule (Figure 2-2) ; • mesure de rugosite (Cf. paragraphe 2.2);

• installation du moule dans le bati;

• mise en place des instruments (Figure 2-3 et Figure 2-4); • application des charges ;

• acquisition informatisee des donnees ;

La presse utilisee est de marque Materiel Testing System (MTS) qui a une capacite de 3500 kN (Figure 2-3). Lors du deroulement de l'essai, les mouvements normaux sont enregistres par quatre capteurs de deplacement (Linear Variable Differential Transformer (LVDT)) places aux quatre coins des moules. Les deplacements tangentiels sont, quant a eux, enregistres par un LVDT place au centre du moule mobile (Figure 2-4). Deux cellules de charge, l'une mesurant la force normale et l'autre la force tangentielle, permettent de faire 1'acquisition en temps reel de ces contraintes.

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Figure 2-2 : Installation de l'echantillon dans son moule

La mise en place de l'echantillon dans le moule de cisaillement est une etape longue et qui demande d'etre realisee avec minutie. Elle se decompose en trois etapes majeures (Figure 2-2).

Tout d'abord, il faut mettre l'echantillon dans la demi-boite mobile (A) avec la discontinuite la plus horizontale possible et le maintenir par des tiges filetees d'ajustement (visibles sur la photo). Ensuite, du mortier realise avec un ciment a haute performance est coule dans cette demi boite (B). II durcit en environ quinze minutes. Apres avoir mis en place un joint d'etancheite en argile tres plastique, ce qui garanti qu'elle n'aura pas d'effet sur le comportement en cisaillement de l'echantillon, la deuxieme demi-boite est mise en place (C). Elle est, tout comme l'autre demi-boite, remplie de mortier.

On peut noter sur la photographie C de la Figure 2-2 la presence de rouleaux et de plaques de maintien dont l'utilite et l'importance seront vues dans le paragraphe 2.1.3.

MnllL." flXC Motile mobile

Figure 2-4 : Coupe schematique des moules de cisaillement

En vert, deux des quatre LVDT mesurant les deplacements normaux ; en blanc, le LVDT mesurant les deplacements tangentiels.

La Figure 2-4 permet de souligner le fait que le cisaillement, dans le dispositif utilise, s'effectue verticalement.

Au cours de l'essai, la contrainte normale est maintenue constante, nous sommes done dans le cas d'essais CNC (Contrainte Normale Constante). Le niveau de contrainte normale est calcule en tenant compte de la hauteur du barrage et de la densite du beton utilise. Ainsi, par exemple, pour le barrage de Hull2 qui presente une hauteur egale a 10 m et est compose d'un beton de densite 2,6, la contrainte exercee en pied de barrage est egale a 0,260 MPa. Les niveaux de contraintes choisis ont done ete de 0,15, 0,30 et 0,45 MPa. Le deplacement tangentiel retenu est de 15 mm afin d'observer nettement le comportement residuel des echantillons, point qui interesse tout particulierement Hydro-Quebec. Au cours de l'essai, les parametres suivants sont enregistres, entre les parentheses se trouve l'erreur sur les mesures des capteurs, donnee par les constructeurs : la force normale (250 N), la force tangentielle (25 N), le deplacement normal (3 um) et le deplacement tangentiel (75 um).

2.1.3. Ameliorations apportees au bati de cisaillement 2.1.3.1. Correction de rotations parasites

Le dispositif de cisaillement utilise pour ce travail a ete entierement developpe au sein de 1'Universite de Sherbrooke. Comme ce dispositif n'est pas commercial, il est en constante evolution et amelioration.

Ainsi, au debut de ce travail, il a ete constate une legere torsion au niveau du moule fixe. En effet, celui-ci n'etant fixe au bati de la presse que par la rotule et la cellule de charge tangentielle, il se produisait 1'apparition de moment autour de leur axe (Figure 2-5).

I Axe de rotation parasite Sens de la rotation Rotule tangentielle Cellule de charge tangentielle Plaque de liaison Demi-boite fixe Bati de la presse

Figure 2-5 : Localisation des rotations parasites (vue de face de la presse)

Afin de caracteriser ces mouvements, nous avons mis un echantillon reel dans le bati, avec des conditions semblables a celles d'un vrai essai. Ensuite, nous avons applique sur cet echantillon, differents niveaux de contrainte normale. Pendant ce temps, des comparateurs mesuraient les deplacements vers la droite et vers la gauche (fleches sur la Figure 2-5) de la demi-boite fixe du moule de cisaillement. Les mouvements enregistres etaient de l'ordre 0,75 mm et done, non negligeables, comme le montre la Figure 2-6.

.n o W) C <u E QJ u _ro a. >0I O 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 1 1 ! 1 1 1 A

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Figure 2-6 : Deplacements parasites mesures au cours d'un essai avant modification du montage

L'enregistrement des deplacements parasites de la demi-boite fixe au cours d'un essai varie en fonction de l'avancement de ce dernier (Figure 2-6). En effet, avant le debut de l'essai (A), les deplacements sont nuls. Quand on applique une charge de deux fois la charge normale utilisee au cours de l'essai (B), le deplacement de la demi-boite est de 0,75 mm environ. Ce dernier a une valeur de 0,43 mm quand on applique la charge de l'essai (C) et il reste stable au cours de ce dernier (D).

Une etude analogue a ete menee sur la demi-boite mobile, cependant celle-ci etant fixee au bati de cisaillement, aucun mouvement parasite d'amplitude notable n'a ete enregistre.

Figure 2-7 : Photographie des rouleaux

A gauche les anciens rouleaux, a droite, ceux qui ont permis de corriger les deplacements lateraux.

Afin de remedier a ces mouvements parasites, des guides ont ete installes sur les boites. lis prennent la forme de rouleaux montes sur des roulements a billes. Apres leur mise en place. Nous avons pu constater que les mouvements parasites etaient bien moins importants (Figure 2-8), de l'ordre de 0,1 mm, ce qui represente 0,5 % du deplacement tangentiel J2 o c <u E a> u a . a 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Temps d'essai (s) JWiy

Figure 2-8 : Deplacements parasites mesures au cours d'un essai apres modification du montage

2.1.3.2. Stabilisation de I'echantillon au cours des manipulations

Un autre point qui a ete corrige peu apres le debut de ce travail est l'endommagement possible des discontinuites lors de la manipulation du moule une fois ces dernieres a l'interieur. En effet, une fois I'echantillon pris dans le moule avec le mortier, les deux