Influence of Valley Morphology on Earth Pressure in Composite Face Rockfill Dam

Résumé technique : Influence de la morphologie de la vallée sur la pression des terres dans les barrages en enrochement à face composite

Énoncé du problème
Les barrages en enrochement à face composite, une forme structurelle innovante conçue pour surmonter les limitations des barrages conventionnels à face en enrochement dépassant 250 mètres de hauteur, intègrent une section inférieure de barrage-poids en béton avec un remblai supérieur en enrochement. Bien que cette conception facilite l'entretien et réduise la longueur des dalles, elle introduit des défis de stabilité complexes, particulièrement concernant l'interaction entre le barrage-poids rigide et l'enrochement flexible. Un paramètre de conception critique pour ces structures est la pression des terres. Cependant, la pratique actuelle de l'ingénierie repose largement sur les théories classiques de Rankine et de Coulomb, qui sont basées sur des hypothèses de déformation plane en 2D et de sols semi-infinis. Ces méthodes traditionnelles ne parviennent pas à rendre compte du confinement latéral important, de la largeur finie et des effets spatiaux tridimensionnels (3D) inhérents aux vallées de montagne étroites. Par conséquent, les pressions des terres calculées s'écartent souvent considérablement des conditions in situ, négligeant l'effet d'arche du sol et la redistribution spécifique des contraintes causée par la topographie de la vallée. Cette divergence pose des risques pour la stabilité du barrage-poids inférieur, le contrôle du compactage et la compatibilité de déformation entre la dalle supérieure et le barrage inférieur.

Méthodologie
Pour remédier à ces lacunes, l'étude emploie une approche multidimensionnelle combinant dérivation théorique, surveillance sur le terrain et vérification numérique :

1. Dérivation théorique : Les auteurs ont dérivé une nouvelle formule analytique pour la pression active des terres en 3D en utilisant la méthode de l'équilibre limite. La dérivation est basée sur un mode de rupture par coin de glissement en 3D qui intègre des paramètres morphologiques clés de la vallée : l'angle de pente de la vallée, la largeur du fond de la vallée et le rapport largeur-hauteur de la vallée. Le modèle traite la masse de sol glissante comme un corps rigide soumis à son poids propre, aux forces de réaction du barrage-poids et aux contraintes latérales des pentes de la vallée, en tenant explicitement compte de l'effet d'arche du sol et de la résistance frictionnelle sur les surfaces de base et latérales.
2. Vérification sur le terrain : La formule théorique a été validée par rapport aux données de surveillance in situ de la station hydroélectrique de Yangqu, un projet de barrage à face composite sur la partie supérieure du fleuve Jaune. Deux sections de surveillance ont été instrumentées avec des cellules de pression des terres à différentes élévations pour suivre l'évolution dynamique de la pression interfaciale pendant le remplissage du barrage.
3. Vérification numérique : Un modèle d'éléments finis (MEF) 3D a été établi en utilisant le modèle constitutif élastique non linéaire de Duncan-Chang E-B pour l'enrochement et des éléments de contact de Goodman pour les interfaces. Ce modèle a simulé la section typique du barrage de Yangqu pour comparer les résultats théoriques avec les simulations numériques.
4. Analyse paramétrique : En utilisant la formule dérivée, une méthode de variables de contrôle a été appliquée pour mener des analyses de sensibilité à facteur unique et multi-facteurs. Cela a permis de quantifier l'influence des angles de pente de la vallée (allant de 20° à 90°) et des rapports largeur-hauteur de la vallée sur l'amplitude et la distribution de la pression des terres.

Contributions clés et résultats
L'étude produit plusieurs conclusions critiques concernant la mécanique de la pression des terres dans les barrages composites situés en vallée :

• Validation de la formule 3D : La formule de pression des terres en 3D dérivée démontre une haute cohérence avec les données de surveillance sur le terrain et les résultats de la MEF. Les courbes théoriques s'alignent sur les tendances de variation mesurées, se situant dans l'enveloppe des valeurs maximales et minimales mesurées. La formule reflète avec précision la distribution unimodale de la pression des terres, où les valeurs maximales se produisent près du corps supérieur du barrage (environ 2628 m) en raison de l'effet d'arche du sol, suivies d'une diminution graduelle vers le bas.
• Sensibilité dépendante de l'élévation : L'étude révèle que la pression des terres est hautement sensible aux changements d'élévation. Dans la zone de basse élévation (2550–2600 m), la pression des terres diminue rapidement avec l'augmentation de l'élévation, indiquant des effets de compression latérale importants. Au-dessus de 2600 m, la pression se stabilise. Les valeurs théoriques correspondent généralement aux données mesurées dans les sections supérieures mais présentent des écarts dans les sections inférieures où les pressions mesurées restent plus élevées que les prédictions théoriques, probablement en raison de la redistribution complexe des contraintes 3D et des contraintes de traction résiduelles.
• Impact quantitatif de la morphologie de la vallée :
  • Angle de pente de la vallée : Avec un rapport largeur-hauteur fixe, l'augmentation de l'angle de pente de la vallée de 20° à 90° augmente la pression des terres de 20 % à 57 %. Cet effet est plus prononcé aux basses élévations.
  • Rapport largeur-hauteur de la vallée (largeur de fond fixe) : La réduction du rapport largeur-hauteur de 11,41 à 5,91 (rétrécissement de la vallée) diminue la pression des terres de 20 % à 36 %.
  • Rapport largeur-hauteur de la vallée (angle de pente fixe) : Lorsque l'angle de pente est constant, le rapport largeur-hauteur agit comme le paramètre de contrôle dominant. La réduction du rapport de 15,7 à 2 entraîne une réduction spectaculaire de la pression des terres de 84 % à 86 %.
• Mécanisme de réduction : Les vallées étroites aux pentes raides induisent un effet d'arche du sol et un confinement latéral plus forts. Les pentes de la vallée agissent comme des contreforts naturels, transférant les charges du sol sus-jacent vers les montagnes latérales stables, réduisant ainsi considérablement la pression exercée sur les structures de retenue internes par rapport aux prédictions théoriques en 2D.

Signification
L'article affirme que ses recherches remédient aux défauts des théories conventionnelles de la pression des terres en 2D en fournissant une base théorique qui intègre les effets spatiaux 3D du terrain de la vallée et des structures de barrages composites. La formule analytique dérivée offre un outil raffiné pour la conception, la construction et la surveillance de la sécurité des barrages à face composite dans les régions montagneuses. En quantifiant la manière dont la morphologie de la vallée régit la pression des terres, l'étude permet des calculs de contraintes et des vérifications de dimensions structurelles plus précis, évitant potentiellement la sur-conception ou la sous-conception des sections inférieures du barrage-poids. Les conclusions suggèrent que l'omission du confinement de la vallée entraîne des écarts significatifs dans les évaluations de sécurité, et que l'approche 3D proposée est essentielle pour la réalisation sûre de barrages ultra-hauts dans des contextes topographiques complexes.