Influence de la géométrie des joints et de la rugosité de surface sur les pressions hydrauliques et la stabilité des blocs dans les évacuateurs de crues à l’échelle de laboratoire

Bien que le massif rocheux offre en général une plus grande résistance à l’érosion que les dépôts alluviaux, des cas graves d’érosion de la roche ont néanmoins été signalés dans plusieurs évacuateurs de crues de barrages à travers le monde, même dans des contextes de roche dure. Lors de crues extrêmes, accentuées par les changements climatiques, cette érosion constitue une menace croissante pour la sécurité des barrages, notamment au Québec et au Canada, où l’hydroélectricité représente un pilier majeur de l’approvisionnement énergétique. Cette étude s’amorce par une revue de littérature approfondie sur les mécanismes d’érosion et les méthodes classiques de prédiction. Les approches semi-empiriques traditionnelles s’avèrent souvent insuffisantes, car elles négligent certains mécanismes clés et ignorent des paramètres hydrauliques et géomécaniques propres aux sites. Ces limites entraînent fréquemment des écarts notables entre les profondeurs d’érosion prévues et celles observées sur le terrain, ce qui met en évidence la nécessité de méthodes davantage fondées sur les mécanismes physiques. La recherche se concentre sur les évacuateurs de crues non revêtus, en mettant l’accent sur l’arrachage de blocs rocheux, reconnu comme un mode de défaillance dominant. Une série d’essais physiques à échelle réduite a permis d’analyser l’effet de paramètres clés, le débit, l’ouverture des joints, la saillie des blocs et leur orientation, sur la stabilité et le soulèvement des blocs sous des conditions d’écoulement parallèle. Un modèle pilote, constitué de blocs-modèles représentant un massif fracturé interconnecté, a servi à mesurer en détail les pressions hydrauliques autour d’un bloc central instrumenté selon diverses configurations expérimentales. Les résultats montrent que les fluctuations de pression à la surface du canal, particulièrement en dessus des blocs, jouent un rôle déterminant dans l’initiation du soulèvement. En revanche, les pressions mesurées dans les joints demeurent relativement stables, indépendamment de l’écoulement ou de la géométrie. Un modèle mathématique prédictif a été développé pour estimer les fluctuations extrêmes de pression hydraulique à la surface des blocs et évaluer le risque de soulèvement selon les configurations. Ce modèle a démontré une concordance satisfaisante avec les résultats expérimentaux, avec des erreurs quadratiques moyennes (RMSE) de 0,04 à 0,37 et des erreurs quadratiques moyennes normalisées (NRMSE) de 18% à 35%, confirmant sa fiabilité. Des essais additionnels ont examiné l’effet de l’orientation des blocs (-45°, 0°, +45°). Les blocs inclinés à contre-courant tendaient à basculer avant de se soulever, avec des facteurs de sécurité (Fs) entre 0,5 et 0,8, tandis que ceux alignés avec le courant se soulevaient plus directement, avec des Fs entre 0,2 et 0,7. Les blocs perpendiculaires au courant ont montré une stabilité accrue. Enfin, une analyse paramétrique a évalué l’influence de la géométrie des blocs, rapport d’aspect, longueur exposée et angle de frottement, sur la stabilité sous diverses sollicitations hydrauliques. Cette étude fournit des coefficients adimensionnels et un modèle prédictif permettant de relier les pressions hydrauliques extrêmes aux modes de rupture par soulèvement et basculement. Les résultats confirment que ces paramètres, combinés à l’orientation, doivent impérativement être intégrés à toute évaluation rigoureuse du potentiel d’érosion. Dans l’ensemble, cette recherche améliore la compréhension de l’interaction complexe entre facteurs hydrauliques et géomécaniques dans l’érosion des massifs rocheux aux évacuateurs de crues de barrages et propose des outils analytiques fiables pour l’évaluation de la stabilité des blocs. Although rock masses are generally more resistant to scour than alluvial deposits, severe rock mass scour has been reported at numerous dam spillway sites worldwide, even in hard rock conditions. Under extreme flood events exacerbated by climate change, this rock scour poses a growing threat to dam safety, particularly in regions like Québec and Canada, where hydropower infrastructure plays a significant role. This study begins with a comprehensive literature review to understand the scour mechanisms in dam spillways and traditional scour prediction methods. The conventional semi-empirical approaches are shown to be inadequate in many cases, primarily because they overlook key scour mechanisms and fail to account for critical site-specific hydraulic and geomechanical parameters. As a result, significant discrepancies are often observed between predicted and actual scour depths, highlighting the need for more mechanistically grounded approaches. This study investigates the scour mechanisms in unlined dam spillways, focusing on the plucking of rock blocks, which is recognized as dominant failure mechanism influenced by both hydraulic and geomechanical conditions. A series of reduced-scale physical model tests were conducted to study the effect of key parameters, especially, flow rate, joint opening, block protrusion, and joint orientation, on block stability and uplift in parallel flow spillway conditions. Using a pilot-scale spillway model equipped with model blocks, representing rock mass with continuous connected fractures, detailed measurements of hydraulic pressures around a central instrumented block were obtained under varied test configurations. The test results with blocks arranged in different protrusion configurations consistently revealed that pressure fluctuations on the spillway surface, particularly on the top of the blocks, play a critical role in initiating uplift. In contrast, pressure fluctuations within the joints remained relatively stable across different flow and geometry conditions. A predictive mathematical model was developed to estimate extreme hydraulic pressure fluctuations on the block surface, enabling users to evaluate uplift risk for given block and joint configurations. The model showed good agreement with experimental data, with root mean square errors (RMSE) ranging from 0.04 to 0.37 and with normalized root mean square errors (NRMSE) ranging from 18% to 35%, confirming its reliability. Subsequent testing focused on the effect of block orientation, where blocks were arranged at different angles (-45°, 0°, +45°) relative to the flow. Joint orientation was found to significantly affect stability outcomes. Blocks inclined against the flow exhibited a tendency to topple before uplift, with factor of safety (Fs) values between 0.5 and 0.8, while blocks aligned with the flow showed a greater susceptibility to direct uplift, with Fs values between 0.2 and 0.7. Blocks oriented perpendicular to flow demonstrated greater stability. This study also presents a parametric study to explore the influence of block geometry, particularly aspect ratio, exposure length and friction angle, on stability under varied hydraulic loading. This study provides dimensionless coefficients and a predictive model linking extreme hydraulic pressures to uplift and toppling failure modes. The findings confirmed that both geometric and orientation parameters must be integrated into any reliable assessment of scour potential. Overall, this research contributes a comprehensive understanding of the complex interaction between hydraulic and geomechanical factors in rock mass scour at dam spillways and offers analytical tools to determine the block stability.

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