Transient water pressures in joints and formation of rock scour due to high-velocity jet impact
Year: 2002
Type: book
Abstract: 35()$&(La sécurité des constructions hydrauliques en général et des barrages en particulier est souvent mise en danger par l'affouillement des fondations du à des jets d'eau à haute vitesse qui proviennent des évacuateurs de crue et qui impactent sur le rocher en aval.L'érosion par affouillement est un processus physique très complexe, qui est normalement appréhendé en pratique par des méthodes analytique-empirique, com-binant des observations en laboratoire ou in situ avec quelques bases physiques.Une compréhension physique complète de l'interaction eau-rocher fait actuellement défaut.Par la recherche décrite dans la présente communication, le Dr Erik Bollaert a comblé une lacune importante, permettant de mieux comprendre scientifiquement le processus d'affouillement.Pour la première fois, les pressions transitoires dans des fissures du rocher, dues à l'impact de jets d'eau à haute vitesse, ont été mesurées sur modèle physique et reproduites dans un modèle numérique.De nouveaux phénomènes ont été observés et appréhendés, tels que la réflexion et la superposition des ondes de pression, la résonance des pressions et finalement le gazage et le dégazage quasi-instantanés de bulles d'air dû à des chutes de pression dans les fissures.Ces observations ont permis d'identifier les bases physiques de la formation des fosses d'érosion.Si la contrainte due aux pressions hydrodynamiques à la pointe de la fissure dépasse la résistance à la fracturation, la fissure se propagera.La résistance à la fracturation dépend notamment des contraintes initiales dans le massif rocheux et du type de rocher.Dans le cas d'une fissuration complète du massif rocheux, les ondes de pression dans les fissures créent une force de soulèvement dynamique qui est considérable.Cette force de soulèvement enlève les points de contact restants entre les différents blocs de rocher et peut, le cas échéant, éjecter les blocs.Basé sur les résultats expérimentaux et les simulations numériques, ainsi que sur une analyse extensive, le Dr Erik Bollaert a développé un nouveau modèle d'évaluation de l'érosion, incluant tous les processus relevants depuis le jet à sa sortie de l'évacuateur de crue jusqu'à la formation de la fosse d'affouillement dans le massif rocheux.Ce modèle est une contribution considérable dans la recherche d'une appréhension de l'érosion.L'application à la fosse d'affouillement du barrage de Cahora Bassa en Mozambique confirme le caractère prometteur de cette nouvelle méthode de calcul.Nous aimerions remercier le Prof. Dr Michel Pirotton et M. Sébastien Erpicum de l'Université de Liège pour leurs contributions significatives dans le domaine de la modélisation numérique.Ensuite, le Prof. Dr Hank Falvey du Colorado State University et le Dr George Annandale de Engineering & Hydrosystems Inc. ont donné un support considérable en tant qu'hôtes académiques au LCH-EPFL.Le Prof. Dr Alan Ervine a donné des renseignements précieux sur la turbulence et l'aération des jets et des fosses d'affouillement.Finalement, nous aimerions remercier le Comité Suisse des Barrages (CSB), ainsi que le bureau d'ingénieurs Stucky Ingénieurs-Conseil et la Commission pour l'Innovation et la Technologie (CTI) pour le support financier au projet.Prof. Dr Anton J. Schleiss ! ! !Léonardo da Vinci (1452 -1519) " Les jets d'eau à haute vitesse, apparaissant par exemple à l'aval d'évacuateurs de crue des barrages, sont capables de générer un affouillement local du massif rocheux.La prédiction de cet affouillement est nécessaire pour garantir la sécurité du pied de l'ouvrage ainsi que la stabilité de ses fondations.Les fosses d'affouillements sont souvent décrites par des formules empiriques ou semi-empiriques, développées à partir d'essais sur modèle physique ou d'observations sur prototype.Ces formules ne tiennent pas compte de tous les phénomènes physiques concernés et, de ce fait, ne sont pas entièrement représentatives.Surtout les caractéristiques des ondes de pression apparaissant dans le médium discontinu sont inconnues.L'objectif principal de la recherche est de combler cette lacune par une investigation des pressions transitoires dans les fissures du rocher, sous l'impact de jets à haute vitesse.Une analyse théorique des paramètres en question a permis de construire une installation expérimentale à échelle prototype.Les vitesses du jet varient ainsi entre 5 et 40 m/s et la géométrie des fissures du rocher est bien réelle.Ceci a permis de générer une densité spectrale et une aération de la zone turbulente du jet dans la fosse d'eau qui sont correctes.La turbulence initiale du jet a été mesurée et s'est révélée caractéristique pour des jets réels.Les fluctuations de pression dans la zone d'impact du jet à l'interface eau-rocher ont été quantifiées à différents endroits.Ceci a permis de décrire la capacité d'excitation du jet.Les pressions d'eau dans les fissures du rocher sont caractérisées par la propagation, la superposition et la réflexion d'ondes de pression induites à l'entrée de la fissure.Ces ondes de pression se sont révélées de caractère transitoire et cyclique, et sont gérées par la présence de bulles d'air.Ceci peut être décrit par deux lois physiques : la loi des gaz idéaux et la loi d'Henry.La première loi décrit le rapport entre le volume d'une bulle d'air et la pression.La deuxième loi exprime la quantité d'air qui peut être dégagée du liquide suite à une chute de pression de ce dernier.Les deux lois conduisent à des relations entre la célérité et la pression des ondes.Il est évident que la présence de bulles d'air augmente fortement la non-linéarité des caractéristiques transitoires du système.Les pressions transitoires ont été mesurées dans quatre fissures à extrémité fermée et une fissure à extrémité ouverte.Les pressions dans la fissure en forme de I sont caractérisées par une alternance de pics et de creux de pression.La fréquence de cette alternance est dictée par la quantité d'air.Des pics de pression jusqu'à plusieurs fois l'énergie cinétique du jet à l'impact (= V 2 /2g) ont ainsi été mesurés.Ceci révèle la présence de phénomènes oscillatoires et à caractère de résonance.Des quantités d'air entre 0.5 et 10 % ont conduit à des célérités d'onde entre 50 et 250 m/s.Des phénomènes similaires ont été constatés dans une fissure en forme de L, bien que la quantité d'air libre soit plus élevée à cause d'une accumulation de bulles d'air dans la partie horizontale aval du coude à 90°.Il en résulte que des changements brusques de la géométrie des fissures n'ont que peu d'influence sur les pressions.Les pics de pression diminuent à partir de concentrations d'air supérieur à 10 %, due à un effet d'amortisseur de l'air.Les bulles d'air dissipent une quantité importante d'énergie sous forme de chaleur par les phénomènes de compression et d'expansion.Ceci a été confirmé par des mesures de pression dans une fissure bidimensionnelle à extrémité fermée.La quantité d'air importante, ainsi que les effets de diffusion bidimensionnelle, évitent la formation des pics de pression.Finalement, une fissure à extrémité ouverte, en forme de D, est alimentée par le jet des deux extrémités simultanément.Une telle fissure représente un bloc de rocher en deux dimensions.Des pressions de soulèvement de 0.8 à 1.6 fois l'énergie cinétique d'impact ont été mesurées.Celles-ci sont passablement supérieures à toutes les valeurs généralement admises dans la littérature et font la preuve que les pressions transitoires ont leur importance dans le soulèvement dynamique des blocs de rocher.Ces résultats expérimentaux ont également été étudiés numériquement.Un modèle numérique biphasique et unidimensionnel a ainsi été développé.Ce modèle décrit les pressions transitoires à l'extrémité aval de la fissure en forme de I. Les pressions calculées sont en bonne concordance avec celles mesurées.L'ajustement numérique est basé sur une optimisation des relations célérité-pression.Le caractère cyclique des pressions conduit à une application de la sollicitation hydrodynamique à des critères de rupture par traction du rocher, comme par exemple l'approche de la mécanique de la fracturation élastique linéaire.Pour la pratique, trois paramètres sont importants: la pression maximum à l'extrémité fermée de la fissure et l'amplitude et la fréquence des cycles de pression.Ainsi, les propagations instantanée et progressive des fissures peuvent être entièrement décrites.La mécanique des fractures postule qu'une fissure se propage quand l'intensité des contraintes à son extrémité fermée dépasse une valeur critique, appelée la résistance à la fracturation.L'intensité des contraintes est définie par les pressions dans la fissure et par la géométrie de la fissure et de ses environs.La résistance à la fracturation est une propriété intrinsèque du rocher qui dépend néanmoins des contraintes in-situ du massif rocheux.Elle est déterminée à partir de la résistance à la traction ou à la compression du rocher.Deux types de rupture peuvent être distingués : la rupture instantanée et la rupture progressive.Le premier se fait quand l'intensité des contraintes est supérieure ou égale à la résistance à la traction.Le deuxième correspond à une intensité des contraintes inférieure à cette même résistance et est assimilé au caractère cyclique de la sollicitation hydrodynamique.Ainsi, des lois théoriques de fatigue ont été développées à partir de données dans la littérature, pour différents types de rocher.Ceci permet d'exprimer le développement de l'affouillement en fonction du temps.Les ruptures instantanée et progressive sont décrites dans un modèle de Fracturation Mécanique Compréhensive (FMC).Pour un massif rocheux complètement fissuré, la rupture s'exprime par l'éjection dynamique d'un bloc de rocher qui est représentatif pour le massif.A part du poids immergé du bloc, le bloc est soumis à des forces qui dépendent du temps et de l'espace, telles que les forces de pression hydrodynamique audessus et au-dessous du bloc et les
Author: Bollaert, Erik
Language: English
Subfield: Civil and Structural Engineering
Field: Engineering
Domain: Physical Sciences
Open Access status: green
OpenAlex ID: W1920236431