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Rock mass parameters governing the hydraulic erodibility of rock in unlined spillways

Boumaiza Lamine. (2019). Rock mass parameters governing the hydraulic erodibility of rock in unlined spillways. Thèse de doctorat, Université du Québec à Chicoutimi.

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Résumé

Among the methods used for evaluating the potential hydraulic erodibility of rock, the most common are those based on the correlation between the force of flowing water and the capacity of a rock to resist erosion. The capacity of a rock to resist erosion is evaluated based on erodibility indices that are determined from specific rock mass parameters, such as the unconfined compressive strength of intact rock, rock block size, joints shear strength, and relative block structure. To quantify the latter parameter, a concept of fractured systems was proposed to develop a mathematical expression that accounted for the rock block’s shape and orientation relative to the direction of flow. The initial concept for assessing relative block structure considered that a geological formation is mainly fractured by two joint sets that formed an orthogonal fracture system. In this thesis, an adjusted concept is proposed to determine the relative block structure when the fractured systems are non-orthogonal. An analysis of the proposed relative block structure rating shows that considering a non-orthogonal fracture system has a significant effect on evaluating rock resistance capacity and, as a consequence, assessing the hydraulic erodibility of rock. In this thesis, a review of the existing methods for evaluating the hydraulic erodibility of rock, based on the correlation between the force of flowing water and the capacity of a rock to resist erosion, is undertaken to determine the committed error associated with each existing method. Accordingly, it is identified that there is no clear consensus on which rock mass parameters are indeed relevant for evaluating the hydraulic erodibility of rock, and the key rock mass parameters to be used for assessing the hydraulic erodibility of rock mass remain uncertain. Using a dataset from case studies of eroded unlined spillways, a developed method is proposed for determining the relevant rock mass parameters for evaluating the hydraulic erodibility of rock. The unconfined compressive strength is found to not be a relevant rock mass parameter. Furthermore, using the rock block volume measurement instead of the rock block size parameter improves the quantification of rock block size. The retained rock mass parameters are rock block volume, rock block’s shape, and orientation relative to flow direction, as well as the nature of the potentially eroding surface, joints opening, joints shear strength, and rock mass deformation modulus. The other question was related to the degree of importance of these selected rock mass parameters in the erosion mechanism. Accordingly, a method is developed for determining the relative importance of the relevant rock mass parameters for evaluating the hydraulic erodibility of rock. In terms of relative importance, the rock mass parameters are classified in the order of 1) joints shear strength, 2) nature of the potentially eroding surface, 3) rock block volume, 4) joints opening, 5) rock block’s shape and orientation relative to the direction of flow, and 6) the rock mass deformation modulus. This order of relative importance agrees largely with that established from field observations.

La construction de barrages nécessite la mise en place de structures hydrauliques permettant de contrôler le niveau d'eau et d'assurer ainsi la sécurité des barrages. Ces structures de contrôle pour l'évacuation de l'eau lors des périodes de crues sont quelque part équipées d'un canal déversoir excavé dans le roc, appelé évacuateur de crues. En général, le roc de ces déversoirs est initialement considéré comme étant résistant face à la force érosive de l'eau qui s’y coule. Cependant, l'utilisation réelle des déversoirs rocheux indique que la résistance du roc face à la force de l’écoulement peut être mauvaisement évaluée, tel que perçu au déversoir rocheux du barrage de Mokolo en Afrique du Sud, et celui du barrage de Copeton en Australie. Ce phénomène d’érodabilité hydraulique du roc pourrait affecter la stabilité de l’ouvrage hydraulique. Face à ce problème d’érosion hydraulique, plusieurs méthodes ont été proposées pour évaluer l'érodabilité hydraulique du roc. Cependant, une forme spécifique est actuellement utilisée en particulier pour évaluer le potentiel d'érosion hydraulique lors de la conception des déversoirs rocheux. En effet, l’industrie appelle largement aux méthodes du « seuil d’érodabilité ». Ces méthodes, telles que la méthode d'Annandale et celles de Pells, se basent sur une corrélation entre l'énergie hydraulique générée par la force de l'eau qui coule sur le déversoir rocheux (habituellement appelée: puissance hydraulique disponible), et la capacité de résistance du roc étant déterminée à l'aide d'indices d'érodabilité. Ces derniers pourraient être évalués en fonction de certains paramètres caractérisant le massif rocheux, tels que: la résistance matricielle de la roche intacte, la taille des blocs rocheux, la résistance au cisaillement des discontinuités, l'ouverture des joints, la nature de la surface potentiellement érodée, et structure relative des blocs qui prend en compte l'effet de la forme et de l'orientation des blocs rocheux relativement à la direction de l'écoulement de l’eau. Pour quantifier le paramètre de la structure relative des blocs, une expression mathématique avait été proposée, en assumant que la formation géologique est principalement fracturée par deux familles de joints, formant ainsi un système de fracturation orthogonale. Un angle de 90° est alors maintenu entre les plans des deux familles de joints. Ce concept de fracturation orthogonale est, cependant, appliqué à tout cas, y compris aux systèmes non orthogonaux, en assumant ainsi une certaine imprécision quant à l’évaluation de la capacité de résistance du massif rocheux. Un concept ajusté est proposé dans cette le cadre de cette thèse pour déterminer la structure relative des blocs lorsque le système est de fracturation non orthogonale (l’angle entre les plans des deux familles de joints est supérieur ou inférieur à 90°). Deux équations sont proposées dans cette thèse, dont une s’applique lorsque les blocs rocheux sont orientés dans le même sens que celui de la direction de l’écoulement, tandis que la deuxième équation s’applique lorsque les blocs sont orientés contre la direction de l’écoulement. Dans le cadre de cette thèse, une analyse de la nouvelle pondération de la structure relative des blocs pour les systèmes de fracturation non orthogonaux a montré que le fait de considérer un système orthogonal, à la place d’un système réellement non orthogonal, a un effet significatif sur l'évaluation de l'érodabilité hydraulique du roc. La méthode d’Annandale s’appuie sur un indice d’érodabilité (Indice de Kirsten) initialement développé pour évaluer la capacité d’excavabilité des matériaux. Cet indice inclut certains paramètres qui sont priorisés par une pondération plus élevée comparativement à d’autres. L’une des méthodes de Pells se base sur un indice (eGSI) dérivé de l’indice GSI initialement développé pour évaluer la compétence des massifs rocheux. Le second indice (appelé : RMEI) de la deuxième méthode de Pells est particulièrement développé pour évaluer l'érodabilité hydraulique du roc. Ce deuxième indice peut être déterminé à l'aide d’un système de classification du massif rocheux qui incorpore un certain nombre de paramètres géologiques. Pour l’indice RMEI, l'importance relative des paramètres considérés a été déterminée sur la base des observations de terrain effectuées sur des déversoirs rocheux érodés. Il est considéré que les paramètres utilisés pour évaluer l'érodabilité hydraulique du roc reste comme étant une question ouverte, du-même qu’il est difficile de déterminer les paramètres pertinents à l’évaluation de l’érodabilité hydraulique du roc. De plus, l’importance relative attribuée aux paramètres géologiques constitue aussi un point confus contribuant à l’erreur commise lorsque ces méthodes sont utilisées. En utilisant plus de 100 études de cas sur des déversoirs rocheux érodés, une nouvelle méthode est proposée quant à la détermination des paramètres géologiques pertinents à l’évaluation de l'érodabilité hydraulique du roc. Il est déterminé que la résistance matricielle de la roche intacte ne constitue pas un paramètre pertinent à l’évaluation de l'érodabilité hydraulique du roc. Aussi, il est constaté que l’utilisation de mesure tridimensionnelle du volume des blocs rocheux, à la place du facteur de taille des blocs utilisé dans la méthode d’Annandale, améliore considérablement l’estimation de la taille des blocs rocheux. De plus, le paramètre Edoa représentant l’effet de la forme et de l’orientation des blocs rocheux relativement à la direction de l’écoulement de l’eau, inclut dans l’indice eGSI, est déterminé comme étant plus précis que celui adopté dans la méthode d’Annandale. Les paramètres géologiques finalement déterminés comme étant pertinents à l’évaluation de l’érodabilité hydraulique du roc sont : 1) l’ouverture des joints, 2), la résistance au cisaillement des discontinuités 3), la nature de la surface potentiellement érodée 4), le module de déformation du massif rocheux 5) le volume des blocs rocheux, 6) le paramètre Edoa représentant la forme et l’orientation du bloc relativement à la direction de l’écoulement. Vu la confusion établie sur la pondération des paramètres géologiques gouvernant le processus de l’érodabilité hydraulique du roc, une autre nouvelle méthode permettant de déterminer l'importance relative des paramètres est proposée dans le cadre de cette thèse. Cette méthode est dérivée d’une analyse d’une centaine de cas portant sur l’érodabilité hydraulique du roc dans les déversoirs rocheux. Les paramètres étant déterminés pertinents quant à l’évaluation de l’érodabilité hydraulique du roc sont finalement classé (le plus important vers le moins important) selon l’ordre suivant : 1) la résistance au cisaillement des discontinuités, 2) la nature de la surface potentiellement érodée, 3) le volume des blocs rocheux, 4) l’ouverture des joints, 5) le paramètre Edoa représentant la forme et l’orientation du bloc relativement à la direction de l’écoulement, et 6) le module de déformation du massif rocheux. Il est constaté que notre ordre de classement en termes d'importance relative des paramètres géologiques analysés concorde largement avec celui établi sur la base des observations de terrain effectuées sur des déversoirs rocheux érodés. Cependant, plus de précision concernant l’importance relative des paramètres géologiques est déterminée selon notre nouvelle méthode, car elle repose sur un processus d’évaluation individuel des paramètres du massif rocheux.

Type de document:Thèse ou mémoire de l'UQAC (Thèse de doctorat)
Date:2019
Lieu de publication:Chicoutimi
Programme d'étude:Doctorat en sciences de la terre et de l'atmosphère
Nombre de pages:228
ISBN:Non spécifié
Sujets:Sciences naturelles et génie > Sciences naturelles > Sciences de la terre (géologie, géographie)
Département, module, service et unité de recherche:Départements et modules > Département des sciences appliquées > Unité d'enseignement en sciences de la Terre
Directeur(s), Co-directeur(s) et responsable(s):Saeidi, Ali
Quirion, Marco
Mots-clés:Annandale's method, erosion level, hydraulic erodibility, Kirsten's index, Pells's method, rock mass, massif rocheux, érodabilité hydraulique, indice de Kirsten, méthode d'Annandale, niveau d'érosion
Déposé le:16 juill. 2020 08:27
Dernière modification:16 juill. 2020 17:43
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