Constellation, le dépôt institutionnel de l'Université du Québec à Chicoutimi

Résumé

Water seepage into underground excavations is one of the most important challenges in aboveground and underground civil works. This phenomenon may hinder the excavation rate, and increase the risk of rockfall from wall of the tunnel and subsidence of aboveground buildings. Since most of the underground and aboveground structures are built in rocky formations, the permeability of the fractured rock mass is the main parameter that determines the amount of discharge that occurs through the rock mass. In this regard, the hydraulic conductivity of rock mass has been focused by many researches to evaluate the fluid flow, and has been studied by empirical, analytical and numerical methods. In the present thesis, the amount of flow through the rock mass has been investigated by using analytical and numerical methods (3DEC software), and due to the practicality of the topic, the amount of inflow rate to the tunnel in the present study is more focused. For this purpose, the tunnel inflow rate and its dependence on the geometrical characteristics of the discontinuities have been formulated using analytical and numerical modelling methods. In addition, the effect of the geometry of joint sets and tunnels as well as the groundwater regime on the amount of inflow rate to the tunnel has been investigated using the response surface methodology and numerical simulation method. In order to ensure the representativeness of numerical models for calculation of the inflow rate to the tunnel, same as what is referred in the literature as REV, a new concept, called STL, has been introduced to determine the representative length of the tunnel in terms of geometric characteristics of discontinuities. Apart from the effect of joint set characteristics on the inflow rate to the tunnel, the effect of rock block geometries such as block volume, block surface and volumetric fracture intensity (P32) on the inflow rate to the tunnel has been investigated by numerical and analytical methods. In this regard, new analytical methods have been developed to calculate block surface area, block volume and volumetric fracture intensity. The analytical method for calculating block volume has been developed to modify previously developed analytical models.

L'écoulement de l'eau dans les ouvrages souterrains est un défi important des travaux de surface et de sous surface effectués dans le domaine du génie civil. En effet, ces ouvrages peuvent retarder les travaux d'excavations, ainsi qu'augmenter le risque de rupture des parois rocheuses de la structure et créer un affaissement des bâtiments. Étant donné que de nombreuses structures (i.e. souterraines et en surface) sont construites en contact avec les formations rocheuses, la transmissivité du massif rocheux est un paramètre clé pour spécifier le débit généré dans les fractures. Afin d'évaluer correctement la transmissivité, de nombreuses investigations considèrent la conductivité hydraulique du massif rocheux à l'aide de méthodes empiriques, analytiques et numériques. Cette thèse de doctorat propose une étude sur le débit d'un fluide à travers un massif rocheux et est essentiellement basée sur des méthodes analytiques et numériques (i.e. logiciel 3DEC) en fonction de l'applicabilité du sujet. Ici, le débit d'entrée à l'intérieur du tunnel est le paramètre principalement ciblé. Le débit entrant dans le tunnel, ainsi que sa dépendance aux caractéristiques géométriques des discontinuités du massif rocheux ont été formulés en utilisant des méthodes de modélisation analytique et numérique. De plus, l'effet des géométries des ensembles de joints du tunnel et le régime des eaux souterraines du débit entrant dans celui-ci ont été étudiés en utilisant la méthodologie de surface de réponse (RSM) et la méthode de simulation numérique. Afin d'assurer la représentativité des modèles numériques appliqués pour le calcul du débit entrant dans un tunnel et demeurer fidèle à la littérature existante sur le REV, un nouveau concept est proposé afin d'identifier la longueur représentative du tunnel en lien avec les caractéristiques géométriques des discontinuités du massif rocheux: le STL. Outre l'effet des caractéristiques des ensembles de joints sur le débit entrant dans le tunnel, l'impact des géométries des blocs rocheux telles que le volume des blocs, la surface des blocs et l'intensité de la fracture volumétrique (P32) sur le débit entrant ont été étudiés à l'aide de ces méthodes numérique et analytique. Dans le but d'améliorer les modèles analytiques antérieurs, de nouvelles méthodes ont été développées afin de calculer la surface d'un bloc, le volume d'un bloc et l'intensité volumétrique de la fracture.