Evaluation of the impact of a cavity upon an earth dike (analytical and numerical approaches) : Application to the Val d'Orléans area (France)

par Rafid Alboresha

Thèse de doctorat en Mécanique - Génie civil

Sous la direction de Marwan Al-Heib et de Olivier Deck.

Le président du jury était Daniel Dias.

Le jury était composé de Adel Abdallah, Yves-Laurent Beck.

Les rapporteurs étaient Daniel Dias, Hussein Mroueh.

  • Titre traduit

    Évaluation de l'impact d'une cavité sur une digue en terre (approches analytiques et numériques) : application au cas du Val d'Orléans (France)


  • Résumé

    L'objectif de cette thèse est d'étudier les mécanismes d'interaction entre une cavité résultant d'un effondrement karstique et une digue fluviale. Il s’agit d'évaluer le rôle potentiel des cavités sous les digues et leurs effets sur ces dernières dans des conditions hydrologiques normales et extrêmes. Par conséquent, le premier point est de proposer une méthode pour évaluer l'influence d'une digue sur la stabilité d’une cavité sous-jacente. Le deuxième point concerne la stabilité de la pente de la digue quand une cavité est présente à proximité, sans prise en compte de l'effondrement de la cavité. Afin d’atteindre les objectifs de la thèse, les influences respectives du positionnement de la cavité par rapport à la digue et des paramètres géométriques et géotechniques ont été étudiées, par des approches analytiques et numériques, pour une meilleure évaluation du risque de rupture de la digue. Une application est proposée, basée sur des observations in situ et des données disponibles pour le secteur du Val d'Orléans (France). Cette zone est protégée des crues de la Loire par 52 km de digues fluviales (les levées), il y a été recensé plus de 600 effondrements karstiques (fontis) de 0,5 à 20 m de diamètre. Les premiers résultats obtenus par la méthode analytique montrent que l'instabilité de la cavité peut augmenter de manière significative lorsqu’elle est se trouve sous le centre de la digue et que cela peut affecter la stabilité de la digue lorsqu'elle en est suffisamment proche. Nous montrons aussi que le risque d'instabilité de la digue augmente en raison de l’apparition des fontis provenant de l’effondrement de cavités karstiques. Ces résultats indiquent qu'il y a un effet significatif de la cavité sur la stabilité de la pente, surtout dans le cas de matériaux saturés (c’est-à-dire en période de forte crue de la Loire) : autrement dit, l’effondrement de la cavité peut contribuer à la rupture de la digue. Une modélisation numérique non linéaire (2D et 3D) a été utilisée pour valider l'approche analytique et permettre la compréhension de l’influence des différents paramètres géométriques et géotechniques de la digue et de la cavité. Les résultats de la modélisation numérique ont confirmé ceux de la méthode analytique. Ces derniers peuvent donc être utilisés dans l’évaluation du risque de rupture de la digue en tenant compte de la probabilité d’existence d'une cavité sous-jacente, de sa position, de son diamètre, mais aussi de l'épaisseur de la couche d'alluvions. Les données numériques prises en compte sont celles du Val d'Orléans


  • Résumé

    The objective of this thesis is to study the interaction mechanisms between a cavity resulting from a karst collapse and a fluvial dike. The question that arises here is to evaluate the potential role of cavities beneath the dikes and their impact on the dike stability in normal and extreme flood conditions. Therefore, the first main point of the present work is to create a method to assess the influence of a dike on the stability of a cavity beneath it. Thereafter the second main point is to evaluate the stability of the dike slope when a cavity appears underneath without taking into account the collapse of the cavity. To achieve the objectives of the thesis, the dike effect on the cavity stability was investigated by studying the influence of the cavity location relatively to the dike and the interaction mechanisms, in the way to prioritize the geometric and geotechnical parameters for a better evaluation of the risk of dike failure. Numerical and analytical approaches were used. An application is described based on the in situ observations and data for the Val d’Orléans area (France). This area is protected against the Loire’s floods by 52 km of earth dikes (levees), in this area, more than 600 karstic sinkholes from 0.5 to 20 m diameter have been identified. The first results of the analytical method show that the cavity instability can significantly increase when the cavity is located under the centre of the dike, and this can affect the stability of the dike when the cavity is sufficiently close to it. We also show that there is a significant effect of the cavity on the dike slope stability, especially in the saturation state (i.e. during extreme floods): cavity collapse can then contribute to dike collapse. A nonlinear numerical modeling (2D and 3D) was used to validate the analytical approach, and to highlight the influence of the different geometrical and geotechnical parameters of the dike and the cavity. The results of the numerical modeling confirmed those of the analytical method. As operational conclusion, the results of the analytical model can be used to help assessing hazard due to the dike collapse taking into account the likelihood of an existing cavity, its position and diameter, and the thickness of the alluvium layer, regarding the data from the Val d’Orléans area


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