INTERNAL EROSION OF EXISTING DAMS, Levees and Dikes, …

INTERNAL EROSION OF EXISTING DAMS, Levees and Dikes, and their Foundations

L’ÉROSION INTERNE DANS LES DIGUES, barrages existants et leurs fondations

Bulletin 164

2017

INTERNATIONAL COMMISSION ON LARGE DAMSCOMMISSION INTERNATIONALE DES GRANDS BARRAGES

61, avenue Kléber, 75116 ParisTéléphone : (33-1) 47 04 17 80 - Fax : (33-1) 53 75 18 22

http://www.icold-cigb.org./ 164

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Cover/Couverture : Cover illustration: TETON Dam – Idaho USA – Failure during the first filling on June 5, 1976 (Courtesy

of US Bureau of Reclamation) / Illustration en couverture : Barrage de TETON – Idaho États-Unis –Rupture durant le premier remplissage le 5 juin 1976 (avec l’aimable autorisation de l’US Bureau of

Reclamation)

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Les informations, analyses et conclusions contenues dans cet ouvrage n'ont pas force de Loi et ne doivent pas être considérées comme un substitut aux réglementations officielles imposées par la Loi. Elles sont uniquement destinées à un public de Professionnels Avertis, seuls aptes à en apprécier et à en déterminer la valeur et la portée. Malgré tout le soin apporté à la rédaction de cet ouvrage, compte tenu de l'évolution des techniques et de la science, nous ne pouvons en garantir l'exhaustivité. Nous déclinons expressément toute responsabilité quant à l'interprétation et l'application éventuelles (y compris les dommages éventuels en résultant ou liés) du contenu de cet ouvrage. En poursuivant la lecture de cet ouvrage, vous acceptez de façon expresse cette condition.

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Original text in English French translation by the CFBR

Layout by Nathalie Schauner

Texte original en anglais Traduction en français par le CFBR

Mise en page par Nathalie Schauner

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http://www.icold-cigb.org./



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COMMITTEE ON EMBANKMENT DAMS

COMITÉ DES BARRAGES EN REMBLAI

Chairman/Président

Canada JEAN-PIERRE TOURNIER Vice-Chairman/Vice-Président

Russia/Russie VADIM RADCHENKO Members/Membres

Australia/Australie MICHAEL MARLEY Austria/Autriche PETER TSCHERNUTTER Brazil/Brésil CARLO VIOTTI Bulgaria/Bulgarie NETZO DIMITROV China/Chine PROF NENG-HUI LI Colombia/Colombie ALBERTO MARULANDA Egypt/Egypte Finland/Finlande JUHA LAASONEN France JEAN-JACQUES FRY Germany/Allemagne MARKUS LIMBACH Greece/Grèce GEORGIOS DOUNIAS India/Inde V K KAPOOR Indonesia/Indonésie D JAWARDI Iran NASSER TARKESH DOOZ Italy/Italie PROF RUGGIERO JAPELLI Japan/Japon T HORI Norway/Norvège HELGE SAXEGAARD Pakistan K ALAMGIR Portugal E MARANDA DAS NEVES Slovakia/Slovaquie MARIAN MISCIK South Africa/Afrique du Sud DANIE BADENHORST Spain/Espagne ANTONIO SORIANO Sri Lanka L SOORIYABANDARA Sweden/Suède INGVAR EKSTRÖM Switzerland/Suisse PETER BRENNER Thailand/Thaïlande A SRAMOON Turkey/Turquie NURETTIN PELEN United Kingdom/Royaume Uni RODNEY BRIDLE United States/États-Unis DAVID PAUL Venezuela G MARTINEZ Co-opted member/Membre co opté

Canada ERIC PELOQUIN

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Chairman/Président

Canada JEAN-PIERRE TOURNIER Vice-Chairman/Vice-Président

Russia/Russie VADIM RADCHENKO Members/Membres

Australia/Australie MICHAEL MARLEY Austria/Autriche PETER TSCHERNUTTER Brazil/Brésil CARLO VIOTTI Bulgaria/Bulgarie NETZO DIMITROV China/Chine PROF NENG-HUI LI Colombia/Colombie ALBERTO MARULANDA Egypt/Egypte Finland/Finlande JUHA LAASONEN France JEAN-JACQUES FRY Germany/Allemagne MARKUS LIMBACH Greece/Grèce GEORGIOS DOUNIAS India/Inde V K KAPOOR Indonesia/Indonésie D JAWARDI Iran NASSER TARKESH DOOZ Italy/Italie PROF RUGGIERO JAPELLI Japan/Japon T HORI Norway/Norvège HELGE SAXEGAARD Pakistan K ALAMGIR Portugal E MARANDA DAS NEVES Slovakia/Slovaquie MARIAN MISCIK South Africa/Afrique du Sud DANIE BADENHORST Spain/Espagne ANTONIO SORIANO Sri Lanka L SOORIYABANDARA Sweden/Suède INGVAR EKSTRÖM Switzerland/Suisse PETER BRENNER Thailand/Thaïlande A SRAMOON Turkey/Turquie NURETTIN PELEN United Kingdom/Royaume Uni RODNEY BRIDLE United States/États-Unis DAVID PAUL Venezuela G MARTINEZ Co-opted member/Membre co opté

Canada ERIC PELOQUIN

SOMMAIRE

CONTENTS

AVANT PROPOS

FORWORD

1. INTRODUCTION : ÉROSION INTERNE ET SÉCURITÉ DES BARRAGES

1. INTRODUCTION: INTERNAL EROSION AND DAM SAFETY

2. PANORAMA DES MECANISMES

D’EROSION INTERNE

2. AN OVERVIEW OF INTERNAL EROSION MECHANISMS

3. INITIATION DE L’EROSION DE

CONDUIT

3. INITIATION OF CONCENTRATED LEAK EROSION

4. INITIATION DE L’ÉROSION

RÉGRESSIVE

4. INITIATION OF BACKWARD EROSION

5. INITIATION DE L’ÉROSION DE CONTACT

5. INITIATION OF CONTACT EROSION

6. INITIATION DE LA SUFFUSION

6. INITIATION OF SUFFUSION

7. CONTINUATION OU INTERRUPTION DE L’ÉROSION PAR FILTRATION

7. CONTINUATION OR INTERRUPTION OF EROSION BY FILTER ACTION

8. PROGRESSION DE L’ÉROSION

8. PROGRESSION OF EROSION

9. ÉVALUATION DU RISQUE D’ÉROSION INTERNE

9. ENGINEERING ASSESSMENT OF THE VULNERABILITY OF A DAM TO INTERNAL EROSION

10. RÉPARATION

10. REMEDIATION AND IMPROVEMENTS TO DAMS TO RESIST INTERNAL EROSION

11. SURVEILLANCE ET AUSCULTATION

11. SURVEILLANCE AND MONITORING

12. MÉTHODES D’ÉVALUATION DE LA PROBABILITÉ DE RUPTURE PAR ÉROSION INTERNE

12. METHODS FOR ASSESSMENT OF THE LIKELIHOOD OF FAILURE OF A DAM BY INTERNAL EROSION

13. GLOSSAIRE INTERNATIONAL DE

L’ÉROSION INTERNE

13. TERMINOLOGY – INTERNAL EROSION PROCESSES – INTERNATIONAL GLOSSARY

RÉFÉRENCES

REFERENCES

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TABLE DES MATIÈRES

1. INTRODUCTION : ÉROSION INTERNE ET SÉCURITÉ DES BARRAGES ............................

1.1. Objectif, objet et plan du bulletin ........................................................................................

1.2. Importance de l’érosion interne vis-à-vis de la sécurité de barrages .................................

1.3. Statistiques de ruptures .....................................................................................................

2. PANORAMA DES MECANISMES D’EROSION INTERNE ......................................................

2.1. Description générale du phénomène ..................................................................................

2.1.1. Arrachement et transport .........................................................................................

2.1.2. Les 4 principaux Chemins ........................................................................................

2.1.3. Les 4 phases du processus .....................................................................................

2.2. Les quatre mécanismes d’initiation .....................................................................................

2.2.1. L’érosion de conduit .................................................................................................

2.2.2. L’érosion régressive .................................................................................................

2.2.3. L’érosion de contact .................................................................................................

2.2.4. La suffusion ..............................................................................................................

2.3. Continuation ou non filtration ..............................................................................................

2.4. Progression .........................................................................................................................

2.5. Détection .............................................................................................................................

2.6. Intervention .........................................................................................................................

2.7. Brèche .................................................................................................................................

3. INITIATION DE L’EROSION DE CONDUIT ................................................................................

3.1. Description générale du mécanisme ...................................................................................

3.2. Phénomènes et situations ...................................................................................................

3.2.1. Fissures et claquage hydraulique dus au tassement différentiel rive à rive ............

3.2.2. Fissures et claquage hydraulique dus au report de charge de rive à rive ...............

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TABLE OF CONTENTS

1. INTRODUCTION: INTERNAL EROSION AND DAM SAFETY .................................................

1.1. The purpose, scope and outline of this bulletin ...........................................................

1.2. The importance of internal erosion to dam safety .......................................................

1.3. Statistics of embankment dam failures .......................................................................

2. AN OVERVIEW OF INTERNAL EROSION MECHANISMS .....................................................

2.1. A description of the overall process ...................................................................................

2.1.1. Particle detachment and transport ...........................................................................

2.1.2. The four general failure paths ..................................................................................

2.1.3. The four general phases ..........................................................................................

2.2. The four mechanisms of initiation of erosion .....................................................................

2.2.1. Concentrated leaks ..................................................................................................

2.2.2. Backward erosion .....................................................................................................

2.2.3. Contact erosion ........................................................................................................

2.2.4. Suffusion ..................................................................................................................

2.3. Continuation and filter action ..............................................................................................

2.4. Progression ........................................................................................................................

2.5. Detection ............................................................................................................................

2.6. Intervention .........................................................................................................................

2.7. Breach ................................................................................................................................

3. INITIATION OF CONCENTRATED LEAK EROSION ..............................................................

3.1. Concentrated leak erosion : the overall process ................................................................

3.2. Initiation of concentrated leak erosion..................................................................................

3.2.1. Cracking and hydraulic fracture due to cross valley differential settlement of the core .

3.2.2. Cracking and hydraulic fracture due to cross valley arching ...................................

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3.2.3. Fissures et claquage hydraulique dus au tassement différentiel de la fondation sous le noyau ......................................................................................................................

3.2.4. Petites irrégularités du profil de fondation sous le noyau ........................................

3.2.5. Fissures et claquage hydraulique dus au report de charge du noyau sur les recharges du barrage ..........................................................................................................

3.2.6. Fissures ou ouvertures le long de bajoyers d’évacuateur, murs de soutènement et raccordement à un barrage en béton ..............................................................................

3.2.7. Érosion interne associée aux conduites traversantes .............................................

3.2.8. Fissures ou claquage hydraulique suite à l’effondrement de couches mal compactées de sols cohésifs ou de sols grossiers silteux ....................................................

3.2.9. Fissures de dessiccation ..........................................................................................

3.2.10. Fissures transversales suite à un tassement sismique .........................................

3.2.11. Fissures ou couches de grande perméabilité causées par le gel ..........................

3.2.12. Érosion interne initiées par des terriers d’animaux ................................................

3.2.13. Érosion interne initiées par la végétation ...............................................................

3.2.14. Importance des conduites, des bajoyers d’évacuateurs, des mécanismes de fissuration et des zones mal compactées ...........................................................................

3.3. Critères ...............................................................................................................................

3.3.1. La procédure ............................................................................................................

3.3.2. Estimation de la largeur et de la profondeur d’une fissure ......................................

3.3.3. Estimation de la contrainte de cisaillement hydraulique ..........................................

3.3.4. Estimation de la résistance à l’érosion d’un noyau de barrage ...............................

3.3.5. Application du critère d’initiation d’érosion de conduit .............................................

3.3.6. Importance des sols dispersifs .................................................................................

4. INITIATION DE L’ÉROSION RÉGRESSIVE ...............................................................................



4.2.1. L’érosion régressive dans une fondation sableuse ..................................................

4.2.2. Érosion régressive globale dans les barrages ou les digues ...................................

4.2.3. Érosion régressive conduisant au déchaussement du parement aval ....................

4.3. Critères ................................................................................................................................

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3.2.3. Cracking and hydraulic fracture due to differential settlement in the foundation under the core .....................................................................................................................

3.2.4. Cracking and hydraulic fracture due to small scale irregularities in the foundation profile under the core ..........................................................................................................

3.2.5. Cracking and hydraulic fracture due to arching of the core onto the shoulders of the embankment ..................................................................................................................

3.2.6. Crack or gap adjacent to a spillway or abutment walls and where concrete dams abut embankment dams ......................................................................................................

3.2.7. Internal erosion associated with conduits embedded in the embankment ..............

3.2.8. Cracking or hydraulic fracture resulting from collapse of poorly compacted layers in cohesive soils or in broadly graded silty soils .................................................................

3.2.9. Cracking due to desiccation .....................................................................................

3.2.10. Transverse cracking caused by settlement during earthquakes ............................

3.2.11. Cracking or high permeability layers due to freezing .............................................

3.2.12. Internal erosion initiated by the effects of animal burrows .....................................

3.2.13. Internal erosion initiated by the effects of vegetation .............................................

3.2.14. Relative importance of conduits, spillway walls, cracking mechanisms and poorly compacted zones ................................................................................................................

3.3. Criteria for initiation of concentrated leaks .........................................................................

3.3.1. The procedure ..........................................................................................................

3.3.2. Estimation of width and depth of cracks ..................................................................

3.3.3. The estimation of hydraulic shear stresses in cracks and erosion pipes .................

3.3.4. Estimation of erosion resistance of dam cores ........................................................

3.3.5. Applying the concentrated leak criteria ....................................................................

3.3.6. Importance of dispersive soils ..................................................................................

4. INITIATION OF BACKWARD EROSION .................................................................................

4.1. Backward erosion: the overall process ..............................................................................

4.2. Backward erosion processes .............................................................................................

4.2.1. The process in sandy foundations of dams or dikes ................................................

4.2.2. The process within a dam, levee or dike ..................................................................

4.2.3. The process causing unraveling at the downstream face ........................................

4.3. Criteria for initiation of backward erosion ...........................................................................

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3.2.3. Fissures et claquage hydraulique dus au tassement différentiel de la fondation sous le noyau ......................................................................................................................

3.2.4. Petites irrégularités du profil de fondation sous le noyau ........................................

3.2.5. Fissures et claquage hydraulique dus au report de charge du noyau sur les recharges du barrage ..........................................................................................................

3.2.6. Fissures ou ouvertures le long de bajoyers d’évacuateur, murs de soutènement et raccordement à un barrage en béton ..............................................................................

3.2.7. Érosion interne associée aux conduites traversantes .............................................

3.2.8. Fissures ou claquage hydraulique suite à l’effondrement de couches mal compactées de sols cohésifs ou de sols grossiers silteux ....................................................

3.2.9. Fissures de dessiccation ..........................................................................................

3.2.10. Fissures transversales suite à un tassement sismique .........................................

3.2.11. Fissures ou couches de grande perméabilité causées par le gel ..........................

3.2.12. Érosion interne initiées par des terriers d’animaux ................................................

3.2.13. Érosion interne initiées par la végétation ...............................................................

3.2.14. Importance des conduites, des bajoyers d’évacuateurs, des mécanismes de fissuration et des zones mal compactées ...........................................................................

3.3. Critères ...............................................................................................................................

3.3.1. La procédure ............................................................................................................

3.3.2. Estimation de la largeur et de la profondeur d’une fissure ......................................

3.3.3. Estimation de la contrainte de cisaillement hydraulique ..........................................

3.3.4. Estimation de la résistance à l’érosion d’un noyau de barrage ...............................

3.3.5. Application du critère d’initiation d’érosion de conduit .............................................

3.3.6. Importance des sols dispersifs .................................................................................

4. INITIATION DE L’ÉROSION RÉGRESSIVE ...............................................................................



4.2.1. L’érosion régressive dans une fondation sableuse ..................................................

4.2.2. Érosion régressive globale dans les barrages ou les digues ...................................

4.2.3. Érosion régressive conduisant au déchaussement du parement aval ....................

4.3. Critères ................................................................................................................................

4.3.1. Érosion régressive dans les fondations sablonneuses ............................................

4.3.2. Érosion régressive globale de noyaux de barrages .................................................

4.3.3. Érosion régressive du parement ..............................................................................

4.3.4. Approches empiriques de Bligh et Lane ...................................................................

4.3.5. Approche russe .........................................................................................................

5. INITIATION DE L’ÉROSION DE CONTACT ...............................................................................



5.3. Critères pour l’initiation de l’érosion de contact ..................................................................

5.3.1. Conditions géométriques et hydrauliques ................................................................

5.3.2. Sol fin sans cohésion au-dessous d’une couche de sol grossier ............................

5.3.3. Érosion des sols fins cohérents (particules < 75 µm) ..............................................

5.3.4. Sol fin au-dessus d’une couche de sol grossier .......................................................

5.3.5. Influence de l’uniformité de la granulométrie ...........................................................

6. INITIATION DE LA SUFFUSION .............................................................................................

6.1. Description générales du mécanisme ................................................................................

6.2. Phénomènes et situations ..................................................................................................

6.2.1. Les sols suffusifs ......................................................................................................

6.2.2. Prise en compte de la ségrégation ..........................................................................

6.3. Critères ...............................................................................................................................

6.3.1. Pourcentage maximal de fines suffusives ................................................................

6.3.2. Méthodes basées sur les critères géométriques .....................................................

6.3.3. Critère hydraulique basé sur le gradient critique .....................................................

7. CONTINUATION OU INTERRUPTION DE L’ÉROSION PAR FILTRATION ..........................

7.1. Description générale du mécanisme ..................................................................................

7.2. Situations et phénomènes ..................................................................................................

7.2.1. L’érosion interne dans les remblais .........................................................................

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4.3.1. Backward erosion in sandy foundations ..................................................................

4.3.2. Global backward erosion in dam cores ....................................................................

4.3.3. Global backward erosion causing unraveling at the downstream face ....................

4.3.4. Empirical approaches of Bligh and Lane .................................................................

4.3.5. The Russian Design Methods ..................................................................................

5. INITIATION OF CONTACT EROSION .....................................................................................

5.1. Contact erosion: the overall process ..................................................................................

5.2. Contact erosion processes .................................................................................................

5.3. Criteria for initiation of contact erosion ...............................................................................

5.3.1. Geometrical and hydraulic conditions ......................................................................

5.3.2. Fine cohesionless soil below a coarse soil layer .....................................................

5.3.3. Silt and clay erosion (particles < 75µm) ...................................................................

5.3.4. Fine soil above a coarse soil layer ...........................................................................

5.3.5. Influence of uniformity ..............................................................................................

6. INITIATION OF SUFFUSION ...................................................................................................

6.1. Suffusion: the overall process ............................................................................................

6.2. Suffusion processes ...........................................................................................................

6.2.1. Soils subject to suffusion ..........................................................................................

6.2.2. The effect of segregation .........................................................................................

6.3. Criteria for initiation of suffusion .........................................................................................

6.3.1. Maximum proportion of suffusive fines ....................................................................

6.3.2. Methods based on geometric criteria .......................................................................

6.3.3. The hydraulic criterion based on critical gradient .....................................................

7. CONTINUATION OR INTERRUPTION OF EROSION BY FILTER ACTION ..........................

7.1. Continuation: the overall process .......................................................................................

7.2. Continuation scenarios .......................................................................................................

7.2.1. Internal erosion in the embankment .........................................................................

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3.2.3. Cracking and hydraulic fracture due to differential settlement in the foundation under the core .....................................................................................................................

3.2.4. Cracking and hydraulic fracture due to small scale irregularities in the foundation profile under the core ..........................................................................................................

3.2.5. Cracking and hydraulic fracture due to arching of the core onto the shoulders of the embankment ..................................................................................................................

3.2.6. Crack or gap adjacent to a spillway or abutment walls and where concrete dams abut embankment dams ......................................................................................................

3.2.7. Internal erosion associated with conduits embedded in the embankment ..............

3.2.8. Cracking or hydraulic fracture resulting from collapse of poorly compacted layers in cohesive soils or in broadly graded silty soils .................................................................

3.2.9. Cracking due to desiccation .....................................................................................

3.2.10. Transverse cracking caused by settlement during earthquakes ............................

3.2.11. Cracking or high permeability layers due to freezing .............................................

3.2.12. Internal erosion initiated by the effects of animal burrows .....................................

3.2.13. Internal erosion initiated by the effects of vegetation .............................................

3.2.14. Relative importance of conduits, spillway walls, cracking mechanisms and poorly compacted zones ................................................................................................................

3.3. Criteria for initiation of concentrated leaks .........................................................................

3.3.1. The procedure ..........................................................................................................

3.3.2. Estimation of width and depth of cracks ..................................................................

3.3.3. The estimation of hydraulic shear stresses in cracks and erosion pipes .................

3.3.4. Estimation of erosion resistance of dam cores ........................................................

3.3.5. Applying the concentrated leak criteria ....................................................................

3.3.6. Importance of dispersive soils ..................................................................................

4. INITIATION OF BACKWARD EROSION .................................................................................

4.1. Backward erosion: the overall process ..............................................................................

4.2. Backward erosion processes .............................................................................................

4.2.1. The process in sandy foundations of dams or dikes ................................................

4.2.2. The process within a dam, levee or dike ..................................................................

4.2.3. The process causing unraveling at the downstream face ........................................

4.3. Criteria for initiation of backward erosion ...........................................................................

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4.3.1. Érosion régressive dans les fondations sablonneuses ............................................

4.3.2. Érosion régressive globale de noyaux de barrages .................................................

4.3.3. Érosion régressive du parement ..............................................................................

4.3.4. Approches empiriques de Bligh et Lane ...................................................................

4.3.5. Approche russe .........................................................................................................

5. INITIATION DE L’ÉROSION DE CONTACT ...............................................................................



5.3. Critères pour l’initiation de l’érosion de contact ..................................................................

5.3.1. Conditions géométriques et hydrauliques ................................................................

5.3.2. Sol fin sans cohésion au-dessous d’une couche de sol grossier ............................

5.3.3. Érosion des sols fins cohérents (particules < 75 µm) ..............................................

5.3.4. Sol fin au-dessus d’une couche de sol grossier .......................................................

5.3.5. Influence de l’uniformité de la granulométrie ...........................................................

6. INITIATION DE LA SUFFUSION .............................................................................................

6.1. Description générales du mécanisme ................................................................................


6.2.1. Les sols suffusifs ......................................................................................................

6.2.2. Prise en compte de la ségrégation ..........................................................................

6.3. Critères ...............................................................................................................................

6.3.1. Pourcentage maximal de fines suffusives ................................................................

6.3.2. Méthodes basées sur les critères géométriques .....................................................

6.3.3. Critère hydraulique basé sur le gradient critique .....................................................

7. CONTINUATION OU INTERRUPTION DE L’ÉROSION PAR FILTRATION ..........................


7.2. Situations et phénomènes ..................................................................................................

7.2.1. L’érosion interne dans les remblais .........................................................................

7.2.2. L’érosion interne du remblai vers et dans la fondation ............................................

7.2.3. L’érosion interne en fondation ..................................................................................

7.3. Critères ...............................................................................................................................

7.3.1. Méthodologie pour l’évaluation de la continuation ou l’interruption de l’érosion dans le remblai ....................................................................................................................

7.3.2. Les fonctions d’un filtre ............................................................................................

7.3.3. Critère de rétention totale des filtres granulaires .....................................................

7.3.4. Critères de continuation ...........................................................................................

7.3.5. Continuation vers la fondation ou les structures traversantes .................................

8. PROGRESSION DE L’ÉROSION ............................................................................................


8.1.1. Condition hydraulique ..............................................................................................

8.1.2. Condition mécanique ...............................................................................................


8.3. Critères ...............................................................................................................................

8.3.1. La condition de stabilité du toit du conduit ...............................................................

8.3.2. Les conditions de colmatage des fissures ...............................................................

8.3.3. Les conditions de limitation de l’écoulement ............................................................

8.3.4. Vitesse de l’érosion de conduit ................................................................................

8.3.5. Vitesse de progression du processus d’érosion interne ..........................................

9. ÉVALUATION DU RISQUE D’ÉROSION INTERNE ................................................................

9.1. Les huit étapes du diagnostic .............................................................................................

9.2. Les différentes approches ..................................................................................................

9.2.1. Approche déterministe ou fondée sur des règlements ............................................

9.2.2. Jugement de l’ingénieur ou approche qualitative .....................................................

9.2.3. Évaluation quantitative du risque .............................................................................

9.2.4. L'utilisation des trois approches ...............................................................................

9.3. Déroulement de l’évaluation ...............................................................................................

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187

189

189

7.2.2. Internal erosion of the embankment at or into the foundation .................................

7.2.3. Internal erosion in the foundation .............................................................................

7.3. Criteria for continuation ......................................................................................................

7.3.1. Assessment of continuation or interruption of erosion through the embankment ....

7.3.2. Filter functions ..........................................................................................................

7.3.3. Criteria for no-erosion filters .....................................................................................

7.3.4. Continuation criteria .................................................................................................

7.3.5. Continuation into an open defect, joint or crack .......................................................

8. PROGRESSION OF EROSION ...............................................................................................

8.1. Progression: the overall process ........................................................................................

8.1.1. Hydraulic condition ...................................................................................................

8.1.2. Mechanical condition ................................................................................................

8.2. Progression processes .......................................................................................................

8.3. Progression criteria ............................................................................................................

8.3.1. Soil conditions to hold the roof over developing erosion pipes ................................

8.3.2. Conditions for crack filling ........................................................................................

8.3.3. Conditions for flow limitation ....................................................................................

8.3.4. Rate of development of concentrated leaks .............................................................

8.3.5. Rate of progression of the overall process of internal erosion .................................

9. ENGINEERING ASSESSMENT OF THE VULNERABILITY OF A DAM TO INTERNAL EROSION ......................................................................................................................................

9.1. Eight steps for engineering assessment ............................................................................

9.2. Approaches to engineering assessment .............................................................................

9.2.1. Deterministic or Standards-Based Approach ...........................................................

9.2.2. Engineering Judgment .............................................................................................

9.2.3. Quantitative Risk Assessment .................................................................................

9.2.4. Use of the three approaches ....................................................................................

9.3. Engineering analysis procedure .........................................................................................

4.3.1. Backward erosion in sandy foundations ..................................................................

4.3.2. Global backward erosion in dam cores ....................................................................

4.3.3. Global backward erosion causing unraveling at the downstream face ....................

4.3.4. Empirical approaches of Bligh and Lane .................................................................

4.3.5. The Russian Design Methods ..................................................................................

5. INITIATION OF CONTACT EROSION .....................................................................................

5.1. Contact erosion: the overall process ..................................................................................

5.2. Contact erosion processes .................................................................................................

5.3. Criteria for initiation of contact erosion ...............................................................................

5.3.1. Geometrical and hydraulic conditions ......................................................................

5.3.2. Fine cohesionless soil below a coarse soil layer .....................................................

5.3.3. Silt and clay erosion (particles < 75µm) ...................................................................

5.3.4. Fine soil above a coarse soil layer ...........................................................................

5.3.5. Influence of uniformity ..............................................................................................

6. INITIATION OF SUFFUSION ...................................................................................................

6.1. Suffusion: the overall process ............................................................................................

6.2. Suffusion processes ...........................................................................................................

6.2.1. Soils subject to suffusion ..........................................................................................

6.2.2. The effect of segregation .........................................................................................

6.3. Criteria for initiation of suffusion .........................................................................................

6.3.1. Maximum proportion of suffusive fines ....................................................................

6.3.2. Methods based on geometric criteria .......................................................................

6.3.3. The hydraulic criterion based on critical gradient .....................................................

7. CONTINUATION OR INTERRUPTION OF EROSION BY FILTER ACTION ..........................

7.1. Continuation: the overall process .......................................................................................

7.2. Continuation scenarios .......................................................................................................

7.2.1. Internal erosion in the embankment .........................................................................

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7.3. Critères ...............................................................................................................................











8.3. Critères ...............................................................................................................................














9.4. Les chargements ................................................................................................................

9.4.1. L’effet du niveau de la retenue sur l’érosion interne ................................................

9.4.2. Prise en considération des niveaux de retenue dans l’évaluation ...........................

9.4.3. Chargements sismiques à considérer ......................................................................

9.5. Les règlements et la probabilité de rupture ........................................................................

9.6. Marges de sécurité et incertitudes .....................................................................................

9.7. Relation entre propriétés du sol et érosion interne ............................................................

9.7.1. Susceptibilité du matériau, états de contrainte et chargement hydraulique ............

9.7.2. Le processus physique ............................................................................................

9.8. La collecte des données ....................................................................................................

9.9. Analyse des modes de rupture ..........................................................................................

9.10. Criblage des mécanismes potentiels de rupture ..............................................................

9.10.1. Criblage à partir du zonage et des propriétés des matériaux ................................

9.10.2. Criblage à partir de la géologie et des propriétés de sols ......................................

9.10.3. Criblage à partir des dispositifs constructifs ...........................................................

9.11. Analyse des modes de rupture potentiels ........................................................................

9.11.1. Quelques principes généraux ................................................................................

9.11.2. Quelques conseils pour évaluer le danger d’érosion par conduit ..........................

9.12. Décision entre confortement ou surveillance ...................................................................

10. RÉPARATION ........................................................................................................................

10.1. Méthodes disponibles ...............................................................................................

10.2. Les écrans d’étanchéité ............................................................................................

10.3. Les filtres ...................................................................................................................

10.3.1. Écran filtrant et recharge filtrante ...........................................................................

10.3.2. Filtres périphériques des conduites et de l’évacuateur de crue .............................

10.3.3. Parois drainantes ...................................................................................................

10.3.4. Les puits de décompression filtrants ......................................................................

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7.3. Critères ...............................................................................................................................











8.3. Critères ...............................................................................................................................














9.4. Les chargements ................................................................................................................



















10. RÉPARATION ........................................................................................................................



10.3. Les filtres ...................................................................................................................





7.2.2. Internal erosion of the embankment at or into the foundation .................................

7.2.3. Internal erosion in the foundation .............................................................................

7.3. Criteria for continuation ......................................................................................................

7.3.1. Assessment of continuation or interruption of erosion through the embankment ....

7.3.2. Filter functions ..........................................................................................................

7.3.4. Continuation criteria .................................................................................................

7.3.5. Continuation into an open defect, joint or crack .......................................................

8. PROGRESSION OF EROSION ...............................................................................................

8.1. Progression: the overall process ........................................................................................

8.1.1. Hydraulic condition ...................................................................................................

8.1.2. Mechanical condition ................................................................................................

8.2. Progression processes .......................................................................................................

8.3. Progression criteria ............................................................................................................

8.3.1. Soil conditions to hold the roof over developing erosion pipes ................................

8.3.2. Conditions for crack filling ........................................................................................

8.3.3. Conditions for flow limitation ....................................................................................

8.3.4. Rate of development of concentrated leaks .............................................................

8.3.5. Rate of progression of the overall process of internal erosion .................................

9. ENGINEERING ASSESSMENT OF THE VULNERABILITY OF A DAM TO INTERNAL EROSION ......................................................................................................................................

9.1. Eight steps for engineering assessment ............................................................................

9.2. Approaches to engineering assessment .............................................................................

9.2.1. Deterministic or Standards-Based Approach ...........................................................

9.2.2. Engineering Judgment .............................................................................................

9.2.3. Quantitative Risk Assessment .................................................................................

9.2.4. Use of the three approaches ....................................................................................

9.3. Engineering analysis procedure .........................................................................................

9.4. Reservoir and seismic loading conditions ..........................................................................

9.4.1. The effect of reservoir level on internal erosion .......................................................

9.4.2. Reservoir levels to be considered ............................................................................

9.4.3. Seismic loads to be considered ...............................................................................

9.5. Design standards and the likelihood of failure from internal erosion .................................

9.6. Safety margins and approximations ...................................................................................

9.7. Soil properties in relation to internal erosion ......................................................................

9.7.1. Material susceptibility, stress conditions and hydraulic load ....................................

9.7.2. The physical process ...............................................................................................

9.8. The importance of reliable information ...............................................................................

9.9. Failure modes analysis ......................................................................................................

9.10. Screening of potential failure modes ................................................................................

9.10.1. Screening of PFM on the zoning of the dam and the properties of the core and the embankment ..................................................................................................................

9.10.2. Screening on foundation geology and soil properties ............................................

9.10.3. Screening on details of the embankment and conduits and retaining walls ............

9.11. Analysis of potential failure modes ...................................................................................

9.11.1. Some general principles .........................................................................................

9.11.2. Concentrated leak erosion-some aids to judgment ...............................................

9.12. Decision making: remediation or monitoring? ..................................................................

10. REMEDIATION AND IMPROVEMENTS TO DAMS TO RESIST INTERNAL EROSION .....

10.1. Methods available ............................................................................................................

10.2. Barriers .............................................................................................................................

10.3. Filters ................................................................................................................................

10.3.1. Filter blankets and filtered berms ...........................................................................

10.3.2. Filter collars on conduits and spillway channels ....................................................

10.3.3. Filter trenches ........................................................................................................

10.3.4. Filtered relief wells .................................................................................................

14

9.4. Les chargements ................................................................................................................



















10. RÉPARATION ........................................................................................................................



10.3. Les filtres ...................................................................................................................





10.3.5. Filtres multicouches et capacité de drainage .........................................................

10.4. Conditions sur les conduites ............................................................................................

11. SURVEILLANCE ET AUSCULTATION ..................................................................................

11.1. Objectifs et défis de la surveillance ..................................................................................

11.2. Principes généraux ..........................................................................................................

11.2.1. La possibilité de détection et d’intervention ...........................................................

11.2.2. Quelques informations sur la cinétique de l’érosion interne ..................................

11.2.3. Revue de l’application des méthodes de surveillance ...........................................

12. MÉTHODES D’ÉVALUATION DU RISQUE DE RUPTURE PAR ÉROSION INTERNE .......

12.1. Introduction .......................................................................................................................

12.2. Procédure générale ..........................................................................................................

12.3. Estimation de la probabilité de rupture ............................................................................


12.3.2. L’érosion de conduit – quelques conseils pour le jugement ..................................

12.4. Méthodes d’évaluation quantitative et semi quantitative du risque ..................................

12.4.1. Méthodes basées sur les données historiques de rupture et d’incident .......................

13. GLOSSAIRE INTERNATIONAL DE L’ÉROSION INTERNE ....................................................

13.1. Terminologie de l’érosion interne .....................................................................................

13.2. Définitions relatives au calcul de la probabilité de rupture ..........................................

13.3. Définitions CIGB relatives aux barrages et aux ruptures ............................................

REFERENCES ..............................................................................................................................

FIGURES EN COULEUR ..............................................................................................................

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9.4. Les chargements ................................................................................................................



















10. RÉPARATION ........................................................................................................................



10.3. Les filtres ...................................................................................................................





10.3.5. Filtres multicouches et capacité de drainage .........................................................

10.4. Conditions sur les conduites ............................................................................................

11. SURVEILLANCE ET AUSCULTATION ..................................................................................

11.1. Objectifs et défis de la surveillance ..................................................................................

11.2. Principes généraux ..........................................................................................................

11.2.1. La possibilité de détection et d’intervention ...........................................................

11.2.2. Quelques informations sur la cinétique de l’érosion interne ..................................

11.2.3. Revue de l’application des méthodes de surveillance ...........................................

12. MÉTHODES D’ÉVALUATION DU RISQUE DE RUPTURE PAR ÉROSION INTERNE .......

12.1. Introduction .......................................................................................................................

12.2. Procédure générale ..........................................................................................................

12.3. Estimation de la probabilité de rupture ............................................................................


12.3.2. L’érosion de conduit – quelques conseils pour le jugement ..................................

12.4. Méthodes d’évaluation quantitative et semi quantitative du risque ..................................

12.4.1. Méthodes basées sur les données historiques de rupture et d’incident .......................

13. GLOSSAIRE INTERNATIONAL DE L’ÉROSION INTERNE ....................................................

13.1. Terminologie de l’érosion interne .....................................................................................

13.2. Définitions relatives au calcul de la probabilité de rupture ..........................................

13.3. Définitions CIGB relatives aux barrages et aux ruptures ............................................

REFERENCES ..............................................................................................................................

FIGURES EN COULEUR ..............................................................................................................

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9.4.1. The effect of reservoir level on internal erosion .......................................................

9.4.2. Reservoir levels to be considered ............................................................................

9.4.3. Seismic loads to be considered ...............................................................................

9.5. Design standards and the likelihood of failure from internal erosion .................................

9.6. Safety margins and approximations ...................................................................................

9.7. Soil properties in relation to internal erosion ......................................................................

9.7.1. Material susceptibility, stress conditions and hydraulic load ....................................

9.7.2. The physical process ...............................................................................................

9.8. The importance of reliable information ...............................................................................

9.9. Failure modes analysis ......................................................................................................

9.10. Screening of potential failure modes ................................................................................

9.10.1. Screening of PFM on the zoning of the dam and the properties of the core and the embankment ..................................................................................................................

9.10.2. Screening on foundation geology and soil properties ............................................

9.10.3. Screening on details of the embankment and conduits and retaining walls ............

9.11. Analysis of potential failure modes ...................................................................................



9.12. Decision making: remediation or monitoring? ..................................................................

10. REMEDIATION AND IMPROVEMENTS TO DAMS TO RESIST INTERNAL EROSION .....

10.1. Methods available ............................................................................................................

10.2. Barriers .............................................................................................................................

10.3. Filters ................................................................................................................................

10.3.1. Filter blankets and filtered berms ...........................................................................

10.3.2. Filter collars on conduits and spillway channels ....................................................

10.3.3. Filter trenches ........................................................................................................



10.3.5. Multiple filters to provide drainage capacity ...........................................................

10.4. Condition of conduits ........................................................................................................

11. SURVEILLANCE AND MONITORING ...................................................................................

11.1. Objectives and challenges of surveillance and monitoring for timely detection of internal erosion ........................................................................................................................................

11.2. General Principle ..............................................................................................................

11.2.1. The likelihood of detection and intervention ...........................................................

11.2.2. Some Information on the rate of internal erosion ...................................................

11.2.3. A review of the applicability of methods of surveillance .........................................

12. METHODS FOR ASSESSMENT OF THE LIKELIHOOD OF FAILURE OF A DAM BY INTERNAL EROSION ...................................................................................................................

12.1. Introduction .......................................................................................................................

12.2. General Procedure ...........................................................................................................

12.3. Estimation of likelihoods of failure for potential failure modes applicable to the dam ......



12.4. Quantitative and semi quantitative risk assessment methods .........................................

12.4.1. Methods based on historic databases of failures and incidents ............................

13. TERMINOLOGY – INTERNAL EROSION PROCESSES – INTERNATIONAL GLOSS .......

13.1. Terminology used in relation to internal erosion ..............................................................

13.2. Definitions related to the analysis of the probability of failure ..........................................

13.3. ICOLD definitions of large dam, failure, accident and incident ........................................

REFERENCES ..............................................................................................................................

COLORED FIGURES .....................................................................................................................

16

AVANT-PROPOS ET REMERCIEMENTS

L’érosion interne dans les remblais et leurs fondations est une cause principale de ruptures et

d’accidents de barrages en remblai. Le risque d’érosion interne peut être diminué dans la phase projet grâce à une conception et une construction correctes du noyau et à la mise en place de filtres interceptant les écoulements à travers les remblais et les fondations.

Cependant de nombreux barrages et digues existants sont mal zonés et dépourvus de filtres ou

ont des filtres ou zones de transition qui ne répondent pas aux critères modernes de conception. Ils sont donc susceptibles de se rompre par érosion interne, avec un risque croissant dans le temps. Par conséquent, la réévaluation de la sécurité de ces barrages est une question fondamentale.

Cela a été reconnu par le Club Européen de la CIGB qui a mis en place un Groupe de Travail sur

ce problème et de nombreuses recherches ont été menées ces dernières années pour mieux comprendre les processus physiques et les mécanismes de l’érosion interne. Ce bulletin est basé sur les connaissances acquises au cours de nombreuses années de recherche avancée et sur des conceptions réussies de nouveaux projets.

Le comité de la CIGB sur les Barrages en Remblai est persuadé de l’indéniable intérêt à

rassembler des experts internationaux et des chercheurs sur ce sujet. Le président du comité a donc nommé Jean-Jacques Fry (France) et Rodney Bridle (Royaume-Uni) pour travailler, avec le Groupe de Travail du Club Européen et d’autres experts de l’érosion interne, comme Robin Fell (Australie), à la rédaction d’un bulletin de recommandations pour les professionnels chargés de l’évaluation de la sécurité des ouvrages hydrauliques.

Nous espérons que les personnes en charge de la sécurité des barrages auront librement accès à

cette publication afin de l’utiliser efficacement dans l’évaluation de la sécurité des barrages et des digues existants. Elle est également utile pour les concepteurs de nouveaux barrages et digues.

Comme l’état de l’art sur l’érosion interne des barrages, des digues et de leurs fondations est une

science évolutive, les lecteurs sont invités à rechercher dans la littérature les dernières avancées qui feront suite à la production de ce Bulletin.

Je tiens également à exprimer des remerciements particuliers au Dr. Jean-Jacques Fry, et à M.

Rodney Bridle et au Professeur émérite Robin Fell (Australie) pour avoir contribué en grande partie à la rédaction de ce bulletin, ainsi qu’aux membres du Groupe de travail du Club européen, et aux membres du comité de la CIGB pour leurs contributions dans l’élaboration du Bulletin.

JEAN-PIERRE TOURNIER, PRÉSIDENT,


17

FOREWORD AND ACKNOWLEDGEMENTS

Internal erosion and piping in embankments and their foundations is the main cause of failures and

accidents at embankment dams. For new dams, the potential for internal erosion can be controlled by good design and construction of the core of the dam and provision of filters to intercept seepage through the embankment and the foundations.

However many existing dams, dikes and levees were inadequately zoned and not provided with

filters or have filters or transitions which do not satisfy modern filter design criteria, and are susceptible to internal erosion failure, with a risk of internal erosion increasing with ageing. Accordingly, the reassessment of the safety of these dams is an important issue.

This has been recognized by the European Club of ICOLD which devoted a Working Group to the

problem and much research has been carried out in recent years to better understand the physical processes and mechanics of internal erosion. This has built upon the knowledge gained from many years of earlier research and successful design of new dams.

The ICOLD committee on Embankment Dams believe that there are considerable benefits in

gathering together international experts and researchers on this topic. Thus the chairman committed the members Jean-Jacques Fry (France) and Rodney Bridle (UK) to work with the Working Group of the European Club and other experts on internal erosion, like Robin Fell (Australia), to write a bulletin and give guidance for practitioners responsible for assessing the safety of water retaining structures.

We expect that the people in charge of dam safety will have free access to this publication so it can

be used effectively for the safety assessment of existing dams and dikes. It will also be useful for those designing new dams and dikes.

As the state of the art of internal erosion of dams, dikes and their foundations is an evolving

science readers should look in the literature for new developments following the production of this Bulletin.

I also wish to record special thanks to Dr Jean-Jacques Fry, Mr. Rodney Bridle and Professor

Emeritus Robin Fell for undertaking much of the drafting of this Bulletin, to members of the European Club Working Group for their inputs in developing the Bulletin, and to members of the ICOLD committee for their contributions.

JEAN-PIERRE TOURNIER, CHAIRMAN,


18

RÉSUMÉ

L’érosion interne est l’une des principales causes de rupture des barrages en remblai. Lors de la

construction, la protection de nouveaux barrages contre l’érosion interne est assurée par le zonage et notamment la mise en œuvre de filtres (Bulletin Technique No. 95, CIGB, 1994). Cependant, de nombreux barrages sont mal zonés et ne possèdent pas de filtres, ils peuvent donc être vulnérables à l'érosion interne. D’autres barrages dotés de filtres qui ne répondent pas aux normes actuelles de conception et/ou de construction, peuvent eux aussi être vulnérables à l'érosion interne.

L’érosion interne se produit lorsque des particules de sols dans un barrage en remblai ou dans sa

fondation sont entrainées à l’aval par les écoulements. Elle commence lorsque les forces érosives imposées par la charge hydraulique dépassent la résistance à l’érosion des matériaux constituant le barrage. Les forces érosives sont directement liées au niveau de l’eau du réservoir.

La plupart des incidents d’érosion interne apparaissent au premier remplissage, mais beaucoup

surviennent pendant l’exploitation des années après le premier remplissage. Ces incidents se sont presque tous produits à un niveau de retenue jamais encore atteint, par exemple au cours de longues crues, pouvant déclencher l'érosion interne en partie supérieure et soumettre le corps du barrage à des gradients hydrauliques et vitesses plus élevés que ceux expérimentés auparavant. L’érosion peut être également causée par le vieillissement du barrage, notamment des conduites et galeries internes qui peuvent provoquer des tassements après des cycles répétés de vidange, ou de l’effet des tremblements de terre. Un autre facteur est lié au fait que certains mécanismes d’érosion interne progressent lentement, de façon épisodique, au cours des remplissages cycliques du réservoir ; il faut donc des années, voire des décennies avant que les effets de cette érosion épisodique ne fassent apparaître le moindre symptôme d’érosion interne.

Le Bulletin est en deux volumes. Le volume 1 traite principalement des processus d’érosion interne

et de l’évaluation technique de la vulnérabilité des barrages face à la rupture par érosion interne, avec un bref aperçu des équipements pour détecter l’érosion interne et des mesures à prendre pour protéger les barrages contre l’érosion interne. Il contient une liste complète de la Terminologie utilisée dans l’érosion interne. De nombreuses références sont également données, y compris des liens vers le site web de la CIGB traitant de l’érosion interne.

Le Volume 2 donne plus de détails sur les recherches associées à l’érosion interne, les essais

appropriés, la surveillance, la détection, les mesures et donne quelques exemples. Ce Volume 1 donne un énoncé du problème, expliquant pourquoi l’érosion interne est une menace

pour les barrages existants et l’importance d’évaluer la vulnérabilité des barrages face à celle-ci. Il traite du processus complet d’érosion interne depuis l’initiation, la continuation (ou son arrêt), la progression jusqu'à la rupture, sauf si l'érosion est détectée assez tôt par des systèmes de surveillance appropriés, permettant une intervention rapide afin de stopper ou ralentir le développement de la brèche ou fissure.

Les quatre mécanismes déclencheurs du processus d’érosion interne sont décrits : l’érosion de

conduit, l’érosion régressive, l’érosion de contact et la suffusion. Le Bulletin décrit ensuite les circonstances dans lesquelles chaque type d’érosion, une fois initiée, se poursuivra ou sera arrêtée par la capacité filtrante des matériaux du barrage et des fondations. Les processus de filtration, les propriétés et les règles du filtre pour évaluer la rétention des particules sont également présentés. La vitesse à laquelle l'érosion continue si elle n’est pas arrêtée est discutée. Dans de nombreux cas, la vitesse est telle que la rupture peut se produire trop rapidement pour avoir le temps de sauver les vies, les biens à l’aval et prendre des mesures correctives, en général la mise en conformité des filtres.

Une évaluation technique du processus est proposée. Cette évaluation est abordée par l’approche

déterministe, par jugement technique complété d’une évaluation qualitative et semi-quantitative du risque, ou par l’évaluation quantitative du risque. Les valeurs limites de dimensionnement sont liées au niveau d’eau critique. Il faut systématiquement prendre en compte les modes de défaillance

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EXECUTIVE SUMMARY

Internal erosion is one of the major causes of embankment dam failure. When constructing new

dams, protection against internal erosion is provided by zoning and by providing filters (ICOLD Bulletin No. 95, ICOLD, 1994). However, many existing dams are not adequately zoned and do not have filters and may therefore be vulnerable to internal erosion. Others have filters not designed and/or constructed to modern standards, they too may be vulnerable to internal erosion.

Internal erosion occurs when soil particles within an embankment dam or its foundation are carried

downstream by seepage flow. It starts when the erosive forces imposed by the hydraulic loads exceed the resistance of the materials in the dam to erosion. The erosive forces are directly related to reservoir water level.

Many internal erosion problems become apparent on first filling but most occur many years after

first filling. This is almost certainly because the dam is subject for the first time to high water levels which may initiate erosion in the upper parts of the dam. After long periods of flood flows, for example, which cause the reservoir to rise higher on the dam and/or to subject it to greater gradients and velocities of flow than it has experienced before. It may be because ageing causes deterioration of the dam, particularly of the pipes and culverts through dams but also due to on-going settlements under repeated reservoir draw downs, or from the effect of earthquakes. Another factor may be that some internal erosion mechanisms progress slowly in an episodic fashion under cyclical reservoir loading, taking years and even decades before the effects of the episodes of erosion show any of the symptoms of internal erosion.

The Bulletin is in two volumes. Volume 1 deals predominantly with internal erosion processes and

the engineering assessment of the vulnerability of a dam to failure or damage by internal erosion, with a brief oversight of monitoring for and detection of internal erosion and remediation to protect dams against internal erosion. It includes a comprehensive listing of the Terminology used in internal erosion. Many references are also given, including links to many from an ICOLD internal erosion webpage.

Volume 2 gives more details of internal erosion investigations, and appropriate testing, monitoring

and detection, and remediation, and gives case histories. This Volume 1 gives a statement of the problem, explaining why internal erosion is a threat to

existing dams and the importance of assessing the vulnerability of individual dams to it. It then goes through the overall process of erosion from initiation, through continuation (or arrest) of erosion, through progression, and on to breach, unless erosion is detected early enough by appropriate monitoring systems, to allow timely intervention to halt or slow the development of a breach and failure.

The four mechanisms through which internal erosion is initiated are described: erosion in

concentrated leaks, backward erosion, contact erosion, and suffusion. The Bulletin then describes the circumstances in which erosion, once initiated, will continue or be arrested by the filtering capability of the materials in the dam and foundations. Filtering processes, filter properties and filter rules are explained in order that the filtering capability can be assessed. The rate at which erosion continues, if it is not arrested, is discussed. In many cases, the rate is such that failure could occur too rapidly to give time to protect lives and property downstream, and some positive action should be taken, usually retrofitting filters, to prevent erosion.

An engineering assessment process is proposed. Assessment by the deterministic approach, by

engineering judgment augmented by qualitative and semi-quantitative risk assessment; or by quantitative risk assessment, is described. Critical design loads relate to critical water levels. Systematic consideration of potential failure modes is required, eliminating those in which internal erosion could not continue to failure, because of fill and foundation soil properties, the zoning of the dam and other factors, as detailed in the Bulletin.

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potentiels et éliminer ceux ne menant pas à la rupture par érosion interne, du fait des propriétés des sols des fondations et des recharges, du zonage du barrage et d’autres facteurs, comme indiqué dans ce Bulletin.

Les modes de rupture potentiels restant doivent être examinés. Des informations sont données

dans le Bulletin pour déterminer la résistance à l’érosion, le gradient hydraulique et les propriétés du sol érodé. Des informations sont également données sur la manière d’évaluer la capacité filtrante des matériaux du barrage et des fondations et leur capacité à arrêter l’érosion, à limiter l’érosion qui ne peut pas être arrêtée ou à permettre la progression de l’érosion incontrôlée.

Quelques informations sur les mesures et l’auscultation sont données pour aider à la prise de

décision lorsque l’évaluation n’a pas donné de conclusion définitive sur le risque potentiel de rupture par érosion interne. La méthode d’évaluation quantitative du risque est brièvement décrite. Cette méthode peut aussi être utilisée pour prendre en compte l'incertitude. Elle serait également souhaitable pour les barrages à risque élevé et lorsque les coûts de remise en état sont importants afin de confirmer et justifier la nécessité et l'ampleur du projet de réhabilitation.

Le tableau ci-dessous synthétise le contenu des chapitres du bulletin.

Chapitre Titre et contenu

1 INTRODUCTION : EROSION INTERNE ET SECURITE DES BARRAGES

Information et statistiques sur les ruptures causées par érosion interne de nouveaux barrages à la mise en eau et de barrages existants.

2 PANORAMA DES MECANISMES D’EROSION INTERNE

Ce chapitre décrit les étapes du processus général de rupture par érosion interne à partir des quatre mécanismes d’initiation, de la continuation ou l’interruption par filtration, la progression notamment de conduits d’érosion, la détection de l’érosion, les interventions pour stopper l’érosion et la formation de la brèche.

À noter que la formation de brèche n’est pas traitée ailleurs dans ce bulletin. Les autres étapes du processus sont détaillées dans les chapitres suivants et des références y renvoient dans le chapitre 2 pour éviter des répétitions.

3 INITIATION DE L’EROSION DE CONDUIT

Ce chapitre traite du mécanisme d’érosion de conduit à travers des fissures et des ouvertures. Il présente aussi les situations dans lesquelles de tels vides apparaissent. On dresse une liste de quatorze situations qui génèrent de tels vides et écoulements préférentiels.

4 INITIATION D’EROSION REGRESSIVE

Ce chapitre décrit plusieurs méthodes, classiques ou nouvelles, pour prédire si l’érosion régressive peut conduire ou non à la rupture. La signification des tumulus de sable est discutée. Elle introduit aussi l’érosion régressive globale.

5 INITIATION D’EROSION DE CONTACT

Ce chapitre traite de l’initiation par érosion de contact d’un sol fin situé en dessous ou au-dessus d’un sol grossier. Il fournit un diagramme montrant la vitesse de Darcy dans les sols grossiers qui initie l’érosion de contact dans des sols fins.

RÉSUMÉ

L’érosion interne est l’une des principales causes de rupture des barrages en remblai. Lors de la

construction, la protection de nouveaux barrages contre l’érosion interne est assurée par le zonage et notamment la mise en œuvre de filtres (Bulletin Technique No. 95, CIGB, 1994). Cependant, de nombreux barrages sont mal zonés et ne possèdent pas de filtres, ils peuvent donc être vulnérables à l'érosion interne. D’autres barrages dotés de filtres qui ne répondent pas aux normes actuelles de conception et/ou de construction, peuvent eux aussi être vulnérables à l'érosion interne.

L’érosion interne se produit lorsque des particules de sols dans un barrage en remblai ou dans sa

fondation sont entrainées à l’aval par les écoulements. Elle commence lorsque les forces érosives imposées par la charge hydraulique dépassent la résistance à l’érosion des matériaux constituant le barrage. Les forces érosives sont directement liées au niveau de l’eau du réservoir.

La plupart des incidents d’érosion interne apparaissent au premier remplissage, mais beaucoup

surviennent pendant l’exploitation des années après le premier remplissage. Ces incidents se sont presque tous produits à un niveau de retenue jamais encore atteint, par exemple au cours de longues crues, pouvant déclencher l'érosion interne en partie supérieure et soumettre le corps du barrage à des gradients hydrauliques et vitesses plus élevés que ceux expérimentés auparavant. L’érosion peut être également causée par le vieillissement du barrage, notamment des conduites et galeries internes qui peuvent provoquer des tassements après des cycles répétés de vidange, ou de l’effet des tremblements de terre. Un autre facteur est lié au fait que certains mécanismes d’érosion interne progressent lentement, de façon épisodique, au cours des remplissages cycliques du réservoir ; il faut donc des années, voire des décennies avant que les effets de cette érosion épisodique ne fassent apparaître le moindre symptôme d’érosion interne.

Le Bulletin est en deux volumes. Le volume 1 traite principalement des processus d’érosion interne

et de l’évaluation technique de la vulnérabilité des barrages face à la rupture par érosion interne, avec un bref aperçu des équipements pour détecter l’érosion interne et des mesures à prendre pour protéger les barrages contre l’érosion interne. Il contient une liste complète de la Terminologie utilisée dans l’érosion interne. De nombreuses références sont également données, y compris des liens vers le site web de la CIGB traitant de l’érosion interne.

Le Volume 2 donne plus de détails sur les recherches associées à l’érosion interne, les essais

appropriés, la surveillance, la détection, les mesures et donne quelques exemples. Ce Volume 1 donne un énoncé du problème, expliquant pourquoi l’érosion interne est une menace

pour les barrages existants et l’importance d’évaluer la vulnérabilité des barrages face à celle-ci. Il traite du processus complet d’érosion interne depuis l’initiation, la continuation (ou son arrêt), la progression jusqu'à la rupture, sauf si l'érosion est détectée assez tôt par des systèmes de surveillance appropriés, permettant une intervention rapide afin de stopper ou ralentir le développement de la brèche ou fissure.

Les quatre mécanismes déclencheurs du processus d’érosion interne sont décrits : l’érosion de

conduit, l’érosion régressive, l’érosion de contact et la suffusion. Le Bulletin décrit ensuite les circonstances dans lesquelles chaque type d’érosion, une fois initiée, se poursuivra ou sera arrêtée par la capacité filtrante des matériaux du barrage et des fondations. Les processus de filtration, les propriétés et les règles du filtre pour évaluer la rétention des particules sont également présentés. La vitesse à laquelle l'érosion continue si elle n’est pas arrêtée est discutée. Dans de nombreux cas, la vitesse est telle que la rupture peut se produire trop rapidement pour avoir le temps de sauver les vies, les biens à l’aval et prendre des mesures correctives, en général la mise en conformité des filtres.

Une évaluation technique du processus est proposée. Cette évaluation est abordée par l’approche

déterministe, par jugement technique complété d’une évaluation qualitative et semi-quantitative du risque, ou par l’évaluation quantitative du risque. Les valeurs limites de dimensionnement sont liées au niveau d’eau critique. Il faut systématiquement prendre en compte les modes de défaillance

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EXECUTIVE SUMMARY
















EXECUTIVE SUMMARY
















The remaining potential failure modes must then be examined. Information is given in the Bulletin

to determine the erosion resistance, the hydraulic gradients and the soil properties at which erosion will initiate. Information is also given on how to assess the filtering capability of the materials in the dam and foundation and their ability to stop erosion, allow a limited amount of erosion which would then stop, or allow erosion to continue unchecked. Some information on remediation methods and monitoring is given to assist in decision making where the assessment has not given a definite conclusion on whether damaging erosion will or will not occur at the dam. Quantitative risk assessment methods are briefly described. Such methods may also be used to resolve uncertainty, and would be advisable in the case of high hazard dams and high remediation costs to confirm and justify the need for and the scale of the proposed remediation.

The chapter headings and structure of the bulletin are presented below:

Chapter Title and content

1 INTRODUCTION: INTERNAL EROSION AND DAM SAFETY

Gives information and statistics on failures caused by internal erosion on first filling of new dams and in existing dams.

2 AN OVERVIEW OF INTERNAL EROSION MECHANISMS

This chapter describes the entire process of internal erosion from the four modes of initiation, continuation or arrest by filter action, progression and formation of erosion pipes, detection of erosion, interventions to prevent erosion, and breach formation.

Note that breach formation is not dealt with elsewhere in the Bulletin. More details all other stages of the process are given in subsequent chapters, but reference back to Figures in Chapter 2 is made to avoid repetition.

3 INITIATION OF CONCENTRATED LEAK EROSION

Deals with the mechanics of internal erosion in concentrated leaks through cracks and openings. Also addresses the circumstances and locations where such openings occur. Fourteen situations are listed in which openings and concentrated leak erosion may occur.

4 INITIATION OF BACKWARD EROSION

Describes various methods, classical and new, for predicting if backward erosion leading to failure will occur. Discusses sand boils and their significance. Also describes ‘global backward erosion’.

5 INITIATION OF CONTACT EROSION

Deals with initiation of contact erosion of fine soils above and below coarse soils. Provides chart showing Darcy velocity in coarse soils that will initiate contact erosion in fine soils.

6 INITIATION OF SUFFUSION

Describes the suffusion process in which fine particles are eroded through the constrictions in the coarse soil matrix. Gives methods to identify soils susceptible to suffusion and the seepage gradient which will cause suffusion.

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potentiels et éliminer ceux ne menant pas à la rupture par érosion interne, du fait des propriétés des sols des fondations et des recharges, du zonage du barrage et d’autres facteurs, comme indiqué dans ce Bulletin.

Les modes de rupture potentiels restant doivent être examinés. Des informations sont données

dans le Bulletin pour déterminer la résistance à l’érosion, le gradient hydraulique et les propriétés du sol érodé. Des informations sont également données sur la manière d’évaluer la capacité filtrante des matériaux du barrage et des fondations et leur capacité à arrêter l’érosion, à limiter l’érosion qui ne peut pas être arrêtée ou à permettre la progression de l’érosion incontrôlée.

Quelques informations sur les mesures et l’auscultation sont données pour aider à la prise de

décision lorsque l’évaluation n’a pas donné de conclusion définitive sur le risque potentiel de rupture par érosion interne. La méthode d’évaluation quantitative du risque est brièvement décrite. Cette méthode peut aussi être utilisée pour prendre en compte l'incertitude. Elle serait également souhaitable pour les barrages à risque élevé et lorsque les coûts de remise en état sont importants afin de confirmer et justifier la nécessité et l'ampleur du projet de réhabilitation.

Le tableau ci-dessous synthétise le contenu des chapitres du bulletin.

Chapitre Titre et contenu

1 INTRODUCTION : EROSION INTERNE ET SECURITE DES BARRAGES

Information et statistiques sur les ruptures causées par érosion interne de nouveaux barrages à la mise en eau et de barrages existants.

2 PANORAMA DES MECANISMES D’EROSION INTERNE

Ce chapitre décrit les étapes du processus général de rupture par érosion interne à partir des quatre mécanismes d’initiation, de la continuation ou l’interruption par filtration, la progression notamment de conduits d’érosion, la détection de l’érosion, les interventions pour stopper l’érosion et la formation de la brèche.

À noter que la formation de brèche n’est pas traitée ailleurs dans ce bulletin. Les autres étapes du processus sont détaillées dans les chapitres suivants et des références y renvoient dans le chapitre 2 pour éviter des répétitions.

3 INITIATION DE L’EROSION DE CONDUIT

Ce chapitre traite du mécanisme d’érosion de conduit à travers des fissures et des ouvertures. Il présente aussi les situations dans lesquelles de tels vides apparaissent. On dresse une liste de quatorze situations qui génèrent de tels vides et écoulements préférentiels.

4 INITIATION D’EROSION REGRESSIVE

Ce chapitre décrit plusieurs méthodes, classiques ou nouvelles, pour prédire si l’érosion régressive peut conduire ou non à la rupture. La signification des tumulus de sable est discutée. Elle introduit aussi l’érosion régressive globale.

5 INITIATION D’EROSION DE CONTACT

Ce chapitre traite de l’initiation par érosion de contact d’un sol fin situé en dessous ou au-dessus d’un sol grossier. Il fournit un diagramme montrant la vitesse de Darcy dans les sols grossiers qui initie l’érosion de contact dans des sols fins.

6 INITIATION DE LA SUFFUSION

Ce chapitre décrit le mécanisme de suffusion où les particules fines sont érodées à travers les constrictions de la matrice du sol grossier. Il donne des méthodes pour identifier les sols sensibles à la suffusion et pour évaluer le gradient hydraulique qui déclenche la suffusion.

7 CONTINUATION OU INTERRUPTION DE L’EROSION PAR FILTRATION

Si l’érosion s’est initiée, elle peut soit continuer, soit être stoppée par la filtration provoquée par les matériaux situés à l’aval dans le barrage ou sa fondation. Les lois de filtre ainsi que les méthodes d’évaluation de la capacité de filtration de matériaux plus grossiers que les filtres habituels sont rappelées. Des méthodes pour estimer si ces ‘filtres’ tiendront ou non une fissure ouverte’ (et en conséquence ne pourront arrêter l’érosion) sont aussi évoquées.

8 PROGRESSION DE L’EROSION

Les deux conditions, hydraulique et mécanique, nécessaires à la progression de l’érosion sont données. Les moyens d’évaluer la progression de l’érosion des écoulements préférentiels, la cinétique de progression et les autres formes d’érosion sont discutés.

La progression peut conduire à la rupture, qui est l’étape ultime du processus d’érosion. Le mécanisme de formation de brèche n’est évoqué que dans le Chapitre 2.

9 EVALUATION DU RISQUE D’EROSION INTERNE

Ce chapitre développe les huit étapes de la méthodologie d’évaluation du risque de rupture par érosion interne. Trois approches sont possibles : une approche déterministe ou à base de règlements, un diagnostic basé sur le jugement de l’ingénieur et s’appuyant aussi loin que possible sur des critères quantifiables ou bien l’analyse de risque quantitative (AQR).

Il est recommandé d’appliquer ces trois approches par étape, en utilisant d’abord les données disponibles et en entreprenant de nouvelles reconnaissances, si des informations supplémentaires renforçaient la solidité du diagnostic de la tenue du barrage à l’érosion interne. Les situations de chargement, les critères de conception et l’importance de la fiabilité des données au sujet de la géométrie, notamment le zonage, et les caractéristiques des matériaux du remblai et de la fondation sont discutés. L’identification du mode de rupture, l’analyse et le criblage des chemins d’érosion pouvant amener l’initiation, la continuation puis la progression de l’érosion interne à la rupture sont expliqués. Des éléments d’aide à la décision de parades à l’érosion ou de fiabilité de l’auscultation sont cités.

10 REPARATION

Ce chapitre introduit les options de réparation en appui à l’aide à la décision du diagnostic de risque d’érosion interne d’un barrage. Ces réparations sont principalement les écrans d’étanchéité et les filtres. L’importance de maintenir les conduites traversantes en bon état est soulignée. Ce point est développé dans le Volume 2 du bulletin.

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The remaining potential failure modes must then be examined. Information is given in the Bulletin to determine the erosion resistance, the hydraulic gradients and the soil properties at which erosion will initiate. Information is also given on how to assess the filtering capability of the materials in the dam and foundation and their ability to stop erosion, allow a limited amount of erosion which would then stop, or allow erosion to continue unchecked. Some information on remediation methods and monitoring is given to assist in decision making where the assessment has not given a definite conclusion on whether damaging erosion will or will not occur at the dam. Quantitative risk assessment methods are briefly described. Such methods may also be used to resolve uncertainty, and would be advisable in the case of high hazard dams and high remediation costs to confirm and justify the need for and the scale of the proposed remediation.

The chapter headings and structure of the bulletin are presented below:

Chapter Title and content

1 INTRODUCTION: INTERNAL EROSION AND DAM SAFETY

Gives information and statistics on failures caused by internal erosion on first filling of new dams and in existing dams.

2 AN OVERVIEW OF INTERNAL EROSION MECHANISMS

This chapter describes the entire process of internal erosion from the four modes of initiation, continuation or arrest by filter action, progression and formation of erosion pipes, detection of erosion, interventions to prevent erosion, and breach formation.

Note that breach formation is not dealt with elsewhere in the Bulletin. More details all other stages of the process are given in subsequent chapters, but reference back to Figures in Chapter 2 is made to avoid repetition.

3 INITIATION OF CONCENTRATED LEAK EROSION

Deals with the mechanics of internal erosion in concentrated leaks through cracks and openings. Also addresses the circumstances and locations where such openings occur. Fourteen situations are listed in which openings and concentrated leak erosion may occur.

4 INITIATION OF BACKWARD EROSION

Describes various methods, classical and new, for predicting if backward erosion leading to failure will occur. Discusses sand boils and their significance. Also describes ‘global backward erosion’.

5 INITIATION OF CONTACT EROSION

Deals with initiation of contact erosion of fine soils above and below coarse soils. Provides chart showing Darcy velocity in coarse soils that will initiate contact erosion in fine soils.

6 INITIATION OF SUFFUSION

Describes the suffusion process in which fine particles are eroded through the constrictions in the coarse soil matrix. Gives methods to identify soils susceptible to suffusion and the seepage gradient which will cause suffusion.

7 CONTINUATION OR INTERRUPTION OF EROSION BY FILTER ACTION

If erosion has initiated it may continue or it may be interrupted or arrested by filtering action in downstream materials in the dam or foundation. Various filter rules are given, and methods to predict the filtering capability of materials coarser than filter rules would require. Methods to assess whether these ‘filters’ will or will not ‘hold a crack’ (and therefore not arrest erosion) are also given.

8 PROGRESSION OF EROSION

The two conditions, hydraulic and mechanical, in which erosion will progress are given. Approaches to assessing if internal erosion will progress in concentrated leaks, and the rate of progression in concentrated leaks and other forms of internal erosion are discussed.

Progression may lead to breach, the final stage of the internal erosion process. Breach formation is dealt with only in Chapter 2.

9 ENGINEERING ASSESSMENT OF THE VULNERABILITY OF A DAM TO INTERNAL EROSION

Describes the eight steps to failure by internal erosion and approaches to making an engineering assessment of internal erosion. Three approaches are suggested, a deterministic or standards based approach, an engineering judgment approach supported by enumeration as far as possible, or quantitative risk assessment (QRA). It is recommended that the three approaches be used iteratively, making use of available information first and carrying out further investigations if more data will assist in making more definite decisions about the vulnerability of a dam to internal erosion. Loading conditions, design standards, and the importance of reliable information about the dam’s geometry, particularly zoning, and the properties of the soils in the dam and foundation are discussed. Failure mode identification, analysis, and screening to identify potential failure routes in which internal erosion could initiate, continue and progress is explained. Approaches to assist in decision making about the need for anti-erosion measures or reliance on monitoring are given.

10 REMEDIATION AND IMPROVEMENTS TO DAMS TO RESIST INTERNAL EROSION

This chapter gives an introduction to remediation options to assist in decision-making to conclude engineering assessments of the vulnerability of a dam to internal erosion. The main options - barriers and filters - are described. The importance of maintaining conduits through dams in good condition is explained. More is said about remediation in Volume 2 of the Bulletin.

11 SURVEILLANCE AND MONITORING

This chapter gives an introduction to monitoring options to assist in decision-making when making engineering assessments. The objectives and challenges of monitoring to give early warnings of internal erosion are discussed. Information on the rate of progression of internal erosion is given. Monitoring methods are listed and reviewed. More is said about monitoring in Volume 2 of the Bulletin.

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6 INITIATION DE LA SUFFUSION

Ce chapitre décrit le mécanisme de suffusion où les particules fines sont érodées à travers les constrictions de la matrice du sol grossier. Il donne des méthodes pour identifier les sols sensibles à la suffusion et pour évaluer le gradient hydraulique qui déclenche la suffusion.

7 CONTINUATION OU INTERRUPTION DE L’EROSION PAR FILTRATION

Si l’érosion s’est initiée, elle peut soit continuer, soit être stoppée par la filtration provoquée par les matériaux situés à l’aval dans le barrage ou sa fondation. Les lois de filtre ainsi que les méthodes d’évaluation de la capacité de filtration de matériaux plus grossiers que les filtres habituels sont rappelées. Des méthodes pour estimer si ces ‘filtres’ tiendront ou non une fissure ouverte’ (et en conséquence ne pourront arrêter l’érosion) sont aussi évoquées.

8 PROGRESSION DE L’EROSION

Les deux conditions, hydraulique et mécanique, nécessaires à la progression de l’érosion sont données. Les moyens d’évaluer la progression de l’érosion des écoulements préférentiels, la cinétique de progression et les autres formes d’érosion sont discutés.

La progression peut conduire à la rupture, qui est l’étape ultime du processus d’érosion. Le mécanisme de formation de brèche n’est évoqué que dans le Chapitre 2.

9 EVALUATION DU RISQUE D’EROSION INTERNE

Ce chapitre développe les huit étapes de la méthodologie d’évaluation du risque de rupture par érosion interne. Trois approches sont possibles : une approche déterministe ou à base de règlements, un diagnostic basé sur le jugement de l’ingénieur et s’appuyant aussi loin que possible sur des critères quantifiables ou bien l’analyse de risque quantitative (AQR).

Il est recommandé d’appliquer ces trois approches par étape, en utilisant d’abord les données disponibles et en entreprenant de nouvelles reconnaissances, si des informations supplémentaires renforçaient la solidité du diagnostic de la tenue du barrage à l’érosion interne. Les situations de chargement, les critères de conception et l’importance de la fiabilité des données au sujet de la géométrie, notamment le zonage, et les caractéristiques des matériaux du remblai et de la fondation sont discutés. L’identification du mode de rupture, l’analyse et le criblage des chemins d’érosion pouvant amener l’initiation, la continuation puis la progression de l’érosion interne à la rupture sont expliqués. Des éléments d’aide à la décision de parades à l’érosion ou de fiabilité de l’auscultation sont cités.

10 REPARATION

Ce chapitre introduit les options de réparation en appui à l’aide à la décision du diagnostic de risque d’érosion interne d’un barrage. Ces réparations sont principalement les écrans d’étanchéité et les filtres. L’importance de maintenir les conduites traversantes en bon état est soulignée. Ce point est développé dans le Volume 2 du bulletin.

11 SURVEILLANCE ET AUSCULTATION

Ce chapitre introduit les solutions d’auscultation comme aide à la décision du diagnostic. Les objectifs et les défis de l’auscultation pour une détection précoce de l’érosion interne sont discutés. Des données sur la cinétique de la progression de l’érosion interne sont fournies. Les méthodes d’auscultation sont listées et passées en revue. On donne plus de détails dans le Volume 2 de ce Bulletin.

12 METHODES D’EVALUATION DU RISQUE DE RUPTURE

Ce chapitre introduit les principales méthodes d’évaluation qualitatives ou quantitatives du risque d’érosion interne à utiliser comme aide à la décision dans les diagnostics.

13 TERMINOLOGIE DU PROCESSUS D’EROSION INTERNE – GLOSSAIRE INTERNATIONAL

La plupart des termes couramment utilisés dans le domaine de l’érosion interne sont définis dans le but de promouvoir un langage commun à la profession.

REFERENCES

Liste détaillée de références sur l’érosion interne jusqu’en 2012.

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7 CONTINUATION OR INTERRUPTION OF EROSION BY FILTER ACTION

If erosion has initiated it may continue or it may be interrupted or arrested by filtering action in downstream materials in the dam or foundation. Various filter rules are given, and methods to predict the filtering capability of materials coarser than filter rules would require. Methods to assess whether these ‘filters’ will or will not ‘hold a crack’ (and therefore not arrest erosion) are also given.

8 PROGRESSION OF EROSION

The two conditions, hydraulic and mechanical, in which erosion will progress are given. Approaches to assessing if internal erosion will progress in concentrated leaks, and the rate of progression in concentrated leaks and other forms of internal erosion are discussed.

Progression may lead to breach, the final stage of the internal erosion process. Breach formation is dealt with only in Chapter 2.

9 ENGINEERING ASSESSMENT OF THE VULNERABILITY OF A DAM TO INTERNAL EROSION

Describes the eight steps to failure by internal erosion and approaches to making an engineering assessment of internal erosion. Three approaches are suggested, a deterministic or standards based approach, an engineering judgment approach supported by enumeration as far as possible, or quantitative risk assessment (QRA). It is recommended that the three approaches be used iteratively, making use of available information first and carrying out further investigations if more data will assist in making more definite decisions about the vulnerability of a dam to internal erosion. Loading conditions, design standards, and the importance of reliable information about the dam’s geometry, particularly zoning, and the properties of the soils in the dam and foundation are discussed. Failure mode identification, analysis, and screening to identify potential failure routes in which internal erosion could initiate, continue and progress is explained. Approaches to assist in decision making about the need for anti-erosion measures or reliance on monitoring are given.

10 REMEDIATION AND IMPROVEMENTS TO DAMS TO RESIST INTERNAL EROSION

This chapter gives an introduction to remediation options to assist in decision-making to conclude engineering assessments of the vulnerability of a dam to internal erosion. The main options - barriers and filters - are described. The importance of maintaining conduits through dams in good condition is explained. More is said about remediation in Volume 2 of the Bulletin.

11 SURVEILLANCE AND MONITORING

This chapter gives an introduction to monitoring options to assist in decision-making when making engineering assessments. The objectives and challenges of monitoring to give early warnings of internal erosion are discussed. Information on the rate of progression of internal erosion is given. Monitoring methods are listed and reviewed. More is said about monitoring in Volume 2 of the Bulletin.

12 METHODS FOR ASSESSMENT OF THE LIKELIHOOD OF FAILURE OF A DAM BY INTERNAL EROSION

Gives an introduction to the main methods of qualitative and quantitative risk assessment for use as a further aid to decision-making when making engineering assessments.

13 TERMINOLOGY – INTERNAL EROSION PROCESSES – INTERNATIONAL GLOSSARY

Many of the terms commonly used in internal erosion are defined with the intention of encouraging the same usage by all practitioners

REFERENCES

A comprehensive list of internal erosion references to 2011-12.

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Reservoirs Act

Bureau of Reclamation

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2.1.1 Arrachement et transport

2.1.2. Les 4 principaux chemins

2.1.3. Les 4 phases du processus

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6

2.1.1. Particle detachment and transport

2.1.2. The four general failure paths

2.1.3. The four general phases

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2.1.1 Arrachement et transport

2.1.2. Les 4 principaux chemins

2.1.3. Les 4 phases du processus

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2.2.1. L’érosion de conduit

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2.1.1. Particle detachment and transport

2.1.2. The four general failure paths

2.1.3. The four general phases

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2.2.1. L’érosion de conduit

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2.2.1. Concentrated leaks

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2.2.2. Backward erosion

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2.2.2. L’érosion régressive

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L’érosion de fondations sableuses à l’abri d’un « toit »

__________________________________________________________________________ 11

L’érosion régressive globale

L’érosion regressive globale à partir de la pente aval

2.2.3. L’érosion de contact

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Backward erosion piping in sandy foundations below a roof

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2.2.2. Backward erosion

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Global backward erosion

Global backward erosion at downstream face

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2.2.4. Suffusion

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2.2.3. Contact erosion

et al

2.2.4. Suffusion

50

__________________________________________________________________________ 13

et al

5113

12

2.2.3. Contact erosion

et al

2.2.4. Suffusion

52

__________________________________________________________________________ 14

----

__________________________________________________________________________ 15

-

-

-

-

-

53

14

----

15

-

-

-

--

54

__________________________________________________________________________ 15

-

-

-

-

-

__________________________________________________________________________ 16

55

15

-

-

-

--

56

__________________________________________________________________________ 16

__________________________________________________________________________ 17

et al

57

16

58

__________________________________________________________________________ 17

et al

__________________________________________________________________________ 18

--

---

et al

59

17

et al

--

---

60

__________________________________________________________________________ 18

--

---

et al

61

18

62

__________________________________________________________________________ 19

Le Tableau 6 liste en fonction du type de barrage, les mécanismes de rupture par érosion interne

dans le remblai dû à des fissures ou des zones peu compactées. Le Tableau 6 s’applique également à l’érosion interne dans les fondations. La Fig. 10 dans la section 2.4 représente les types de barrage zoné.

Le Tableau 6 ne prend pas en compte les modes de ruptures provoqués par l’ouverture ou le

remplissage des fissures dans la fondation rocheuse, car le débit peut excéder la capacité de drainage de la recharge aval.

Tableau 6

Dépistage des mécanismes de ruptures fonction du zonage (cf. Fig. 9) (Foster et al, 2008)

Type de barrage (voir Fig. 10)

Mécanismes de rupture Élargissement du

renard Instabilité de talus Surverse due au tassement

Déchaussement du talus aval

0 Barrage homogène * Exclus, sauf si le remblai aval est sans cohésion

1 Barrage en terre avec filtres *

Exclus, sauf si le remblai aval est sans cohésion

2 Barrage en terre avec pied en enrochement *


3 Barrage en terre zoné

avec recharge en sable et grave

Exclus, sauf si le remblai aval peut

former un toit


4 Barrage zone en terre et enrochement


former un toit *

5 Barrage en enrochement avec un noyau central en

terre

Exclus, sauf si le remblai aval peut former un toit

Exclus, sauf si la stabilité du barrage est marginale

*

6 Barrage en terre à masque amont en béton *


7 Barrage d’enrochement à masque amont en béton Exclus

Exclus, sauf si le gravier du barrage est de faible perméabilité

* Exclus

8 Noyau d’argile corroyée * Exclus, sauf si le remblai aval est sans cohésion

9 Barrage en terre avec noyau en béton Exclus *


10 Barrage en enrochement avec noyau

en béton Exclus


*

11 Barrage par remblayage hydraulique


former un toit *

Légende : Exclus : Il ne s’agit pas d’un mécanisme de rupture potentiel Mécanisme potentiel de rupture * Mécanisme potentiel de rupture : généralement le plus critique

L’érosion interne par le processus de suffusion n’aboutit généralement pas à la formation d’un

conduit à travers le barrage ou sa fondation, en l’absence de claquage hydraulique. La probabilité de rupture par élargissement du conduit est donc faible.

Cependant il y a des situations où la suffusion peut mener à des pressions interstitielles

élevées en pied aval de la digue pouvant causer un claquage hydraulique du pied ou de la berme de recouvrement. La suffusion aboutit alors à une rupture critique par instabilité de talus ou déchaussement bien que les probabilités estimées soient généralement relativement faibles.

Il faut noter que les mécanismes de rupture sont uniquement traités dans cette section (2.7),

et ne sont pas traitées ailleurs dans le Bulletin.

__________________________________________________________________________ 19

__________________________________________________________________________ 19

Le Tableau 6 liste en fonction du type de barrage, les mécanismes de rupture par érosion interne

dans le remblai dû à des fissures ou des zones peu compactées. Le Tableau 6 s’applique également à l’érosion interne dans les fondations. La Fig. 10 dans la section 2.4 représente les types de barrage zoné.

Le Tableau 6 ne prend pas en compte les modes de ruptures provoqués par l’ouverture ou le

remplissage des fissures dans la fondation rocheuse, car le débit peut excéder la capacité de drainage de la recharge aval.

Tableau 6

Dépistage des mécanismes de ruptures fonction du zonage (cf. Fig. 9) (Foster et al, 2008)

Type de barrage (voir Fig. 10)

Mécanismes de rupture Élargissement du

renard Instabilité de talus Surverse due au tassement

Déchaussement du talus aval

0 Barrage homogène * Exclus, sauf si le remblai aval est sans cohésion

1 Barrage en terre avec filtres *


2 Barrage en terre avec pied en enrochement *


3 Barrage en terre zoné

avec recharge en sable et grave


former un toit


4 Barrage zone en terre et enrochement


former un toit *

5 Barrage en enrochement avec un noyau central en

terre

Exclus, sauf si le remblai aval peut former un toit


*

6 Barrage en terre à masque amont en béton *


7 Barrage d’enrochement à masque amont en béton Exclus

Exclus, sauf si le gravier du barrage est de faible perméabilité

* Exclus

8 Noyau d’argile corroyée * Exclus, sauf si le remblai aval est sans cohésion

9 Barrage en terre avec noyau en béton Exclus *


10 Barrage en enrochement avec noyau

en béton Exclus


*

11 Barrage par remblayage hydraulique


former un toit *

Légende : Exclus : Il ne s’agit pas d’un mécanisme de rupture potentiel Mécanisme potentiel de rupture * Mécanisme potentiel de rupture : généralement le plus critique

L’érosion interne par le processus de suffusion n’aboutit généralement pas à la formation d’un

conduit à travers le barrage ou sa fondation, en l’absence de claquage hydraulique. La probabilité de rupture par élargissement du conduit est donc faible.

Cependant il y a des situations où la suffusion peut mener à des pressions interstitielles

élevées en pied aval de la digue pouvant causer un claquage hydraulique du pied ou de la berme de recouvrement. La suffusion aboutit alors à une rupture critique par instabilité de talus ou déchaussement bien que les probabilités estimées soient généralement relativement faibles.

Il faut noter que les mécanismes de rupture sont uniquement traités dans cette section (2.7),

et ne sont pas traitées ailleurs dans le Bulletin.

63

18

Table 6 Screening of breach mechanisms for internal erosion related to the zoning type (see Fig. 9)

(Fell et al, 2008)

Dam Zoning Type (refer to Fig. 10)

Breach Mechanisms

Gross Enlargement Slope instability Overtopping by settlement

Unraveling of the

downstream face

0 Homogeneous earthfill * Exclude, except if downstream fill is

cohesionless

1 Earthfill with filters * Exclude, except if downstream fill is

cohesionless

2 Earthfill with rockfill toe * Exclude, except if downstream fill is

cohesionless

3 Zoned earthfill Exclude, except if

downstream fill can support a roof

Exclude, except if downstream fill is

cohesionless

4 Zoned earthfill and rockfill

Exclude, except if downstream fill can

support a roof *

5 Central core earth and rockfill (or gravel shells)

Exclude, except if downstream fill can

support a roof

Exclude, except if existing dam has marginal stability

*

6 Concrete face earthfill * Exclude, except if downstream fill is

cohesionless

7 Concrete face rockfill (including gravel fill) Exclude

Exclude, except if dam is gravel of low

permeability * Exclude

8 Puddle core earthfill * Exclude, except if downstream fill is

cohesionless

9 Earthfill with corewall Exclude * Exclude, except if downstream fill is

cohesionless

10 Rockfill with corewall Exclude Exclude, except if existing dam has marginal stability

*

11 Hydraulic fill Exclude, except if

downstream fill can support a roof

*

Key: Exclude: Not a potential breach mechanism Potential breach mechanism * Potential breach mechanism: usually the more critical one

19

et al

64

__________________________________________________________________________ 20

-

-

-

--

3.2.1. Fissures et claquage hydraulique dus au tassement différentiel rive à rive

et al et al

et al

et al

__________________________________________________________________________ 21

3.2.2. Fissures et claquage hydraulique dus au report de charge de rive à rive

et al

3.2.3. Fissures et claquage hydraulique dus au tassement différentiel de la fondation sous le noyau

et al

3.2.4 Petites irrégularités du profil de fondation sous le noyau

3.2.5 Fissures et claquage hydraulique dus au report de charge du noyau sur les recharges du barrage

et al et al

et al

65

20

-

-

-

--

3.2.1. Cracking and hydraulic fracture due to cross valley differential settlement of the core

et al et al

et al

et al

21

3.2.2. Cracking and hydraulic fracture due to cross valley arching

3.2.3. Cracking and hydraulic fracture due to differential settlement in the foundation under the core

et al

3.2.4. Cracking and hydraulic fracture due to small scale irregularities in the foundation profile under the core

3.2.5. Cracking and hydraulic fracture due to arching of the core onto the shoulders of the embankment

3.2.6. Crack or gap adjacent to a spillway or abutment walls and where concrete dams abut embankment dams

66

__________________________________________________________________________ 21

3.2.2. Fissures et claquage hydraulique dus au report de charge de rive à rive

et al

3.2.3. Fissures et claquage hydraulique dus au tassement différentiel de la fondation sous le noyau

et al

3.2.4 Petites irrégularités du profil de fondation sous le noyau

3.2.5 Fissures et claquage hydraulique dus au report de charge du noyau sur les recharges du barrage

et al et al

et al

67

21



et al




68

__________________________________________________________________________ 22

3.2.6 Fissures ou ouvertures le long de bajoyers d’évacuateur, murs de soutènement et raccordement à un barrage en béton

3.2.7. Érosion interne associée aux conduites traversantes

et al

69

22

3.2.7. Internal erosion associated with conduits embedded in the embankment

et al

-

21



et al




70

__________________________________________________________________________ 23

-et al.

et al

-

-

-

“Conduits through Embankment Dams, best practices for design, construction, problem identification and evaluation, inspection, maintenance, renovation and repair

et al

3.2.8. Fissures ou claquage hydraulique suite à l’effondrement de couches saturées faiblement compactées de sols cohésifs ou de sols grossiers silteux

et al

-

-

et al

__________________________________________________________________________ 24

3.2.9. Fissures de dessiccation

The International Levee Handbook et al

3.2.10. Fissures transversales suite à un tassement sismique

et al,et al

3.2.11. Fissures ou couches de grande perméabilité causées par le gel

et al

71

22

3.2.7. Internal erosion associated with conduits embedded in the embankment

et al

-

23

-

-

-

3.2.8. Cracking or hydraulic fracture resulting from collapse of poorly compacted layers in cohesive soils or in broadly graded silty soils

et al

-

-

3.2.9. Cracking due to desiccation

72

__________________________________________________________________________ 24

3.2.9. Fissures de dessiccation

The International Levee Handbook et al

3.2.10. Fissures transversales suite à un tassement sismique

et al,et al

3.2.11. Fissures ou couches de grande perméabilité causées par le gel

et al

__________________________________________________________________________ 25

et al

et al

et al

et al

3.2.12. Érosion interne initiées par des terriers d’animaux

“Impacts of animals on Earthen Dams, FEMA Report 473

73

23

-

-

-

3.2.8. Cracking or hydraulic fracture resulting from collapse of poorly compacted layers in cohesive soils or in broadly graded silty soils

et al

-

-

3.2.9. Cracking due to desiccation

24

3.2.10. Transverse cracking caused by settlement during earthquakes

3.2.11. Cracking or high permeability layers due to freezing

et al

et al

et al

74

__________________________________________________________________________ 25

et al

et al

et al

et al

3.2.12. Érosion interne initiées par des terriers d’animaux

“Impacts of animals on Earthen Dams, FEMA Report 473

__________________________________________________________________________ 26

3.2.13. Érosion interne initiées par la végétation

--

-

--

Technical Manual for Dam Owners, Impacts of Plants on Earthen damset al

3.2.14. Importance des conduites, des bajoyers d’évacuateurs, des mécanismes de fissuration et des zones mal compactées

et al

--

et al

3.3.1. La procédure

75

25

et al

et al

et al

3.2.12. Internal erosion initiated by the effects of animal burrows

3.2.13. Internal erosion initiated by the effects of vegetation

--

26

-

--

et al

3.2.14. Relative importance of conduits, spillway walls, cracking mechanisms, and poorly compacted zones

et al

--

et al

3.3.1. The procedure

76

__________________________________________________________________________ 26

3.2.13. Érosion interne initiées par la végétation

--

-

--

Technical Manual for Dam Owners, Impacts of Plants on Earthen damset al

3.2.14. Importance des conduites, des bajoyers d’évacuateurs, des mécanismes de fissuration et des zones mal compactées

et al

--

et al

3.3.1. La procédure

__________________________________________________________________________ 27

3.3.2. Estimation de la largeur et de la profondeur d’une fissure

et al et al

et al

77

26

-

--

et al

3.2.14. Relative importance of conduits, spillway walls, cracking mechanisms, and poorly compacted zones

et al

--

et al

3.3.1. The procedure

27

3.3.2. Estimation of width and depth of cracks

78

__________________________________________________________________________ 27

3.3.2. Estimation de la largeur et de la profondeur d’une fissure

et al et al

et al

__________________________________________________________________________ 28

79

27

3.3.2. Estimation of width and depth of cracks

80

__________________________________________________________________________ 29

3.3.3. Estimation de la contrainte de cisaillement hydraulique

et al

-----

LdgH f

wLWHWgH

f

fw

81

28

3.3.3. The estimation of hydraulic shear stresses in cracks and erosion pipes

et al

-----

LdgH f

wLWHWgH

f

fw

82

__________________________________________________________________________ 30

w

g

fHLdW

3.3.4. Estimation de la résistance à l’érosion d’un noyau de barrage

et al

__________________________________________________________________________ 31

et al

et al

et al

83

29

w

g

fHLdW

3.3.4. Estimation of erosion resistance of dam cores

84

__________________________________________________________________________ 31

et al

et al

et al

__________________________________________________________________________ 30

En l’absence de valeurs provenant d’essais en laboratoire, l’Indice de cinétique d’érosion

représentatif (ĨHET) peut être approximativement estimé à partir des propriétés du sol. Le Tableau 10 a été conçu à partir de données d’essais en laboratoire pour donner une première approximation des valeurs probables de l’ĨHET en fonction de la classification du sol non-dispersif.

Tableau 10

Indice de cinétique d’érosion représentatif (ĨHET) en fonction de la classification des sols non-dispersifs basée sur Wan et Fell (2002)

Classification Unifiée des Sols

Indice de cinétique d’érosion représentatif (ĨHET) Minimum Possible Meilleure Estimation Maximum Possible

SM avec < 30% fines 1 <2 2.5 SM avec > 30% fines <2 2 à 3 3.5 SC avec < 30% fines <2 2 à 3 3.5 SC avec >30% fines 2 3 4

ML 2 2 à 3 3 CL-ML 2 3 4

CL 3 3 à 4 4.5 CL-CH 3 4 5

MH 3 3 à 4 4.5 CH avec une Limite de Liquidité < 65% 3 4 5 CH avec une Limite de Liquidité > 65% 4 5 6

Notes : (1) Utiliser la valeur de la Meilleure Estimation pour obtenir de meilleures probabilités. Vérifier la cohérence si le résultat est très éloigné. (2) Pour d’importante décision il faut réaliser l’Essai d’érosion de trou plutôt que de s'appuyer sur ce tableau qui reste approximatif.

La contrainte de cisaillement critique est liée à l’indice de cinétique d’érosion. Une estimation

approximative et l’intervalle probable de la contrainte de cisaillement critique (c) sont donnés dans le Tableau 11, ils doivent être utilisés avec précaution, lorsque les valeurs de l’essai d’érosion de trou (HET) ne sont pas disponibles.

Tableau 11

Estimations approximatives et intervalle probable de la contrainte de cisaillement critique (c) versus l’indice de cinétique d’érosion (IHET) (Fell et al 2008)

Indice de cinétique d’érosion (IHET)

Contrainte de Cisaillement Critique pour initier l’érosion (c) Pa Sol avec un Comportement Non Dispersif Sol avec un Comportement Dispersif

Meilleure estimation Intervalle probable

Meilleure estimation Intervalle probable

<2 2 1 à 5 1 0.5 à 2 2 à 3 2 1 à 5 1 0.5 à 2 3.5 5 2 à 20 2 1 à 5 4 25 10 à 50 5 2 à 10 5 60 25 à 100 5 2 à 10 6 100 60 à 140 5 2 à 10

Note : valeurs à utiliser avec précaution. Pour des risques importants, utiliser l’Essai d’érosion de trou pour déterminer la Contrainte de Cisaillement Critique (c)

Il faut souligner qu'il est préférable d'effectuer une série d’Essais d’Érosion de Trou avec

différentes charges hydrauliques ou d’utiliser la méthode de Bonelli et al (2007) ; Bonelli et Brivois (2008) pour définir la contrainte de cisaillement critique (c) plutôt que d’utiliser ces tableaux.

Marot et al (2011) ont effectué une série d’essais d’érosion de trou (HET) et d’érosion de jet

(JET) sur différentes granulométries de sols fins, couvrant un large intervalle d’érodabilité. Ils ont montré que les méthodes généralement utilisées (JET et HET) donnent un coefficient d’érosion et une contrainte de cisaillement critique différents. De plus les classifications relatives des sols provenant des deux essais d’érosion ne sont pas identiques. L’Indice de Résistance à l’Érosion, basé sur une approche énergétique, est déterminé avec les deux appareils (JET et HET) et une classification de la résistance à l’érosion de surface est proposée. Pour les deux appareils, les valeurs de l’indice de résistance à l’érosion sont sensiblement voisines pour chaque sol et une seule classification de l’érosion des sols est obtenue.

__________________________________________________________________________ 32

3.3.5. Application du critère d’initiation d’érosion de conduit

3.3.6. Importance des sols dispersifs

Qu’est-ce qu’un sol dispersif ?

et al

et al.

8530

c

et al

3.3.5. Applying the concentrated leak criteria

86

__________________________________________________________________________ 32

3.3.5. Application du critère d’initiation d’érosion de conduit

3.3.6. Importance des sols dispersifs

Qu’est-ce qu’un sol dispersif ?

et al

et al.

__________________________________________________________________________ 33

et al.

Comment peut-on identifier les sols dispersifs ?

(Standards Australia

Conservation Service

et al.

et al

et al

xdissousselTotalCEC

Na

MgCaNa

8731

3.3.6. Importance of dispersive soils

What are dispersive soils?

How can dispersive soils be identified?

30

c

et al

3.3.5. Applying the concentrated leak criteria

88

__________________________________________________________________________ 33

et al.

Comment peut-on identifier les sols dispersifs ?

(Standards Australia

Conservation Service

et al.

et al

et al

xdissousselTotalCEC

Na

MgCaNa

__________________________________________________________________________ 32

Sherard et al. (1976) ont cependant réalisé l’Essai de trou d’épingle sur quelques sols dispersifs contenant un % de passant 0.005 mm > 50%. Le meilleur comportement des argiles à forte plasticité est probablement lié à une plus grande résistance à l’érosion et à une plus grande aptitude à la fermeture des fissures par gonflement.

Sur la base de leurs essais, Sherard et al. (1976) indiquent que les sols avec moins de 10% de

fines de dimension inférieure à 0.005 mm semblent ne pas avoir assez d’argile pour éviter l’effondrement du conduit dans un sol dispersif.

Comment peut-on identifier les sols dispersifs ? Il existe plusieurs essais en laboratoire pouvant déterminer le caractère dispersif d’un sol :

a) La classification d’Emerson (Standards Australia (1997) ; essai AS 1289, 3.81 et USBR (1979). L’essai est réalisé avec de l’eau distillée, mais peut être répété avec de l’eau du barrage ou les eaux souterraines. Il donne souvent des résultats très différents à cause de la présence dans l’eau de sel dissous (une teneur en sel élevée donne une dispersion plus faible). Les sols sont divisés en fonction de leur classe, la Classe 1 sont les sols très dispersifs, Classe 8 sont les sols non dispersifs. Les sols de classe Emerson entre 1 et 4 sont à utiliser avec une extrême précaution pour la construction d’un barrage.

b) Essai de dispersion SCS (Soil Conservation Service) aussi connu comme l’essai du double hydromètre ou l’essai du pourcentage dispersif (ASTM 2001 essai D42291-99). Sherard et al. (1976) montrent que les sols, avec un pourcentage de sol dispersif supérieur à 50 %, sont plus susceptibles de provoquer la rupture des barrages par dispersion, alors que ceux avec un pourcentage inférieur à 15 % ne le sont pas. Cet essai et l’essai du « triple » hydromètre dans lesquels la dispersion du sol se fait également avec de l’eau du réservoir, comparent la dispersion dans l’eau à la dispersion qui se produit à l’aide d’un dispersant utilisé comme déflocculant comme ce qui est réalisé dans les essais standards en laboratoire.

c) L’essai de trou d’épingle, aussi connu comme l’essai Sherard de trou d’épingle (ASTM 1998 ; test D4647-93). Sherard et al (1976) ont remarqué que les sols classés D1 et D2 souffrent de rupture par érosion de conduit dans les barrages en terre, et de dommages sévères par érosion lors de précipitations sur les remblais et les dépôts naturels alors que ceux classés comme ND1 et ND2, ne le sont pas. Comme le numéro de classe Emerson, les résultats dépendent de la composition chimique de l’eau utilisée pour l’essai (l’essai standard utilise de l’eau distillée).

d) Essais chimiques. Basés sur la corrélation entre les nombreuses ruptures de barrage et le sol des barrages qui ont présenté des fuites ininterrompues (sans aucun filtre pour contrôler l’érosion) sans rompre (Sherard et al, 1976). Ces essais proposent de déterminer le caractère dispersif des sols à partir du pourcentage de sodium échangeable et du taux d’absorption du sodium définis par : Pourcentage de sodium échangeable (ESP) qui est le pourcentage de la quantité de sodium échangeable Na+ sur la quantité de cations échangeables (CEC) avec pour unité : meq/100g de sol sec. Les sols dont l’ESP est supérieur ou égal à 10, qui sont susceptibles d’avoir des sels libres entrainés par une eau de percolation relativement pure, sont classés dispersifs.

ESP = 100)(

xdissousselTotalCEC

Na

ou = 100xK+Na+Mg+Ca

Na++++++

+

Le taux d’absorption de sodium (SAR) est :

__________________________________________________________________________ 34

et al

Soil Conservation Service, pinhole, Emerson and chemical test

et al

-

-

-

Impact de la dispersivité sur la loi d’érosion

Impact de la dispersivité sur les filtres

89

32

MgCaNa

et al

-

-

-

Effect of dispersion on erosion properties

31

3.3.6. Importance of dispersive soils

What are dispersive soils?

How can dispersive soils be identified?

90

__________________________________________________________________________ 34

et al

Soil Conservation Service, pinhole, Emerson and chemical test

et al

-

-

-

Impact de la dispersivité sur la loi d’érosion

Impact de la dispersivité sur les filtres

91

33

Effect of dispersion on filter design and assessment 32

MgCaNa

et al

-

-

-

Effect of dispersion on erosion properties

92

__________________________________________________________________________ 34

4.2.1. L’érosion régressive dans une fondation sableuse

et al.

et al

et al

__________________________________________________________________________ 36

et al et al et alet al

Phase 1 Écoulement dans la couche perméable

Phase 2 Érosion régressive

Phase 3 Elargissement du conduit

Phase 4 Rupture

93

34

4.2.1. The process in sandy foundations of dams or dikes

et al

et al

et al

94

__________________________________________________________________________ 36

et al et al et alet al

Phase 1 Écoulement dans la couche perméable

Phase 2 Érosion régressive

Phase 3 Elargissement du conduit

Phase 4 Rupture

__________________________________________________________________________ 37

4.2.2. Érosion régressive globale dans les barrages ou les digues

4.2.3. Érosion régressive conduisant au déchaussement du parement aval

__________________________________________________________________________ 37



__________________________________________________________________________ 37



95

35

Phase 1 Seepage occurs in the permeable strata

Phase 2. Backward Erosion

Phase 3. Widening of the channel

Phase 4 Failure and Breakthrough

36

4.2.2. The process within a dam, levee or dike

4.2.3. The process causing unraveling at the downstream face

4.3.1 Backward erosion in sandy foundations

Terzaghi and Peck (1948)

96

__________________________________________________________________________ 37



__________________________________________________________________________ 38

4.3.1. Érosion régressive dans les fondations sablonneuses

Terzaghi et Peck (1948)

US Army Corps of Engineers (USACE) (1993)

97

36

4.2.2. The process within a dam, levee or dike

4.2.3. The process causing unraveling at the downstream face

4.3.1 Backward erosion in sandy foundations

Terzaghi and Peck (1948)

98

__________________________________________________________________________ 38

4.3.1. Érosion régressive dans les fondations sablonneuses

Terzaghi et Peck (1948)


__________________________________________________________________________ 39

L1

99

37


100

__________________________________________________________________________ 39

L1

__________________________________________________________________________ 40

Méthode de Sellmeijer

et al et al

DL

DFL

HLDcFFFRDUKASd70

101

37


38

The Sellmeijer method

DL

DFL

102

__________________________________________________________________________ 40

Méthode de Sellmeijer

et al et al

DL

DFL

HLDcFFFRDUKASd70

__________________________________________________________________________ 41

et al

et al

et al

et al

103

38

The Sellmeijer method

DL

DFL

39

et al

et al

104

__________________________________________________________________________ 41

et al

et al

et al

et al

__________________________________________________________________________ 42

Méthode hydraulique d’Hoffmans

dd z,c H

105

39

et al

et al

40

FS

et al

et al

Hoffman’s Hydraulic Approach

K d dD L

106

__________________________________________________________________________ 42

Méthode hydraulique d’Hoffmans

dd z,c H

__________________________________________________________________________ 43

D d g

(H1 – H2) L

H1

HK K

c

c L

L L

f f ,

s

am,c D am,c

c

c

Méthode de Schmertmann

et al

107

40

FS

et al

et al

Hoffman’s Hydraulic Approach

K d dD L

41

D d g

(H1 – H2) L

K c L

L

s

D am,c

c

c

Schmertmann’s Method

108

__________________________________________________________________________ 44

Observations de terrain

US Army Corps of Engineers

et al

__________________________________________________________________________ 43

D d g

(H1 – H2) L

H1

HK K

c

c L

L L

f f ,

s

am,c D am,c

c

c

Méthode de Schmertmann

et al

109

42

Some field observations

4.3.2. Global backward erosion in dam cores

41

D d g

(H1 – H2) L

K c L

L

s

D am,c

c

c

Schmertmann’s Method

110

__________________________________________________________________________ 44

Observations de terrain

US Army Corps of Engineers

et al

__________________________________________________________________________ 45

4.3.2. Érosion régressive globale de noyaux de barrages

et al et al

111

42

Some field observations

4.3.2. Global backward erosion in dam cores

43

112

__________________________________________________________________________ 45

4.3.2. Érosion régressive globale de noyaux de barrages

et al et al

__________________________________________________________________________ 45

et al

et al

et al et al et al

4.3.3. Érosion régressive du parement

qSd

4.3.4. Approches empiriques de Bligh et Lane

113

43

44

4.3.3. Global backward erosion causing unraveling at the downstream face

qSd

4.3.4. Empirical approaches of Bligh and Lane

114

__________________________________________________________________________ 45

et al

et al

et al et al et al

4.3.3. Érosion régressive du parement

qSd

4.3.4. Approches empiriques de Bligh et Lane

__________________________________________________________________________ 47

4.3.5. Approche russe

et al et al et al

et al

-

--

115

44

4.3.3. Global backward erosion causing unraveling at the downstream face

qSd

4.3.4. Empirical approaches of Bligh and Lane

45

4.3.5. The Russian Design Methods

---

- k- q

116

__________________________________________________________________________ 47

4.3.5. Approche russe

et al et al et al

et al

-

--

__________________________________________________________________________ 48

- k--

Jcr Jcr,m Vcr

--

-

-

--

Jest,m

n

117

45

4.3.5. The Russian Design Methods

---

- k- q

46

- JcrJcr, Vcr

--

-

-

--

n

118

__________________________________________________________________________ 48

- k--

Jcr Jcr,m Vcr

--

-

-

--

Jest,m

n

__________________________________________________________________________ 49

Jcr,m

Jcr,m

Jcr,m

Jcr,m

Jcr,m

Jest

Jcr ocrV

J, V

n

119

46

- JcrJcr, Vcr

--

-

-

--

n

47

Jcr

J V

120

__________________________________________________________________________ 50

121

48

122

__________________________________________________________________________ 50

5.3.1. Conditions géométriques et hydrauliques

Condition géométrique

Condition hydraulique

et alet al et al et al

et al

__________________________________________________________________________ 51

5.3.2. Sol fin sans cohésion au-dessous d’une couche de sol grossier

et al

123

49

5.3.1. Geometrical and hydraulic conditions

Geometrical condition

Hydraulic condition

49

5.3.1. Geometrical and hydraulic conditions

Geometrical condition

Hydraulic condition

124

__________________________________________________________________________ 51

5.3.2. Sol fin sans cohésion au-dessous d’une couche de sol grossier

et al

__________________________________________________________________________ 53

nD s w

Ucrit

am,c

Ucrit

et al

5.3.3. Érosion des sols fins cohérents (particules < 75 µm)

et al

__________________________________________________________________________ 53

nD s w

Ucrit

am,c

Ucrit

et al


et al

125

51

5.3.2. Fine cohesionless soil below a coarse soil layer

51

d

5.3.3. Silt and clay erosion (particles < 75µm)

et al

et al

5.3.4. Fine soil above a coarse soil layer

126

__________________________________________________________________________ 53

nD s w

Ucrit

am,c

Ucrit

et al


et al

__________________________________________________________________________ 54

et al Ucrit

et al

5.3.4. Sol fin au-dessus d’une couche de sol grossier

et al

5.3.5. Influence de l’uniformité de la granulométrie

127

51

d

5.3.3. Silt and clay erosion (particles < 75µm)

et al

et al

5.3.4. Fine soil above a coarse soil layer

52

5.3.5. Influence of uniformity

128

__________________________________________________________________________ 54

et al Ucrit

et al

5.3.4. Sol fin au-dessus d’une couche de sol grossier

et al

5.3.5. Influence de l’uniformité de la granulométrie

129

52

5.3.5. Influence of uniformity

130

__________________________________________________________________________ 55

- Critère 1

- Critère 2

__________________________________________________________________________ 56

- Critère 3

6.2.1. Les sols suffusifs

-----

et al

6.2.2. Prise en compte de la ségrégation

131

53

- Criterion 1:

- Criterion 2:

132

__________________________________________________________________________ 56

- Critère 3

6.2.1. Les sols suffusifs

-----

et al

6.2.2. Prise en compte de la ségrégation

__________________________________________________________________________ 57

--

-

-

6.3.1. Pourcentage maximal de fines suffusives

133

54

- Criterion 3:

6.2.1. Soils subject to suffusion

-----

6.2.2. The effect of segregation

134

__________________________________________________________________________ 57

--

-

-

6.3.1. Pourcentage maximal de fines suffusives

__________________________________________________________________________ 58

el al.

el al

6.3.2. Méthodes basées sur les critères géométriques

Méthode de Kenney et Lau

__________________________________________________________________________ 58

el al.

el al



135

55

---

-

6.3.1 Maximum proportion of suffusive fines

et al.

136

__________________________________________________________________________ 58

el al.

el al



__________________________________________________________________________ 59

Méthode de Witt

137

56

et al.

6.3.2. Methods based on geometric criteria

Kenney and Lau method

56

et al.

6.3.2. Methods based on geometric criteria

Kenney and Lau method

138

__________________________________________________________________________ 59

Méthode de Witt

__________________________________________________________________________ 60

Adaptation de Wan et Fell à partir de la méthode de Burenkova

Plus grosse particule érodable par suffusion

et al

et al

Quelques commentaires généraux

__________________________________________________________________________ 60



et al

et al


__________________________________________________________________________ 60



et al

et al


139

57

Witt method

Wan and Fell adaptation of the Burenkova method

57

Witt method


57

Witt method


57

Witt method


57

Witt method


58

Largest erodible particles

Some general comments

6.3.3. The hydraulic criterion based on critical gradient

140

__________________________________________________________________________ 60



et al

et al


__________________________________________________________________________ 61

6.3.3. Critère hydraulique basé sur le gradient critique

et al

141

58

Largest erodible particles

Some general comments

6.3.3. The hydraulic criterion based on critical gradient

59

142

__________________________________________________________________________ 61

6.3.3. Critère hydraulique basé sur le gradient critique

et al

__________________________________________________________________________ 62

et al

143

59

60

A note of caution about determination of critical gradient

144

__________________________________________________________________________ 62

et al

__________________________________________________________________________ 63

et al

Précautions concernant la valeur du gradient critique

145

60

A note of caution about determination of critical gradient

146

__________________________________________________________________________ 64

7.2.1. L’érosion interne dans les remblais

-

-

--

__________________________________________________________________________ 65

-

-

- Rétention Sans Érosion

- Rétention après une Érosion mineure

- Rétention après une Érosion Significative

- Érosion Continue

147

61

7.2.1. Internal erosion in the embankment

----

148

63

-

-

- Seals with No Erosion

- Seals with Some Erosion

- Seals with Excessive Erosion

- Continuing Erosion

149

63

The manner in which the likelihood of continuation of erosion for these scenarios is considered differently:

Scenario 1: There is no potential for filtering. Continuing erosion is certain. Scenario 2: The issue for this scenario is whether the crack/high permeability feature that is present through the core is continuous through the downstream shoulder, or if not, whether it can find an exit. This depends on the following factors:

- The mechanism causing the concentrated leak, in particular whether it also causes cracking in the shoulder.

- The material characteristics and width of the downstream shoulder zone. Scenario 3: Assess the likelihood of the filter or transition zone being effective using filter design criteria as detailed in Section 7.3.1. For existing dams where many filters do not satisfy modern no-erosion design criteria it is suggested that a four way split for filtering behavior is considered (see Section 7.3.4):

- Seals with No Erosion – the filtering material stops erosion with no or very little erosion of the material it is protecting. The increase in leakage flows is so small that it is unlikely to be detectable.

- Seals with Some Erosion – the filtering material initially allow erosion from the soil it is protecting, but it eventually seals up and stops erosion. Leakage flows due to piping can be up to 100 l/s, but are self healing.

- Seals with Excessive Erosion – the filtering material allows erosion from the material it is protecting, and in the process permits large increases in leakage flow (up to 1000 l/s), but the flows are self healing. The extent of erosion is sufficient to cause sinkholes on the crest and erosion tunnels through the core.

- Continuing Erosion – the filtering material is too coarse to stop erosion of the material it is protecting and continuing erosion is permitted. Unlimited erosion and leakage flows are likely.

This approach often shows that filters which do not satisfy modern filter design criteria will after

some erosion of the soil being filtered eventually seal with medium size particles eroded from the protected soil. Provided the embankment can accommodate the leakage that occurs up to the time the filters seal, the dam will not fail. In some cases erosion will initiate again adjacent to the original area due to changed leakage pathways, causing a second incident.

150

__________________________________________________________________________ 66

et al

__________________________________________________________________________ 67

7.2.2. L’érosion interne du remblai vers et dans la fondation

Érosion à travers des ouvertures de la fondation Situation 4 de la Fig. 32

Érosion à travers le sol granulaire grossier des fondations

7.2.3. L’érosion interne en fondation

et al

__________________________________________________________________________ 66

et al

151

63

7.2.2. Internal erosion of the embankment at or into the foundation

64

Scenarios Exemples

Scenario 1: Homogeneous zoning with no fully intercepting filter

Scenario 2:

Downstream shoulder of fine grained cohesive material which is capable of holding a crack/pipe.

Scenario 3: Filter/transition zone is present downstream of the core or a downstream shoulder zone which is not capable of holding a crack/pipe.

Scenario 4:

Piping into an open defect, joint or crack.

Scenario 5:

Erosion into a toe drain

Fig. 32 Scenarios for continuation of internal erosion in embankments, from embankments into foundations,

adjoining structures and into toe drains (Fell et al, 2008) Scénario 4: For erosion to continue through an open defect, the defect needs to be sufficiently open to allow the soil particles surrounding the defect to pass through it. The suggested procedure for examining this is given in Section 7.3.5. Scénario 5: This scenario is applicable if the failure path under consideration involves a seepage path that exits into a toe drain which could lead to continuing erosion of the embankment or foundation materials. The assessment considers the design and construction details of the toe drain, whether filter criteria are met, and the observed condition of the toe drain (from video or external inspections).

1

HOMOGENEOUS EARTHFILL

3

2

13

INTERNAL EROSION ABOVE CORE AND FILTERS

1

EARTHFILL WITH TOE DRAIN, INTERNAL EROSION ABOVE TOE DRAIN

1


1


3

2

13


3

2

13


1


1


1


11A

ZONED EARTHFILL WITH COHESIVE SHELLS

1A2

1

INTERNAL EROSION ABOVE FILTER ZONE, COHESIVE DOWNSTREAM SHELL

1A1A11A


1A11A


1A2

1


1A1A 21


1A1A

1

21 3

2

13

31

3

EARTHFILL WITH CHIMNEY FILTER ZONED EARTHFILL WITH CHIMNEY FILTER

ZONED EARTHFILL WITH GRANULAR SHELLS

1

21

1

21 3

2

13 3

2

13

31

3 31

3

EARTHFILL WITH CHIMNEY FILTER ZONED EARTHFILL WITH CHIMNEY FILTER

ZONED EARTHFILL WITH GRANULAR SHELLS

SOIL

CONDUIT

EROSION INTO OPEN JOINTS IN ROCK FOUNDATION

SOIL

OPEN JOINTED ROCK

EROSION INTO AN OPEN CRACK OR JOINT IN A CONDUIT OR WALL

SOIL

CONDUIT

EROSION INTO OPEN JOINTS IN ROCK FOUNDATION

SOIL

OPEN JOINTED ROCK

EROSION INTO AN OPEN CRACK OR JOINT IN A CONDUIT OR WALL

1

INTERNAL EROSION THROUGH THE EMBANKMENT INTO A TOE DRAIN

1

INTERNAL EROSION THROUGH THE FOUNDATION INTO A TOE DRAIN

1

INTERNAL EROSION THROUGH THE EMBANKMENT INTO A TOE DRAIN

1

INTERNAL EROSION THROUGH THE FOUNDATION INTO A TOE DRAIN

152

__________________________________________________________________________ 67





et al

153

63

7.2.2. Internal erosion of the embankment at or into the foundation

64

Erosion into open joints in the foundation (Scenario 4 in Fig. 32).

Erosion into coarse grained soil foundation

7.2.3. Internal erosion in the foundation

et al

7.3.1. Assessment of continuation or interruption of erosion through the embankment

154

__________________________________________________________________________ 67





et al

__________________________________________________________________________ 67

7.3.1. Méthodologie pour l’évaluation de la continuation ou l’interruption de l’érosion dans le remblai

et alet al

155

64

Erosion into open joints in the foundation (Scenario 4 in Fig. 32).

Erosion into coarse grained soil foundation

7.2.3. Internal erosion in the foundation

et al

7.3.1. Assessment of continuation or interruption of erosion through the embankment

65

et al

156

__________________________________________________________________________ 69

7.3.2. Les fonctions d’un filtre

RétentionAuto filtration ou stabilité

Non cohésionDrainage

Résistance

Rétention du filtre

et al

157

65

et al

66

7.3.2. Filter functions

Retention

Self-Filtration or stability

No cohesionDrainage

Strength.

Filter Retention

et al

158

__________________________________________________________________________ 70

et al

et al et al

et al

159

66

7.3.2. Filter functions

Retention

Self-Filtration or stability

No cohesionDrainage

Strength.

Filter Retention

et al

67

et al

No cohesion (filter will not hold a crack)

Self-filtration or stability

160

__________________________________________________________________________ 71

et al et al

Absence de cohésion (le filtre ne maintient pas une fissure ouverte)

et al

et al

Auto-filtration ou stabilité granulométrique

Drainage

Résistance

7.3.3. Critère de rétention totale des filtres granulaires

Critère basé sur la granulométrie – Sherard et Dunnigan (1989)

161

67

et al

No cohesion (filter will not hold a crack)

Self-filtration or stability

68

Drainage

Strength

7.3.3. Criteria for no-erosion filters

Particle Size Based Criteria-Sherard and Dunnigan (1989)

Impervious Soil Group 1



Impervious Soil Group 4:

162

__________________________________________________________________________ 71

et al et al

Absence de cohésion (le filtre ne maintient pas une fissure ouverte)

et al

et al

Auto-filtration ou stabilité granulométrique

Drainage

Résistance

7.3.3. Critère de rétention totale des filtres granulaires

Critère basé sur la granulométrie – Sherard et Dunnigan (1989)

__________________________________________________________________________ 72

Sol Imperméable du Groupe 1




Méthodes basées sur le diamètre des constrictions ou le diamètre équivalent des vides

__________________________________________________________________________ 72






163

68

Drainage

Strength

7.3.3. Criteria for no-erosion filters

Particle Size Based Criteria-Sherard and Dunnigan (1989)




Impervious Soil Group 4:

69

Methods based on constriction size or opening size

Methods based on the permeability of the filter

164

__________________________________________________________________________ 72






__________________________________________________________________________ 73

et alet al

Méthodes basées sur la perméabilité du filtre

et al

165

69

Methods based on constriction size or opening size

Methods based on the permeability of the filter

70

166

__________________________________________________________________________ 73

et al

et alet al

et al

et al

et al

__________________________________________________________________________ 75

et al

7.3.4. Critères de continuation

et al

---

et al

167

71

71

et al

et al

7.3.4. Continuation criteria

et al

---

168

__________________________________________________________________________ 75

et al

7.3.4. Critères de continuation

et al

---

et al

169

71

et al

et al

7.3.4. Continuation criteria

et al

---

72

170

__________________________________________________________________________ 76

et al

-

-

et al-

-

171

72

74

-

-

et al-

-

et al

et al

172

__________________________________________________________________________ 77

et al

et al

7.3.5. Continuation vers la fondation ou les structures traversantes

et al

et al

et al,

173

73

-

-

et al-

-

et al

et al

74

7.3.5. Continuation into an open defect, joint or crack

et al,

174

__________________________________________________________________________ 78

8.1.1. Condition hydraulique

-

-

-

-

8.1.2. Condition mécanique

175

75

8.1.1. Hydraulic condition

-

-

-

-

8.1.2. Mechanical condition

176

__________________________________________________________________________ 79

--

-

8.3.1. La condition de stabilité du toit du conduit

-

-

et al

177

75

8.1.1. Hydraulic condition

-

-

-

-

8.1.2. Mechanical condition

76

---

8.3.1. Soil conditions to hold the roof over developing erosion pipes

-

-

et al

178

__________________________________________________________________________ 80

et al

8.3.2. Les conditions du colmatage des fissures

8.3.3 Les conditions de limitation de l’écoulement

et al

179

76

---

8.3.1. Soil conditions to hold the roof over developing erosion pipes

-

-

et al

77

8.3.2. Conditions for crack filling

8.3.3. Conditions for flow limitation

8.3.4. Rate of development of concentrated leaks

180

__________________________________________________________________________ 80

8.3.4. Vitesse de l’érosion de conduit

181

77

8.3.2. Conditions for crack filling

8.3.3. Conditions for flow limitation

8.3.4. Rate of development of concentrated leaks

78

8.3.5. Rate of progression of the overall process of internal erosion

182

__________________________________________________________________________ 82

8.3.5. Vitesse de progression du processus global

183

78

8.3.5. Rate of progression of the overall process of internal erosion

184

__________________________________________________________________________ 83

185

79

186

__________________________________________________________________________ 83

__________________________________________________________________________ 84

9.2.1. Approche déterministe ou fondée sur des règlements

9.2.2 Jugement de l’ingénieur ou approche qualitative

187

79

80

9.2.1. Deterministic or Standards-Based Approach

9.2.2. Engineering Judgment

188

__________________________________________________________________________ 85

9.2.3. Évaluation Quantitative du Risque

9.2.4 L'utilisation des trois approches

__________________________________________________________________________ 86

189

80

9.2.1. Deterministic or Standards-Based Approach

9.2.2. Engineering Judgment

81

9.2.3. Quantitative Risk Assessment

9.2.4. Use of the three approaches

190

__________________________________________________________________________ 86

__________________________________________________________________________ 87

9.4.1. L’effet du niveau de la retenue sur l’érosion interne

9.4.2. Prise en considération des niveaux de retenue dans l’évaluation

Approche déterministe

Jugement de l’ingénieur

Évaluation Quantitative du Risque

191

81

9.2.3. Quantitative Risk Assessment

9.2.4. Use of the three approaches

82

9.4.1. The effect of reservoir level on internal erosion

192

__________________________________________________________________________ 87

9.4.1. L’effet du niveau de la retenue sur l’érosion interne

9.4.2. Prise en considération des niveaux de retenue dans l’évaluation




__________________________________________________________________________ 88

9.4.3. Chargements sismiques à considérer




193

82

9.4.1. The effect of reservoir level on internal erosion

83

9.4.2. Reservoir levels to be considered

Deterministic approach

Engineering Judgment

Quantitative Risk Assessment

9.4.3. Seismic loads to be considered


Engineering Judgment approach

Quantitative Risk Assessment approach

194

__________________________________________________________________________ 88

9.4.3. Chargements sismiques à considérer




__________________________________________________________________________ 89

et al

9.7.1. Susceptibilité du matériau, états de contrainte et chargement hydraulique

Susceptibilité du matériau

195

83

9.4.2. Reservoir levels to be considered


Engineering Judgment

Quantitative Risk Assessment

9.4.3. Seismic loads to be considered


Engineering Judgment approach

Quantitative Risk Assessment approach

84

196

__________________________________________________________________________ 89

et al

9.7.1. Susceptibilité du matériau, états de contrainte et chargement hydraulique

Susceptibilité du matériau

__________________________________________________________________________ 90

État de contrainte critique

Chargement Hydraulique Critique

Claquage hydraulique

9.7.2. Le processus physique

Les trois classes de sol vis à vis de l’érosion interne

197

84

85

9.7.1 Material susceptibility, stress conditions and hydraulic load

Material Susceptibility

Critical Stress Condition

Critical Hydraulic Load

Hydraulic Fracture

198

__________________________________________________________________________ 90

État de contrainte critique

Chargement Hydraulique Critique


9.7.2. Le processus physique

Les trois classes de sol vis à vis de l’érosion interne

__________________________________________________________________________ 91

L’influence du degré de saturation

L’importance des propriétés dispersives des sols

199

85

9.7.1 Material susceptibility, stress conditions and hydraulic load

Material Susceptibility

Critical Stress Condition

Critical Hydraulic Load

Hydraulic Fracture

86

9.7.2. The physical process

Three classes of soil in relation to internal erosion

Degree of saturation

200

__________________________________________________________________________ 91



__________________________________________________________________________ 90

particules détachées sont fines et facilement transportables à travers la fissure. La résistance à l’érosion est fonction des forces de contact entre l’écoulement d’eau dans la fissure ou le conduit d’érosion, et la contrainte de cisaillement critique du sol au niveau des parois de la fissure. Lorsque des gradients normaux sont appliqués au barrage ou à ses fondations, l’érosion régressive et la suffusion peuvent ne pas se produire dans ces sols. Cela serait éventuellement possible sous un gradient local très élevé.

Les sols plastiques dispersifs sont les sols dans lesquels, la composition minéralogique des argiles et la composition chimique de l’eau peuvent provoquer l’érosion dans les fissures ou les conduits d’érosion lorsqu’ils sont soumis à des gradients ou des contraintes hydrauliques très faibles.


Wan et Fell (2002, 2004a, b), Lim (2006), Lim et Khalili (2010) ont remarqué que la plupart des sols argileux testés avaient une vitesse d’érosion significativement plus lente et des contraintes de cisaillement critique plus grandes lorsqu’ils sont saturés que lorsqu’ils sont partiellement saturés. Il n’y avait cependant pas de lien avec le degré de saturation pour les sols silteux. Cette constatation est importante, car cela signifie qu'une fois que le noyau d'un barrage construit de sol argileux est saturé et consolidé, la vitesse d’érosion peut être plus lente, et la contrainte de cisaillement critique plus élevée.

Tout aussi important, cela ne s'applique pas aux noyaux de sable silteux comme les granites décomposés et résiduels.

D’un point de vue pratique, il est donc préférable de compacter les sols cohésifs selon les exigences normales pour les noyaux de barrages, par exemple à 98% de la densité maximale sèche, du côté humide de l’optimum, car la résistance à l’érosion augmente avec le degré de saturation du sol. Cependant lorsqu’il y a des filtres, la différence de comportement des sols compactés du côté humide ou du côté sec est mineure.

Il doit être noté que les argiles présentes dans les remblais contre les crues ou proche de la crête des barrages peuvent être sujet à la dessiccation. Les fissures de retrait verticales forment des blocs hexagonaux coupés à des intervalles réduits par des fissures horizontales, les « blocs » ainsi délimités sont facilement érodables. Des informations complémentaires sont données dans la Section 3.2.9.


Les sols montrant un comportement dispersif, c'est-à-dire les sols de la Classe 1 ou 2 selon la classification Emerson et les sols D1 et D2 de la classification par l’essai de trou d’épingle, auront une contrainte de cisaillement critique faible si le fluide d’érosion est suffisamment libre en sel, qui pourrait autrement supprimer le phénomène de dispersion (défloculation). Ce qui est le cas lorsque l’eau a une faible teneur en sel. Sous les conditions d’inondation, il doit être noté que, la teneur en sel de l’eau de la retenue est susceptible de baisser. De ce fait les essais réalisés avec l’eau de la retenue peuvent être très prudents. Dans le cas où il existe un doute sur la présence de sols dispersifs, il est préférable de supposer que l’eau de la retenue n’empêchera pas la dispersion et de s'appuyer sur les résultats des essais réalisés avec de l'eau distillée. Les effets de l’eau de la retenue sur la courbe granulométrique sont bien sûr mieux représentés à l’aide de l’essai « triple dispersion » avec l’utilisation d’eau distillée et de dispersants (par exemple le sodium hexametaphosphate).

Lim (2006), Lim et Khalili (2010) ont montré à l’aide d’essais au cylindre rotatif que l’Indice de cinétique d’érosion n’est pas significativement affecté par le caractère dispersif du sol après que la phase initiale rapide de l’érosion interne ait eu lieu. Par conséquent la dispersion impacte majoritairement la contrainte de cisaillement critique qui initie l’érosion, plutôt que la vitesse d’érosion.

__________________________________________________________________________ 92

Les effets de la structure du sol

et al

Les effets de la méthode d’essai sur l’indice de cinétique d’érosion

La faible corrélation avec la résistance au cisaillement du sol

Le cas particulier des sols résiduels

__________________________________________________________________________ 92


et al




201

86

9.7.2. The physical process

Three classes of soil in relation to internal erosion

Degree of saturation

88

Dispersion properties of the soil

Effect of soil structure

Effect of testing method on erosion rate index

Poor correlation with the shear strength of soils

The specific case of residual soils

202

__________________________________________________________________________ 92


et al




__________________________________________________________________________ 93

Modèle géométrique

Modèle géologique des fondations

Modèle géotechnique du remblai et des fondations

Modèle hydraulique ou d’écoulement

L’état de contrainte dans le barrage et ses fondations

Approche itérative et collecte des données

203

87

Dispersion properties of the soil

Effect of soil structure

Effect of testing method on erosion rate index

Poor correlation with the shear strength of soils

The specific case of residual soils

88

Geometric model

Geological model of the foundation

Geotechnical model of the embankment and foundations

Hydraulic or seepage model

204

__________________________________________________________________________ 93

Modèle géométrique

Modèle géologique des fondations

Modèle géotechnique du remblai et des fondations

Modèle hydraulique ou d’écoulement

L’état de contrainte dans le barrage et ses fondations

Approche itérative et collecte des données

__________________________________________________________________________ 94

205

88

Geometric model

Geological model of the foundation

Geotechnical model of the embankment and foundations

Hydraulic or seepage model

89

Stress state in the dam and its foundation

Staged approach and collection of data

--

--

--

--

206

__________________________________________________________________________ 94

__________________________________________________________________________ 95

et al

207

89

Stress state in the dam and its foundation

Staged approach and collection of data

--

--

--

--

90

et al

208

__________________________________________________________________________ 95

et al

__________________________________________________________________________ 96

et al

9.10.1 Criblage à partir du zonage et des propriétés des matériaux

(a) Criblage à partir du zonage du barrage

209

90

et al

91

et al

9.10.1. Screening of PFM on the zoning of the dam and the properties of the core and the embankment

(a) Screening from zoning of the embankment

210

__________________________________________________________________________ 96

et al

9.10.1 Criblage à partir du zonage et des propriétés des matériaux

(a) Criblage à partir du zonage du barrage

__________________________________________________________________________ 97

(b) Criblage à partir des propriétés du noyau

9.10.2. Criblage à partir de la géologie et des propriétés de sols

et al

211

92

et al

9.10.1. Screening of PFM on the zoning of the dam and the properties of the core and the embankment

(a) Screening from zoning of the embankment

92

(b) Screening on the properties of the core of the embankment

9.10.2. Screening on foundation geology and soil properties

et al,

et al

212

__________________________________________________________________________ 97

(b) Criblage à partir des propriétés du noyau

9.10.2. Criblage à partir de la géologie et des propriétés de sols

et al

__________________________________________________________________________ 98

et al

9.10.3. Criblage à partir des dispositifs constructifs

et al

213

92

(b) Screening on the properties of the core of the embankment

9.10.2. Screening on foundation geology and soil properties

et al,

et al

93

9.10.3. Screening on details of the embankment and conduits and retaining walls

v

214

__________________________________________________________________________ 98

et al

v

215

93

9.10.3. Screening on details of the embankment and conduits and retaining walls

v

94

9.11.1. Some general principles

216

__________________________________________________________________________ 100

9.11.1. Quelques principes généraux

__________________________________________________________________________ 100


__________________________________________________________________________ 100


__________________________________________________________________________ 101

9.11.2. Quelques conseils pour le jugement de l’érosion par conduit

217

94


95

9.11.2. Concentrated leak erosion-some aids to judgment

218

__________________________________________________________________________ 101

9.11.2. Quelques conseils pour le jugement de l’érosion par conduit

__________________________________________________________________________ 102

219

95

9.11.2. Concentrated leak erosion-some aids to judgment

96

220

__________________________________________________________________________ 103

10.3.1. Écran filtrant et recharge filtrante

221

97

--

10.3.1. Filter blankets and filtered berms

222

__________________________________________________________________________ 103

10.3.1. Écran filtrant et recharge filtrante

__________________________________________________________________________ 104

10.3.2. Filtres périphériques des conduites et de l’évacuateur de crue

10.3.3. Parois drainantes

10.3.4. Les puits de décompression filtrants

10.3.5. Filtres multicouches et capacité de drainage

223

97

--

10.3.1. Filter blankets and filtered berms

98

10.3.2. Filter collars on conduits and spillway channels

10.3.3. Filter trenches

10.3.4. Filtered relief wells

10.3.5. Multiple filters to provide drainage capacity

224

__________________________________________________________________________ 104

10.3.2. Filtres périphériques des conduites et de l’évacuateur de crue

10.3.3. Parois drainantes

10.3.4. Les puits de décompression filtrants

10.3.5. Filtres multicouches et capacité de drainage

__________________________________________________________________________ 105

225

98

10.3.2. Filter collars on conduits and spillway channels

10.3.3. Filter trenches

10.3.4. Filtered relief wells

10.3.5. Multiple filters to provide drainage capacity

99

226

__________________________________________________________________________ 106

__________________________________________________________________________ 107

11.2.1. La possibilité de détection et d’intervention

et al

227

100

228

__________________________________________________________________________ 107

11.2.1. La possibilité de détection et d’intervention

et al

229

100

101

11.2.1. The likelihood of detection and intervention

230

__________________________________________________________________________ 108

et al

231

101

11.2.1. The likelihood of detection and intervention

102

-

--

-

--

-

-

-

-

11.2.2. Some Information on the rate of internal erosion

232

__________________________________________________________________________ 109

11.2.2. Quelques informations sur la cinétique de l’érosion interne

et al

et al

et al

11.2.3. Revue de l’application des méthodes de surveillance

et al

Cinétique de développement

Facilité de détection

233

102

-

--

-

--

-

-

-

-

11.2.2. Some Information on the rate of internal erosion

103

11.2.3. A review of the applicability of methods of surveillance

Rate of development:

Ease of detection:

Methods of detection:

234

__________________________________________________________________________ 110

Méthodes de détection

235

103

11.2.3. A review of the applicability of methods of surveillance

Rate of development:

Ease of detection:

Methods of detection:

236

__________________________________________________________________________ 110

et al

__________________________________________________________________________ 112

237

105

104

238

__________________________________________________________________________ 112

__________________________________________________________________________ 113

et al

239

104

105 105

240

__________________________________________________________________________ 114

et al

241

106

242

__________________________________________________________________________ 115

Déterministe

Jugement Technique


Risk and Uncertainty in Dam Safety, UK Risk Assessment and Reservoir Safety Best Practices in Dam and Levee Safety Risk Analysis

243

107

Deterministic:

Engineering Judgment:

Quantitative Risk Assessment,

244

__________________________________________________________________________ 116


12.3.2. L’érosion de conduit – quelques conseils pour le jugement

et al

et al

12.4.1. Méthodes basées sur les données historiques de rupture et d’incident

Interim Guide to Quantitative Risk Assessment for UK Reservoirs

245

107

Deterministic:

Engineering Judgment:

Quantitative Risk Assessment,

108


12.3.2 Concentrated leak erosion-some aids to judgment

12.4.1. Methods based on historic databases of failures and incidents

246

__________________________________________________________________________ 116


12.3.2. L’érosion de conduit – quelques conseils pour le jugement

et al

et al

12.4.1. Méthodes basées sur les données historiques de rupture et d’incident

Interim Guide to Quantitative Risk Assessment for UK Reservoirs

__________________________________________________________________________ 116

et al

247

108


12.3.2 Concentrated leak erosion-some aids to judgment

12.4.1. Methods based on historic databases of failures and incidents

109

et al

248

__________________________________________________________________________ 117

et al

__________________________________________________________________________ 118

l’United States Bureau of Reclamation United States Army Corps of EngineersConsulting Engineers

et al

249

109

et al

110

250

__________________________________________________________________________ 119

Arrachement

Auto-filtration

Brèche

- Élargissement- surverse- glissement- déchaussement- liquéfaction

Chargement

251

111

Backward erosion

Breach initiation

- Gross enlargement- Overtopping

- Slope instability- Unraveling- Static liquefaction

Breach process

Concentrated leak erosion

252

__________________________________________________________________________ 119

Arrachement

Auto-filtration

Brèche

- Élargissement- surverse- glissement- déchaussement- liquéfaction

Chargement

__________________________________________________________________________ 120

Cheminement d’érosion interne


Continuation (filtration)

- Absence d’érosion (ou rétention totale et instantanée)

- Érosion limitée (ou rétention rapide)

- Érosion importante (ou rétention tardive)

- Érosion permanente

Défaut

253

111

Backward erosion

Breach initiation

- Gross enlargement- Overtopping

- Slope instability- Unraveling- Static liquefaction

Breach process

Concentrated leak erosion

112

Contact erosion parallel contact erosion


- No erosion (full retention)

- Some erosion (delayed retention)

254

__________________________________________________________________________ 120

Détection

Dispersion déflocculation

Érosion d’une particule

Érosion de conduit

Érosion de contact érosion parallèle à l’interface

255

112

Contact erosion parallel contact erosion


- No erosion (full retention)

- Some erosion (delayed retention)

113

- Excessive erosion

- Continuing erosion

Detachment

Detection

Dispersion deflocculation

Erosion

Failure mode

Failure process

Flaw

Heave ‘blow out’

Hydraulic fracture

256

__________________________________________________________________________ 122

Érosion interne

Fontis

Initiation

Instabilité granulométrique

257

113

- Excessive erosion

- Continuing erosion

Detachment

Detection

Dispersion deflocculation

Erosion

Failure mode

Failure process

Flaw

Heave ‘blow out’

Hydraulic fracture

114

Initiation

Internal erosion

Internal erosion path

Internal erosion phases internal erosion mechanisms

InitiationContinuation

Progression

Breach

Internal Instability

Intervention

258

__________________________________________________________________________ 123

Intervention

Lieu d’initiation de l’érosion

Liquéfaction statique

Mécanismes d’érosion interne (ou phases)

Initiation de l’érosionContinuation de l’érosionProgression

Brèche

Mode de rupture

Renard

internal erosion and piping piping

Progression

259

114

Initiation

Internal erosion

Internal erosion path

Internal erosion phases internal erosion mechanisms

InitiationContinuation

Progression

Breach

Internal Instability

Intervention

115

Load

Load Condition

Location of initiation of erosion

Piping

Progression

Self-filtering

Sinkhole

260

__________________________________________________________________________ 124

Processus de rupture

Situation de chargement

Soulèvement hydraulique (aussi appelé “claquage hydraulique”)

Suffusion

Criblage

Évaluation des risques

Fréquence

Probabilité

Probabilité de dépassement annuelle (AEP)

261

115

Load

Load Condition

Location of initiation of erosion

Piping

Progression

Self-filtering

Sinkhole

116

Static Liquefaction

Suffusion

This phenomenon is sometimes referred to as suffosion in the literature.

Annual Exceedance Probability (AEP)

Frequency

Likelihood

Probability

Statistical – frequency or fraction

Subjective probability (degree of belief)

Risk assessment

Screening

262

__________________________________________________________________________ 125

Vraisemblance

Grand barrage

-----

Accident

-

-

-

Rupture

--

Incident

263

116

Static Liquefaction

Suffusion

This phenomenon is sometimes referred to as suffosion in the literature.

Annual Exceedance Probability (AEP)

Frequency

Likelihood

Probability

Statistical – frequency or fraction

Subjective probability (degree of belief)

Risk assessment

Screening

117

Large dam

---

-

Accident

-

-

-

Failure

--

Incident

264

118

Guidelines on risk assessment

Journal of Geotechnical Engineering Division

Proc 9th European Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering

Presentation at ICOLD European Working Group on Internal Erosion St Petersburg

PhD Thesis

Presentation at Annual meeting ICOLD European Working Group on Internal Erosion Brno

European Journal of Environmental and Civil Engineering.

International Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering

Proceedings of the 2nd international conference on coastal & port engineering in developing countries

Practical design of irrigation works

Int. J. Numerical Methods in Engineering

Proceedings 18th Congress Français Mechanique, Grenoble.

Proceedings of the 2003 USSD Annual Meeting, Charleston, SC.

Wasserwirtschaft

265

119

Proc. 9th European Conf. on Soil Mechanics and Foundation Engineering

Internal Erosion of Dams and their Foundations. Editors R.Fell and J-J Fry

15th Conference British Dam Society, University of Warwick,

Assessment of the Risk of Internal Erosion of Water Retaining Structures: Dams, Dykes and Levees. Intermediate Report of the Working Group of ICOLD

Proc 13th British Dam Society Conference, Canterbury

Interim guide to quantitative risk assessment for UK reservoirs.

Proc 14th Conference British Dam Society. University of Durham, Improvements in reservoir construction, operation and maintenance

15th Conference British Dam Society, University of Warwick,

J Hydropower and Dams

British Dam Society 15th Biennial Conference, Warwick

UNICIV Report No. 426, The School of Civil and Environmental Engineering,

UNICIV Report No. 438, The School of Civil and Environmental Engineering

Proceedings, the First International Conference “Geo-Filters”, Karlsruhe, Germany, 20–22 October 1992, Filters in Geotechnical and Hydraulic Engineering, Brauns, Heibaum & Schuler (eds)

Barrages & Réservoirs N° 6

Proc ICSE-6 (6th International Conference on Scour and Erosion) Paris, August 27-31, Société Hydrotechnique de France, Paris, Paper 58, 895-902.

Transportation Research record

266

120

Canadian Geotechnical Journal

Nineteenth International Congress on Large Dams, Florence. GR Q73

The International Levee Handbook

Proc ICE Conf on the North Sea floods of 31 January/1 February 1953

Deflt Hydr.

Proc. 10th Int. Conf. Soil Mechanics and Foundation Engineering, Stockholm

Transactions of the 22nd Congress International Commission on Large Dams Barcelona Q86 R29

Can. Geotech. J.,

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British Dam Society Conference, University of Stathclyde. Managing Dams Challenges in a time of Change, The British Dam Society

United States Society on Dams, 2011 Annual Conference. San Diego, California,

Proc. of Workshop on Internal Erosion in embankment dams and their foundations, Brno, Czech Republic, April 2011. Institute of Water Structures, FCE, BUT, Brno

Personal Communication

Proc ICSE-6 (6th International Conference on Scour and Erosion) Paris, August 27-31, Société Hydrotechnique de France, Paris, Paper 77, 1567-1575.

Proc ICSE-6 (6th International Conference on Scour and Erosion) Paris, August 27-31, Societe Hydrotechnique de France, Paris, Paper 78, 1481-1488.

Proc. USSD Annual Conference, Nashville Tennessee

267

121

Guide to risk assessment for reservoir safety management.

Internal Erosion of Dams and their Foundations.

Internal Erosion of Dams and their Foundations. Editors R Fell and J-J Fry

Geotechnical Engineering of Dams

A Unified Method for Estimating Probabilities of Failure of Embankment Dams by Internal Erosion and Piping.

UNICIV Report No R-436, The University of New South Wales,

UNICIV Report No. R-399, ISBN: 84841 366 3. School of Civil and Environmental Engineering

ASCE Journal of Geotechnical and GeoEnvironmental Engineering

Internal Erosion of Dams and their Foundations. Editors R Fell and J-J Fry

Impacts of animals on Earthen Dams

Technical Manual for Dam Owners, Impacts of Plants on Earthen dams

Conduits through Embankment Dams. Best practices for design, construction, problem identification and evaluation, inspection, maintenance, renovation and repair

Filters for embankment dams, best practices for design and construction

1995 ASDSO Western Regional Conference

ANCOLD Bulletin

PhD thesis

Internal Erosion of Dams and their Foundations, Editors R Fell and J-J Fry,

268

122

Assessing Embankment Dam Filters which do not Satisfy Design Criteria.

A Framework for Estimating the Probability of Failure of Embankment Dams by Piping Using Event Tree Methods

. J. Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE



UNICIV Report No.R374, School of Civil and Environmental Engineering

Intermediate Report of the European Working Group of ICOLD. Freising, Germany


International Journal on Hydropower and Dams

Internal erosion of dams and their foundations, Editors R Fell and J-J Fry,

Anniversary of K. Terzaghi "Erdbaumechanik" ("Soil Mechanics"), H. Brandl (ed.), Reports of the Institute for Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, TU Vienna, Austria

Proceedings 9th International Conference on Geosynthetics, Guaruja, Brazil

Prediction of piping erosion along middle Mississippi River levees - an empirical model.


Long Term Behavior of Dams Proc. 2nd Int. Conf. 12-13 October 2009 Graz Austria

Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,

269

123

Transactions American Society of Agricultural Engineers,

Transactions American Society of Agricultural Engineers

Applied Engineering in Agriculture

Proceedings, Second International Conference on Recent Advances in Geotechnical Earthquake Engineering and Soil Dynamics, Paper No. LP05

Risk and Uncertainty in Dam Safety.

Internal erosion in embankment dams

The influence of laminar flow on piping

Introduction to Geotechnical Engineering

PhD Thesis.

UNICIV Report No. R-416. ISBN: 0077-880X,

Lessons from Dam Incidents

Deterioration of Dams and Reservoirs

Embankment dams; granular filters and drains

Dam Failures Statistical Analysis. ,

Risk Assessment in Dam Safety Management: a reconnaissance of Benefits. Methods and Current Applications.

Weak rocks and shales in dams.

Tropical residual soils as dam foundation and fill material

Reservoirs and Seismicity – State of Knowledge

Dam Safety Management: Operational Phase of the Dam Life Cycle

270

124

J. Geotechnical and Geoenvironmental Engineering

Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,

Filtration stability of soils

International Water Power & Dam Construction, .

An engineering guide to the safety of embankment dams in the United Kingdom.

PhD Thesis, TU Delft, Netherlands

Floods and Reservoirs safety integration

Canadian Geotech. J

Canadian Geotech. J

In filters in Geotechnical and Hydraulic Engineering

Canadian Geotech. J

Rockfill dams, design and construction.

Journal of Geotech. Eng., ASCE,

Seepage hydraulics

Hydraulik: Ihre Grundlagen und praktische anwendung

Proceedings, the First International Conference “Geo-Filters”, Karlsruhe, Germany,

. Proc. ASCE [republished with discussions in 1935 in Transactions ACSE,

ASCE Geotech

271

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Seepage-induced failure of widely-graded cohesionless soils

Canadian Geotechnical Journal,

Dam failure records in China

PhD thesis.

).Geotechnical Testing Journal

Internal erosion of dams and their foundations, Editors R Fell and J-J Fry,

Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering (ASCE)

European Journal of Environmental and Civil Engineering

Building Research Station Internal Report C562, .

Proc. 79th ICOLD Annual Meeting, Lucerne, Switzerland


Fundamentals of soil behavior



Revue Francais de Geotechnique

Hydraulische Sicherheit von Staudämmen.

Lake Buffalo Dam risk reduction upgrade

Internal Erosion of Dams and their Foundations,

Internal Erosion of Dams and their Foundations,

Jukla Sekundærdam Lkkaasjer, Reparasjoner, Påvisning av erosjonskanaler Gjennom Tetningskjernen (Jukla Saddle Dam, Leakages, Rehabilitations, Documentations of Piping Through the Core).

272

126

PhD dissertation

Transition filters

UNICIV Report No. R-406, School of Civil and Environmental Engineering,

Proceedings 21st Congress on Large Dams, Montreal.

Internal Erosion of Dams and their Foundations. Editors R. Fell and J-J Fry

Energia


ASCE J. Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,

Internal Erosion in Embankment Dams and their Foundations. J-J Fry, J Riha and T Julinek, editors, Proceedings of the Institute of Water Structures, FCE, BUT, Brno


PhD Thesis

Dam Engineering,

Dam Engineering,

Dam Engineering,

Licentiate thesis

Geotechnique Letters

Russian design methods

273

127




Internal Erosion in Embankment Dams and their Foundations J-J Fry, J Riha and T Julinek, editors, Proceedings of the Institute of Water Structures, FCE, BUT, Brno

in Wolfgang Ehlers, ed., IUTAM Symposium on Theoretical and Numerical Methods in Continuum Mechanics of Porous Materials', Springer Netherlands

ASCE Geotechnical Special Publication No. 111,

PhD thesis

Filters in Geotechnical and Hydraulic Engineering,

. Hydropower and dams

Doctorate dissertation

Applied Mathematical Modelling,


Summary Data Report-Inspection, Testing, and Performance of Underseepage Control Systems - Mississippi River Levees, High Waters of 1973 and 1995, Volumes I and II, prepared for

Embankment Dam Engineering

Proceedings, Specialty Conference on Performance of Earth and Earth-Supported Structures,

13th Int. Congress on Large Dams, New Delhi.

274

128

n Seepage and Leakage from Dams and Impoundments.

. Proc. Specialty Conf. on Performance of Earth and Earth Supported Structures,

ASTM STP

ASCE J Geotech Eng.

Proceedings Symposium on Seepage and Leakage from Dams and Impoundments. ASCE, R.L. Volpe and W.E. Kelly Editors

J. Geotech. Eng. ASCE,

Journal of the Geotechnical Engineering Division,

Earth and Earth Rock Dams.

Anwendung der Ähnlichkeitsmechanik und der Turbulenzforschung auf die Geschiebebewegung.


Internal Erosion of Dams and their Foundations

Verificatie piping model; Proeven in de Deltagoot

Geotechnique 44

17th ICOLD Congress on Large Dams,

Stenfyllningsdammars stabilitet vid genomstr mning

MASc Thesis

PhD Thesis

Proc. Fracture Mechanics applied to Geotechnical Engineering, ASCE,

275

129

Soil Mechanics in Engineering Practice

Technical Report on Sand Boils (Piping

Evaluation of Filter Criteria and Thickness for Migrating Piping in Sands

Investigation of under-seepage and its control, Lower Mississippi River levees

Engineering and Design – Pavement Criteria for Seasonal Frost Conditions – Mobilization Construction.

Design and construction of levees

Engineering Design - Design guidance for levee under-seepage

Laboratory procedures for determining the dispersibility of clayey soils

Design Standard No 13, Protective Filters.

Binding Agents in Embankment Dam Protective Filters

Best Practices in Dam and Levee Safety Risk Analysis.

Gradation Design of Sand and Gravel Filters.

Physical Modelling in Geotechnics

Physical Modelling in Geotechnics



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276

130


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Determining Erosion indices of cohesive soils with the Hole Erosion Test and Jet Erosion Test.

Concrete Construction

PhD thesis

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ASCE Journal of Geotechnical and GeoEnvironmental Engineering

Geotechnical Testing Journal

UNICIV Report No.429, School of Civil and Environmental Engineering

. Internal Erosion of Dams and their Foundations.

Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering

Filters in Geotechnical and Hydraulic Engineering

Middle Mississippi River flood performance: Assessing the occurrence of piping through empirical modelling

Performance of underseepage control measures during the 1973 Mississippi River flood, Columbia Levee District, Illinois

Performance of levee under-seepage controls: A critical review.

J. Hydraul. Res.,

A guide to rabbit management.

277

131

24th Int. Congress on Large Dams, Kyoto.

Internal Erosion in Embankment Dams and their Foundations, J-J Fry, J Riha and T Julinek, editors, Proceedings of the Institute of Water Structures, FCE, BUT, Brno

Achevé d’imprimer en mars 2017sur les presses de l’Imprimerie Offset Cinq Édition,

85150 La Mothe-Achard

Dépôt légal 1er trimestre 2017, mars 2017, N° d’impression : 2017010706

ISSN 0534 - 8293Imprimé en France

280

COLORED FIGURES/FIGURES EN COULEUR

281

Fig. 6 Sand boil on the land side of a dike

Tumulus de sable à l’aval d’une digue

Fig. 8 Global backward erosion leading to unraveling of downstream slope

Érosion régressive globale conduisant au déchaussement de la pente aval

Fig. 13

Effects of frost on an embankment dam (Vuola et al, 2007) Les effets du gel sur un barrage en remblai (Vuola et al, 2007)

282

Fig. 14

Damage phenomena occurring in embankment dams from frost thaw (Vuola et al, 2007) Dommages produits par les cycles de gel dégel sur les barrages en remblais (Vuola et al, 2007)

Fig. 16 Potential impacts of burrowing animals on internal erosion in embankments and levees (FEMA 2005a)

Impacts potentiels des terriers d’animaux sur l’érosion interne dans les barrages en remblai et les digues (FEMA 2005a)

Fig. 17

The backward erosion piping model (Sellmeijer et al. 2012) Schéma d’érosion régressive par conduit de Delft (Sellmeijer et al. 2012)

283

Fig.

23

Crit

ical

Dar

cy v

eloc

ities

for c

onta

ct e

rosi

on o

f fin

e so

il ab

ove

and

belo

w c

oars

e so

il. F

or d

H, s

ee 5

.3.2

bel

ow

(Cou

rtesy

of D

r Rem

i Beg

uin)

Fig.

23

Crit

ical

Dar

cy v

eloc

ities

for c

onta

ct e

rosi

on o

f fin

e so

il ab

ove

and

belo

w c

oars

e so

il. F

or d

H, s

ee 5

.3.2

bel

ow

(Cou

rtesy

of D

r Rem

i Beg

uin)

Vite

sse

criti

que

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arcy

de

l’éro

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sol f

in s

ous

un s

ol g

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iam

ètre

effe

ctif

d H (D

éfin

i au

5.3.

2 d’

aprè

s B

egui

n)

284

Fig. 25(a) Soil samples tested as being internally unstable (suffusive) by Wan and Fell (2004c, 2007)

Échantillon de granulométries considérées comme instables (sujettes à la suffusion) par Wan & Fell (2004c, 2007)

Fig. 25(b) Soil samples tested as being internally stable (not suffusive) by Kenney & Lau (1984, 1986)

& Kenney et al. (1985) Échantillon de granulométries considérées comme instables (sujettes à la suffusion) par Kenney &

Lau (1984, 1986) et Kenney el al. (1985)

Grain Size, (mm)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Perc

enta

ge P

assi

ng b

y W

eigh

t,

(%)

0.005 0.075 0.425 2.0 4.75

SAND GRAVELFINE MEDIUM COARSE

75 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100FINE COARSE

19

FINES

0.002d

F

B2

B1

C1D1

A3

A210

14A15

Grain Size, (mm)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Perc

enta

ge P

assi

ng b

y W

eigh

t,

(%)

0.001 0.005 0.075 0.425 2.0 4.75


75 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100FINE COARSE

19

FINES

d

F

RD

4R

1, 1A

5

2R

76

3R

9

11

13

285

Fig. 26 Soil samples tested as being internally unstable (suffusive) by Kenney & Lau (1984, 1986)

and Kenney et al. (1985) Échantillon de granulométries considérées comme instables (sujettes à la suffusion) par Kenney &

Lau (1984, 1986) et Kenney el al (1985)

Fig. 29 Method of assessing internal instability (Courtesy of Prof. Witt 2012) Méthode d’évaluation de l’instabilité granulométrique de Witt (2012)

Grain Size, (mm)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Perc

enta

ge P

assi

ng b

y W

eigh

t,

(%)

0.001 0.005 0.075 0.425 2.0 4.75


750

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100FINE COARSE

19

FINES

100

F

d

Kenney & Lau (1984, 1985), Kenney et al. (1983)Kenney et al. (1984)

Ys

Y

X

D

A

AD

AC

286

Fig. 30

Contours of the probability of internal instability (potentially suffusive) for silt-sand-gravel and clay-silt-sand-gravel mixtures with a plasticity index less than 13% and less than 10% clay size fraction

(% passing 0.002 mm) (Wan and Fell, 2004c, 2007) Isovaleurs de la probabilité d’instabilité granulométrique (sol potentiellement sujet à la suffusion) pour

les mélanges de grave sable silt et grave sable silt argile avec des indices de plasticité inférieurs à 13% et pour des proportions d’argile inférieures à 10% (% passant 0.002mm)

(Wan and Fell, 2004c, 2007)

Fig. 31 Contours of the probability of internal instability (potentially suffusive) for sand-gravel soils with less

than 10% non-plastic fines passing 0.075mm (Wan and Fell, 2004c, 2007) Isovaleur de la probabilité d’instabilité granulométrique (potentiellement sujet à la suffusion) pour les

sols grave-sable avec moins de 10% de fines non plastiques passant 0.075 mm (Wan et Fell, 2004c, 2007)

1 10 100 1000

2

4

6

8

10h'

= d

90 /d

60

h" = d90 /d15

1 10 100 1000 4000

D1

Data source:Kenney et al. (1983)Kenney et al. (1984)Kenney & Lau (1984, 85)Lafleur et al. (1989)Burenkova (1993)Skempton & Brogan (1994)Chapuis et al. (1996)UNSW

Internally stable soil samples arerepresented by hollow symbols(e.g. , , etc.), andinternally unstable soil samples arerepresented by solid symbols(e.g. , , etc.).

Data point (447, 17.2)plotted out of range

B10.050.100.300.500.70

0.900.95

is the probability, predicted by logisticregression, that a soil is internally unstableif it is plotted along the respectivedotted line .

P

P = exp(Z)/[1 + exp(Z)]Z = 2.378 LOG(h") - 3.648 h' + 3.701

Sun (1989) data and UNSW data points B1,D1 not included in the logistic regression.

P

1 10 100

2

4

6

8

10

h' =

d90

/d60

h" = d90 /d15

1 10 100 200

0.950.90

0.700.500.30

0.100.05

4R

A3C1

Data source:Kenney et al. (1983)Kenney et al. (1984)Kenney & Lau (1984, 85)Lafleur et al. (1989)Burenkova (1993)Skempton & Brogan (1994)Chapuis et al. (1996)

Internally stable soil samples arerepresented by hollow symbols(e.g. , , etc.), andinternally unstable soil samples arerepresented by solid symbols(e.g. , , etc.).

UNSW (only data points 4R,A3 and C1)

is the probability, predicted by logisticregression, that a soil is internally unstableif it is plotted along the respectivedotted line .

P

P = exp(Z)/[1 + exp(Z)]Z = 3.875 LOG(h") - 3.591 h' + 2.436

Sun (1989) data are not included inthe logistic regression.

P

287

Fig. 39

Example of plot showing filter/transition gradings compared to Filter Erosion Boundaries (Fell et al 2008)

Exemple de graphique représentant les courbes granulométriques du filtre/transition et les seuils d’Érosion (Fell et al 2008)

Soil distress

Low stressVibrationArching

CRITICAL STRESS

CONDITION

Hydraulicfracture

Heave

Contact erosionBoiling

Suffusion

Seepage velocityHydraulic gradient

Pore pressure

CRITICAL HYDRAULIC

LOAD

Internal instabilityFilter incompatibility

Void spaceFree surface

Low plasticity

MATERIALSUSCEPTIBILITY

SuffusionPiping

CrackingBridging

Fig. 42

Venn diagram illustrating interaction of geometric, hydraAulic and mechanical susceptibilities of soils to initiation of internal erosion (Garner and Fannin, 2010)

Diagramme de Venn illustrant l’interaction entre les conditions géométrique, hydraulique et la susceptibilité du sol à initier l’érosion interne (Garner et Fannin, 2010)

Assessment of Zone 1 core against no erosion, excessive erosion and continuing erosion criteriaNo Erosion Excessive

ErosionContinuing

Erosion

DB85 (mm) DB95 (mm)% passing 0.075mm

% fine-medium sand (0.075 - 1.18mm) DF15 (mm) DF15 (mm) DF15 (mm)

Fine Grading 1.9 3.3 50 25 0.7 2 30Average 2.4 4 41 29 0.7 2.5 36Coarse Grading 2.5 4.2 35 30 0.7 2.6 38

Base soil sizes (mm)Core Gradation

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000Seive Size (mm)

Perc

ent P

assi

ngFilter erosion boundaries for the Average core gradingFilter erosion boundaries for the Fine core gradingFilter erosion boundaries for the Coarse core gradingZone 1 - Core Material

re-graded to maximum size of 4.75 mm

Zone 3- FilterTransition

0.7 2.5 36

No Erosion

SomeErosion

Excessive Erosion

ContinuingErosion

0.7 2.0 30

Zone 1- Fine Grading

Zone 1 - Average Grading

Zone 1 - Coarse Grading

38

288

Fig. 43 Example of possible locations of initiation of internal erosion (Fell and Fry, 2007)

1 Spillway wall interface Interface avec le bajoyer de l’évacuateur 2 Adjacent to conduit Interface avec les conduites 3 Crack associated with steep abutment profile Fissures associées aux rives raides des appuis 4 Desiccation on top of core Dessication de la crête 5 Embankment to foundation Érosion du remblai vers fondation 6 Foundation (if the foundation is soil or erodible rock) Fondation (si elle est composée de sol ou de roche

érodable) 7 Embankment through poorly compacted layer, crack, (or

by backward erosion if the core is cohesionless) Couche de remblai mal compactée, fissures (ou érosion régressive dans le cas d’un noyau non cohésif)



Bulletin 164

2017



http://www.icold-cigb.org./ 164

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INTERNAL EROSION OF EXISTING DAMS, Levees and Dikes, …

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