Comité Français des Barrages et Réservoirs

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Barrage de Kariba : une fosse d’érosion unique, nécessitant une approche remarquable pour en appréhender le comportement


Yanis OUKID, Christine NORET, Xavier MOLIN, Peng ZHOU (TRACTEBEL ENGINEERING)

Éditeur : Comité Français des Barrages et Réservoirs - CFBR - ISBN 979-10-96371-09-9

Colloque : Justification des barrages : état de l’art et perspectives - Chambéry, France
Année d’édition 2019

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Title : Kariba dam : a unique plunge pool, requiring an outstanding approach to apprehend its behavior

Résumé
Après la mise en service en 1960 du barrage de Kariba sur le Zambèze, une série de crues importantes forment rapidement une fosse d’érosion à l’aval immédiat du barrage, atteignant 80 m de profondeur aujourd’hui. Les études ont montré que le risque d’érosion régressive ne pouvait être écarté en cas de crue extrême. Le projet de redimensionnement de la fosse doit permettre l’évacuation d’une telle crue, sans risque d’érosion régressive significative pour l’ouvrage. Ces travaux, d’une ampleur considérable, consisteront en une vidange de la fosse d’érosion, la modification de sa géométrie pour en augmenter le volume, avant sa remise en eau. La question de l’impact de ces travaux sur le comportement du barrage s’est posée, avec deux sujets majeurs : la stabilité de l’ensemble barrage-fondation soumis à un chargement exceptionnel lors de la vidange de la fosse, et la stabilité des parois de la fosse d’érosion. Les pressions d’eau dans la fondation et les gradients hydrauliques associés seront modifiés significativement tout au long des travaux, entraînant la réorganisation des équilibres de forces et des déformations du massif. Un modèle couplé hydraulique-mécanique, représentant le barrage, ses voiles d’étanchéité et de drainage, ainsi que la fondation a été mis en œuvre. Celui-ci a permis de réaliser les calculs en contraintes effectives afin de prendre en compte l’impact des variations de pression dans le massif au cours des travaux. L’historique des chargements du barrage a été reconstitué par un calcul temporel, et a permis d’évaluer la réponse de l’ouvrage à ces chargements extrêmes, qui n’avaient naturellement pas été envisagés lors de la justification de l’ouvrage. L’analyse de la stabilité de la fosse d’érosion a été réalisée en s’appuyant directement sur les résultats du modèle numérique. Les mécanismes de rupture identifiés sont des ruptures de coins rocheux, délimités par les principales discontinuités relevées sur site ou le long de ces discontinuités. Des post-traitements spécifiques ont été développés pour intégrer les champs de contraintes effectives calculés par le modèle et évaluer ainsi l’équilibre des efforts s’exerçant sur les différentes surfaces. Ces post-traitements ont ainsi permis d’estimer les réserves de stabilité des coins rocheux pour chaque étape des travaux, et de vérifier le bon comportement de la faille et autres discontinuités. L’étude a montré que le barrage, bien que soumis à une situation exceptionnelle et inhabituelle, subira des déformations n’excédant pas celles issues des chargements historiques de l’ouvrage.

Abstract
After the Kariba Dam was commissioned in 1960, a series of major floods of the Zambezi river rapidly formed a plunge pool immediately downstream of the dam, reaching 80 m depth today. Studies have shown that the risk of regressive erosion can not be ruled out in the event of extreme flooding. The reshaping project of the plunge pool should allow the evacuation of such a flood, without significant risk of regressive erosion for the structure. This work, of considerable magnitude, will consist of emptying the erosion pool, modifying its geometry to increase its volume, before its reimpounding. The question of the impact of this work on the dam behavior arose, with two major topics : the stability of the dam-foundation complex subjected to an exceptional loading during the emptying of the pool, and the stability of the plunge pool faces. The water pressure in the foundation and the associated hydraulic gradients will change significantly throughout the work, resulting in the reorganization of the balance of forces and the deformations of the rock mass. A coupled hydraulic-mechanical model, representing the dam, its grouting and drainage curtains, as well as the foundation was implemented. This made it possible to perform the calculations in effective stresses in order to take into account the impact of the pressure variations in the rock mass during the works. The history of the dam loads was simulated by temporal calculation, and allowed the response of the structure to these extreme loads to be assessed, which had obviously not been considered when justifying the dam. The plunge pool stability analysis was performed based directly on the results of the numerical model. Identified failure mechanisms are rock wedges failures, delimited by major discontinuities found on site, or along these discontinuities. Specific post-treatments have been developed to integrate the effective stress fields calculated by the model and thus assess the balance of forces exerted on the different surfaces. These post-treatments made it possible to estimate the stability reserves of the rock wedges at each stage of the works, and to check the good behavior of the fault and other discontinuities. The study showed that the dam, although subjected to an extreme situation, will not undergo deformations exceeding those resulting from the historical loadings of the structure.

Citation
OUKID, NORET, MOLIN, ZHOU. Barrage de Kariba : une fosse d’érosion unique, nécessitant une approche remarquable pour en appréhender le comportement. In Colloque Justification des barrages : Etat de l’art et Perspectives. Chambéry : CFBR - 27,28 novembre 2019. ISBN 979-10-96371-09-9. doi : 10.24346/cfbr_colloque2019_b26


Voir aussi : Colloque Justification des barrages : état de l’art et perspectives

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