Physical and numerical modelling of overtopping induced fluvial dikes breaching
Modélisation physique et numérique de la formation de brèches dans les digues fluviales soumises aux surverses
Résumé
Levees (i.e., fluvial dikes) are important hydraulic structures built along rivers and channel banks to protect surrounding areas from inundations. However, several levee failure events were reported to bring exacerbated damages compared to natural floods. Indeed, these structures may experience several solicitations resulting in breach formation and expansion, overtopping being the most common cause of levee failure.Numerical models can support flood risk management and improve populations' preparedness. However, an accurate prediction of breach dynamics and outflow discharge is essential to simulate possible inundations extent and corresponding flood maps. Nevertheless, levee breach modeling presents significant challenges related to complex physical processes and their poorly understood interactions. In addition, past research efforts were mainly dedicated to developing dam-breach (frontal dikes) failure models, which are not adapted to fluvial dike breaching.The main goals of this research work are to improve the knowledge about the physical processes associated with overtopping induced levee failure on the one hand and increase the accuracy of actual modeling approaches on the other hand. First, experimental investigations were performed at the National Laboratory for Hydraulics and Environment (LNHE) of EDF R&D and aimed to clarify the erosion processes of a non-cohesive homogenous levee in the presence of a movable bed in the main channel, dike foundation, and floodplain. Main channel discharge and geometry were also varied through tests to highlight their influence on breach spacial progression and resulting discharge. Then, numerical investigations were conducted using two different modeling strategies. On the one hand, a simplified two-dimensional breach modeling approach was developed within the hydrodynamic module TELEMAC-2D of the open-source TELEMAC-MASCARET software. Various breach models were implemented in TELEMAC-2D, including simple empirical laws and more sophisticated equations like the Rupro breach model developed at INRAE.On the other hand, a detailed physically-based approach was studied using the hydrodynamic module (TELEMAC-2D) and morphodynamic module (SISYPHE/GAIA). New sediment transport equations were implemented, and slope failure modeling was adjusted to the actual state of the art. Laboratory measurements and field experiment data helped analyze both modeling approaches. Finally, relevant indications and lessons were highlighted to support actual field studies.
Les digues fluviales (levées) sont d’importants ouvrages hydrauliques construits le long des rivières et des canaux pour protéger les zones inondables de la submersion. Cependant, de nombreux événements de rupture de digues ont été observés et les inondations qui en résultent se sont révélées être plus dévastatrices que des inondations naturelles. Ces ouvrages peuvent en effet subir plusieurs sollicitations entraînant la formation de brèches et leur expansion jusqu’à rupture de la digue. En particulier, sous l’effet de la surverse qui a été identifiée comme étant l’une des principales causes de rupture de digues fluviales.La modélisation numérique peut contribuer à la gestion du risque inondation et aider à améliorer la résilience des communautés face à cet aléa. Cependant, une prédiction précise de la dynamique de brèche est nécessaire pour estimer le débit de brèche et l'étendue des inondations qui en résulterait. Néanmoins, la modélisation de la formation de brèches dans les digues fluviales présente plusieurs défis, principalement liés à une compréhension limitée des processus physiques et leurs interactions complexes. De plus, les recherches ont pendant longtemps été consacrées au développement de modèles de rupture de barrages (digues frontales), qui ne sont pas adaptés à la simulation de la rupture d’ouvrages linéaires.Les objectifs de ce travail de recherche sont, d'une part, d'améliorer nos connaissances sur les processus physiques associés à la rupture de digues fluviales par surverse et, d'autre part, d'améliorer la fiabilité des approches de modélisation actuelles. Dans un premier temps, des expériences ont été réalisées au Laboratoire National d'Hydraulique et d'Environnement (LNHE) d'EDF R&D et afin de clarifier les processus d'érosion d'une digue homogène non cohésive en présence d'un lit mobile dans le canal principal, les fondations de la digue et la plaine inondable. Le débit et la largeur du canal principal ont également été modifiés au cours des tests afin de mettre en évidence leur influence sur la progression de la brèche et le débit qui en résulte. Par la suite, des travaux numériques ont été menés en utilisant deux stratégies de modélisation différentes. D'une part, une approche de modélisation simplifiée qui a été développée dans le module hydrodynamique TELEMAC-2D du logiciel TELEMAC-MASCARET. À cet effet, plusieurs modèles de brèche ont été implémentés dans TELEMAC-2D, y compris des lois empiriques simples et des équations plus sophistiquées comme le modèle de brèche Rupro développé à l'INRAE.D'autre part, une approche de modélisation détaillée a été étudiée en utilisant le module hydrodynamique (TELEMAC-2D) et le module morphodynamique (SISYPHE/GAIA). Dans ce contexte, de nouvelles équations de transport sédimentaire par charriage ont été mises en œuvre et la modélisation de la rupture de pente a été adaptée à l'état de l'art actuel. Les mesures en laboratoire et les données d’expériences terrain ont permis d'analyser les deux approches de modélisation et ont permis de fournir d'intéressantes indications pour de futures études sur des sites réels.
Origine : Version validée par le jury (STAR)