Analytical review of gravity dam stability: from novel french limit-state guidelines to a probabilistic assessment of structural safety

This article presents the recent French guidelines drawn up by FRCOLD for the justification of gravity dams. Recognising the disparities in the approaches of the various dam engineering bodies, the guidelines aim at harmonising practices to arrive at a standard approach. They adopt the same limit state design method as already used in the Eurocodes, with particular emphasis on cracking and shear strength limit states. They define a series of new parameters which were not introduced in earlier methods such as characteristic strength of materials, partial factors of safety and inclusion of new design situations. The background to the new format is the probabilistic concept of the acceptable design requirements. The second part of this paper presents a reliability-based analysis method for structural stability of gravity dams. Methodologies are proposed for probabilistic assessment of hydraulic loads and shear strengths. Reliability Methods (FORM and Monte Carlo simulations) are used to assess cracking and shearing limit states. The procedure is illustrated on the example of a RCC gravity dam. / Pour la justification de la stabilité des barrages poids, il n'existait pas de véritable standard français. Les bureaux d'études français utilisaient les publications professionnelles disponibles, telles que celles de FRCOLD (2002) ou de l'USBR (1987) ou encore de l'USACE (1995). Cette absence de cadre formel se traduisait jusqu'à récemment par des hétérogénéités dans la pratique française, que l'on constatait à toutes les étapes du calcul des barrages : actions et niveaux de charge, choix des résistances, expression des états-limites et des conditions d'états-limites. Au niveau de l'Europe, l'arrivée des Eurocodes dans les calculs des ouvrages du génie civil tend à harmoniser progressivement le marché européen de la construction. Toutefois, les Eurocodes n'ont pas vocation à être utilisés directement pour les ouvrages spéciaux tels que les barrages. Les barrages sont donc restés à l'écart des méthodes aux états-limites et le format des justifications reste déterministe, selon le principe de la contrainte admissible. Ce constat peut être généralisé aux principaux standards internationaux. L'absence de prise en compte de la sécurité dans un format semi-probabiliste, voir probabiliste, paraît paradoxale car des modèles probabilistes (méthode du Gradex) ont été introduits dès les années 1970 pour la détermination des crues extrêmes. Face à ce constat, le CFBR a décidé de rédiger ses recommandations relatives à la justification de la stabilité des barrages-poids. Ce travail avait un objectif clairement opérationnel et a été conduit entre 2004 à 2005 par un groupe de travail du CFBR qui a réuni l'essentiel de l'ingénierie et des organismes nationaux ½uvrant dans le domaine des ouvrages hydrauliques. Ce travail a permis de développer les recommandations du CFBR (FRCOLD 2006) pour le calcul des barrages-poids en adoptant un format de justification aux états-limites qui sont présentées dans la première partie de l'article. L'article souligne l'intérêt d'une démarche de calcul aux états-limites et présente les justifications pour la stabilité des barrages-poids : les modes de calculs des actions, les valeurs caractéristiques des résistances, les situations de projet et les combinaisons d'actions associées et les différents états-limites et leurs justifications correspondantes. Pour évaluer quantitativement la sécurité structurale d'un ouvrage de génie civil, les approches aux-limites, telles que développées dans (FRCOLD 2006) pour les barrages-poids, ne permettent pas de connaitre la probabilité associée à un état-limite conduisant à la perte de stabilité. Dans ce contexte, les méthodes fiabilistes peuvent apporter une réponse pertinente pour l'analyse de risques. Ces méthodes visent à prendre en compte de façon formelle la variabilité des résistances ainsi que le caractère aléatoire des sollicitations, sous un format probabiliste. Pour les barrages-poids qui intéressent notre article, il s'agit d'évaluer quantitativement la sécurité vis-à-vis de leur résistance au cisaillement. Ce travail s'inscrit dans le cadre d'un projet de recherche et développement conduit à travers une collaboration liant le bureau d'ingénierie SAFEGE, le Cemagref et le Laboratoire Génie Civil de l'université B. Pascal, et visant à développer des méthodes fiabilistes pour évaluer la sécurité structurale des barrages poids, en conception ou en requalification. La robustesse d'une démarche fiabiliste est conditionnée par la pertinence des lois de probabilité utilisées pour représenter la variabilité des résistances et l'aléa des sollicitations. Nos travaux ont permis de proposer des méthodes pour l'évaluation probabiliste des sollicitations hydrauliques, des résistances et des états-limites. Les lois de probabilité des résistances sont obtenues à l'aide de relations physiques ainsi que de méthodes de simulation, en fonction des données disponibles. Enfin, les résistances et les sollicitations modélisées par des lois de probabilité sont intégrées dans les conditions d'états-limites de fissuration et de cisaillement au moyen de méthodes fiabilistes de premier ordre (FORM - First Order Reliability Method) et par des simulations de Monte Carlo. Au final, on est en mesure de donner une estimation de la probabilité de rupture du barrage vis-à-vis de l'état-limite considéré. Une analyse de sensibilité met en évidence les paramètres dont l'influence est la plus significative.