Three-dimensional analysis of water infiltration into the Gouhou rockfill dam using saturated–unsaturated seepage theory

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Abstract

The Gouhou Dam was a concrete-faced rockfill dam built in a steep canyon that collapsed in 1993 due to internal erosion during the initial reservoir filling. In this paper, the process of water infiltration into the originally unsaturated rockfill dam is studied using three-dimensional saturated–unsaturated seepage theory. The three-dimensional characteristics of seepage through the dam bounded by steep abutments, the effect of material anisotropy, and the effect of rockfill stratifications are studied. The three-dimensional results are compared with those from two-dimensional analyses. The three-dimensional simulations show that seepage water flows faster and the hydraulic gradients are greater near the abutment boundary in the dam. As such, the evolution of the seepage failure in the three-dimensional cases is faster than that in the two-dimensional analyses, and the two-dimensional analyses will underestimate the risk of seepage failure, particularly near the abutment boundary. If the materials in the dam were uniform, the reservoir water would infiltrate into the dam along a downward flow path towards the riverbed, and not exit from the surface on the downstream slope. Increasing the horizontal coefficient of permeability of the rockfill increases the infiltration velocity, but the material anisotropy does not appreciably change the infiltration pattern. Stratifications in the rockfill, however, cause the seepage water to advance more quickly in the horizontal direction along the interface between the sandwich layer and the rockfill, thus increasing the possibility of seepage failure.

Le barrage Gouhou était un barrage d'enrochements avec face amont en béton construit dans un canyon profond. Le barrage s'est effondré en 1993 lors de la mise en eau du réservoir par suite d'une érosion interne. Au moyen de la théorie d'infiltration tridimensionnelle saturée – non saturée, on étudie dans cet article le processus d'infiltration d'eau dans ce barrage d'enrochements à l'origine non saturés. On a étudié les caractéristiques tridimensionnelles de l'infiltration à travers le barrage construit entre des appuis abruptes, de même que l'effet de l'anisotropie du matériau, et l'effet des stratifications de l'enrochement. On compare les résultats tridimensionnels avec ceux obtenus par des analyses bidimensionnelles. Les simulations tridimensionnelles montrent que l'eau d'infiltration coule plus rapidement et les gradients hydrauliques sont plus grands près des appuis dans le barrage. Ainsi, l'évolution de la rupture par infiltration dans les cas tridimensionnels est plus rapide que dans les analyses bidimensionnelles, et les analyses bidimensionnelles vont sous-estimer le risque de rupture par infiltration, particulièrement près de la surface des appuis. Si les matériaux dans le barrage étaient uniformes, l'eau du réservoir s'infiltrerait dans le barrage le long du cheminement de l'écoulement vers le bas, soit vers le lit de la rivière, et ne sortirait pas de la surface du parement aval. L'accroissement du coefficient de perméabilité horizontal de l'enrochement augmente la vitesse d'infiltration, mais l'anisotropie du matériau ne change pas appréciablement le schéma d'infiltration. Cependant, les stratifications dans l'enrochement causent une progression plus rapide de l'eau d'infiltration dans la direction horizontale le long de l'interface entre les couches intercalées dans l'enrochement, ce qui accroît la possibilité de rupture par infiltration.

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