Dam and levee failures: an overview of flood wave propagation modeling

Ruptures de barrages et de digues : une revue de la modélisation de la propagation de l'onde de submersion

¹ Irstea, UR HHLY
andre.paquier@irstea.fr
² EDF R&D, Laboratoire d'hydraulique Saint-Venant
nicole.goutal@edf.fr

Abstract

Dams and levees are hydraulic structures that are designed to resist to water pressure, but they occasionally break because of constructional defaults or unexpected events. When such a failure occurs, water can be suddenly released and create a flood wave more dangerous than natural events. Hydrodynamic modelling of such waves includes both estimating the flow hydrograph at the structure site and propagating the latter hydrograph downstream the structure. For engineering purposes, simplified erosion models are used to obtain the breach hydrograph for earthen embankments while instantaneous failure is often assumed for concrete structures. For flood wave propagation, 1-D or 2-D shallow water equations are solved using numerical schemes that can deal with supercritical and subcritical flow regimes. Uncertainty is likely to be high because it is difficult to calibrate the numerical model for flows much stronger than actual observations. Particularly, because of high velocities, sediment transport is likely to occur and to modify the risk parameters; numerical modelling can help defining the range of uncertainty due to this sediment transport but calibration is even more difficult than for hydrodynamic modelling. The description of these latter models is illustrated on various events, the Malpasset dam failure that occurred in 1959 during the first filling, the 100 year flood in Agly coastal plain that resulted in levee breaching in 1999 and the Ha! Ha! dam failure that caused huge geomorphological changes along the downstream valley.

Résumé

Les barrages et les digues sont des ouvrages hydrauliques conçus pour résister à la pression de l'eau mais ils peuvent se rompre suite à des défauts de construction ou à des événements inattendus. Quand une telle rupture intervient, l'eau est soudainement relâchée et peut créer une onde de submersion plus dangereuse que les crues naturelles. La modélisation hydrodynamique de telles ondes comprend à la fois l'estimation de l'hydrogramme sur le site de l'ouvrage et la propagation de cet hydrogramme à l'aval de l'ouvrage. Dans le cadre de l'ingénierie, des modèles d'érosion simplifiés sont utilisés pour obtenir l'hydrogramme de rupture de remblais en terre alors qu'une rupture instantanée est prise en compte pour des ouvrages en béton. Pour la propagation de l'onde de rupture, les équations de Saint Venant 1D ou 2D sont résolues par des schémas numériques qui considèrent à la fois les régimes fluvial et torrentiel et la transition de l'un à l'autre. L'incertitude est souvent forte à cause d'un calage sur des observations pour des écoulements bien plus faibles que ceux modélisés lors de ces études. En particulier, à cause des fortes vitesses lors d'une onde de rupture, un fort transport de sédiments peut se produire et modifier les caractéristiques de l'onde et donc les paramètres du risque ; la modélisation numérique de ce transport peut aider à réduire l'intervalle d'incertitude mais le calage du modèle sera encore plus compliqué que pour un modèle d'écoulement. Pour tous ces modèles, la description fournie est accompagnée d'exemples d'utilisation illustrant les potentialités des modèles utilisés. Parmi ces exemples, on trouve la rupture du barrage de Malpasset qui a eu lieu en 1959 lors du premier remplissage, la crue centennale de 1999 dans la basse plaine de l'Agly accompagnée d'une rupture de digue et la rupture du barrage Ha !Ha ! qui a causé en 1996 d'énormes changements dans la morphologie de la vallée.