Numerical simulations of thermal loads exerted on dams by laterally confined ice covers

Les barrages hydro-électriques construits dans les climats froids subissent des poussées des glaces importantes. Ces charges doivent être prises en compte pour l’évaluation de la sécurité de ces structures. Bien que les barrages aient été construits et exploités dans différents pays pendant de nombreuses années, il n’y a pas de consensus sur les critères de charge de glace. Les valeurs de conception varient considérablement – plus de 3 fois d’une autorité internationale à l’autre. La nature complexe des poussées des glaces implique de nombreux facteurs et incertitudes qui empêchent encore la pleine compréhension des processus en jeu, malgré les avancées récentes. Cette recherche doctorale vise à donner une nouvelle approche aux calculs des poussées des glaces sur les barrages et, ainsi, faire progresser l’objectif d’harmonisation des critères de conception pour les poussées des glaces. L’approche méthodologique de cette recherche consiste à compiler les modèles existants de comportement rhéologique de la glace et les inclure dans la simulation numérique des principaux événements historiques de poussées des glaces mesurés au Canada. La construction d’un modèle numérique commence par un choix de processus et d’hypothèses clés, ainsi que par des modèles rhéologiques à inclure. Par conséquent, une revue compréhensive de la littérature sur le comportement rhéologique de la glace a été réalisée. Cette thèse décrit un modèle de fluage 3D du comportement rhéologique pour deux types de glace (glace columnaire et glace de neige). Le modèle construit peut être implémenté dans un logiciel d’éléments finis pour simuler le comportement de la glace sous les charges statiques. Au cours du projet, le logiciel ANSYS a été utilisé pour construire un modèle d’éléments finis pour des simulations d’événements mesurés. Le modèle d’éléments finis a été validé et étalonné par rapport à des expériences en laboratoire provenant de la littérature. Par la suite, il a été utilisé dans la simulation d’événements de poussées des glaces sur des barrages au Canada. Seule expansion thermique de la glace a été simulée par le modèle d’éléments finis. Les fluctuations de niveau d’eau ont été indirectement incluses dans le modèle par la simulation de la glace confinée latéralement. L’influence de différents facteurs sur la poussée des glaces simulées a été étudiée. Les conseils et les lignes directrices pour le choix et l’implémentation du modèle rhéologique de fluage dans un logiciel d’éléments finis commercial sont également fournis. La thèse est basée sur des résultats d’études qui ont été publiés dans deux articles de colloques et dans un article de journal. La thèse inclut l’introduction des poussées des glaces sur les barrages, les objectifs du projet, les revues de littérature sur les processus influents des poussées des glaces, sur les propriétés rhéologiques des deux types de glace fréquents sur un réservoir et la modélisation du comportement de la glace, ainsi que la présentation des données de terrain, la description du modèle, les études non encore publiées, la conclusion et les recommandations. La thèse discute du lien entre les expériences en laboratoire sur la glace et les mesures in situ des poussées des glaces sur les barrages. L’étude documente le fait que le fluage élastique retardé de la glace a un effet limité sur les poussées des glaces résultantes pour les grandeurs de grains de 3 mm à 20 mm, et son calcul peut être omis dans des évaluations approximatives des poussées des glaces avec cettes grandeurs de grains moyennes. Il est également montré que la variabilité du coefficient de dilatation thermique de la glace avec la température n’est pas importante pour les températures étudiées. L’importance des conditions initiales et du comportement de la glace en tension pour les poussées des glaces résultantes est également montrée. La thèse met l’accent sur l’importance de la considération correcte du confinement latéral et du type de glace pour les calculs de poussées des glaces sur les barrages. Il a été montré que la hausse du niveau d’eau et le confinement latéral de la glace peuvent produire très grandes forces de poussées, si la glace est principalement columnaire. De ce fait, il devient important d’évaluer la possibilité d’avoir des hivers secs ayant peu d’accumulation de neige sur la glace (les conditions favorables à la formation de la glace columnaire) pour la sélection de la charge de conception.Hydroelectric dams are subjected to ice loads in cold climates. Withstanding such loads is an important safety requirement for the structures. Although dams have been built and operated by different countries for many years, there is no consensus on a design ice load criteria. Design values vary considerably – by more than 3 times from one international authority to another. The complex nature of ice loads involves many factors and uncertainties that still prevent the full understanding of ice field processes in spite of much progress done in this direction. This doctoral research aims to give new insights into reservoir ice loads, and, thus, to move forward the objective of harmonization of ice load design criteria. The main approach of this research is a compilation of existing models of ice material behaviour and their inclusion in the numerical simulation of key historical ice load events measured in Canada. A construction of a numerical model begins with a choice of key processes and key assumptions as well as material models to include. Therefore, a comprehensive literature review on the topic is required. During the project, diverse literature on ice material behaviour was reviewed. This thesis describes a 3D creep material model for rheological behaviour of two types of ice, namely columnar (S2) ice and snow (T1) ice. The constructed model can be implemented into software to simulate behaviour of ice under the static loads. In this project, the commercial software ANSYS was used for this purpose to build a finite element model (FEM) for simulations of field events. After the FEM was built, it was validated and calibrated against laboratory experiments taken from the literature. Subsequently, the resulting FEM was used for simulation of key Canadian field events. Only thermal expansion of ice was simulated by the FEM with indirect accounting of the impact of water level fluctuations through the modelling of ice cover under lateral confinement. The influence of different factors on the simulated ice load was studied, namely, the influence (i) of selected material constants, (ii) of lateral confinement, (iii) of grain size and of delayed elastic creep, (iv) of variable or constant coefficient of thermal dilatation, (v) of ice type, (vi) of initial stresses as well as (vii) the influence of ice behaviour in tension. The advice and guidelines for the choice and implementation of a creep material model into commercial finite element software are also given. The thesis is based on studies conducted for two conference papers and one journal paper. The thesis includes introduction to the ice loads on dams, objectives of the project, literature reviews on governing ice loading processes, on material properties of two types of ice of frequent occurrence on a reservoir and on modelling of ice behaviour as well as field data presentation, model description, yet unpublished studies, conclusion and recommendations. The thesis discusses the linkage between laboratory experiments on ice and in situ measurements of reservoir ice loads on dams through the numerical modelling of field events. It documents the fact that delayed elastic creep has a limited effect on the resulting ice load for grain sizes of 3 mm – 20 mm, and its calculation can be omitted in approximate assessments of field ice loads for ice cover with these average grain sizes. It is also shown that variability of coefficient of thermal dilatation of ice with temperature is not important for the temperature range studied. The importance of initial conditions and ice behaviour in tension for the resulting ice load is also shown. The thesis emphasizes the importance of correct accounting of lateral confinement and ice type for ice load calculations. It is shown that when water level rises and the ice is confined laterally, if the reservoir consists primarily of columnar ice, the loads can be very substantial. As such, it is recommended that engineers pay particular attention to the possibility of having cold dry winters with little snow accumulations on an ice cover (favorable conditions for columnar ice formation) when choosing their design criteria