THE EROSION BEHAVIOR OF REVETMENT USING GEOTEXTILE
Protection des berges contre l'érosion avec des dispositifs incorporant des géotextiles.
Résumé
Unfavorable erosion on revetments may affect the slope stability of riverbanks and jeopardize the safety of adjacent buildings, and debris can be triggered by the soils and rocks eroded from the riverbanks and accumulate on the riverbed. Improvement works are needed to increase the stability of revetments as well as to reduce the possibility of failure. Current practices usually involve building tall concrete revetments, causing negative environmental impacts and instability of riverbanks under long-term erosion. Therefore, it is crucial to find materials suitable for building revetments which are safe and environmentally friendly as well.
Geotextiles used as a riverbank protection material is not only more environmentally-friendly but also more stable in long-term compared to concrete. However, improper design of geotextile revetments can cause considerable loss of riverbank soil, which might result in failure. Today numerous studies on erosion behavior of geotextile revetments have been completed, but most of them focused on only one directional flow behavior. The actual flow behavior in geotextile revetments is rather complicated and can be categorized into uni-directional flow zone, cyclic flow zone, and tangential flow zone.
In this study, the erosion behavior of non-cohesive or low-cohesive soil under the aforementioned three flow conditions was studied by tests using the equipments developed separately. The test result reveals that ground water seepage in the uni-directional flow zone may cause internal erosion of soil, and part of soil particles may be lost through the openings of the geotextile. The rest may be clogged inside the fibers of the geotextile or accumulated behind the geotextile, forming a natural filter layer, thereby causes the decrease of seepage velocity. Once the seepage velocity is lower than the critical velocity, the internal erosion of soil will cease.
Bi-directional cyclic flow zone can be categorized into the short term and the long-term cyclic flow conditions, depending on the flow period, which may induce different soil erosion behaviors. Thus, two test instruments were developed respectively. The result of the large-scale tank test for the short term cyclic flow condition reveals that the soil in the upper layer of the bi-directional cyclic flow zone subjected to cyclic wave loadings may trigger higher excess pore water pressure and result in collapse, while the soil in the middle layer may be eroded by the tangential flow along the riverbank and accumulated downstream. In additional to the opening size of the geotextile, the coverage area of rocks on the geotextile is also a key factor affeeting soil erosion.
The test results using cyclic flow instrument show that under the long-term cyclic flow action, with long cyclic flow period (600 sec/cycle), the seepage velocity in the soil layer is too slow to move soil particles, therefore no erosion is observed. However, as the seepage velocity increases, the effective stress in the soil will decrease due to the rising seepage pressure, thereby causing boiling and triggering considerable loss of soil and settlement. Besides, the influence depth in this flow condition is greater than that of short-term cyclic flow condition. Furthermore, through the hydraulic gradient ratios between the two piezometers installed above and underneath the geotextile, as well as from electron microscopy images of fibers inside the geotextile, it can be found that clogging of soil particles is not so serious as that in uni-directional flows.
Erosion behavior in the tangential flow zone was studied with a parallel erosion test instrument. The result reveals that tangential erosion behavior on the soil surface can be categorized by flow velocity. If the flow velocity is lower than the critical velocity (vc), no erosion will occur. If the flow velocity is between the critical velocity and failure velocity (vf), steady erosion will occur on the slope face. If the flow velocity is higher than the failure velocity, intense erosion will occur on the slope face and erosion failure of the revetment may thus be triggered. Moreover, the existence of geotextile on the surface of revetment has less influence on soil erosion. Revetments without geotextile on the slope surface are subjected to continuous erosion and may finally collapse due to cave-in at the toe of slope. A suitable geotextile covered on the surface of the revetment can not only avoid erosion but also form a natural filter layer underneath the geotextile, which prevents the soil from being continuously eroded. Once a natural filter layer is completely formed, the revetment will become stable.
Geotextiles used as a riverbank protection material is not only more environmentally-friendly but also more stable in long-term compared to concrete. However, improper design of geotextile revetments can cause considerable loss of riverbank soil, which might result in failure. Today numerous studies on erosion behavior of geotextile revetments have been completed, but most of them focused on only one directional flow behavior. The actual flow behavior in geotextile revetments is rather complicated and can be categorized into uni-directional flow zone, cyclic flow zone, and tangential flow zone.
In this study, the erosion behavior of non-cohesive or low-cohesive soil under the aforementioned three flow conditions was studied by tests using the equipments developed separately. The test result reveals that ground water seepage in the uni-directional flow zone may cause internal erosion of soil, and part of soil particles may be lost through the openings of the geotextile. The rest may be clogged inside the fibers of the geotextile or accumulated behind the geotextile, forming a natural filter layer, thereby causes the decrease of seepage velocity. Once the seepage velocity is lower than the critical velocity, the internal erosion of soil will cease.
Bi-directional cyclic flow zone can be categorized into the short term and the long-term cyclic flow conditions, depending on the flow period, which may induce different soil erosion behaviors. Thus, two test instruments were developed respectively. The result of the large-scale tank test for the short term cyclic flow condition reveals that the soil in the upper layer of the bi-directional cyclic flow zone subjected to cyclic wave loadings may trigger higher excess pore water pressure and result in collapse, while the soil in the middle layer may be eroded by the tangential flow along the riverbank and accumulated downstream. In additional to the opening size of the geotextile, the coverage area of rocks on the geotextile is also a key factor affeeting soil erosion.
The test results using cyclic flow instrument show that under the long-term cyclic flow action, with long cyclic flow period (600 sec/cycle), the seepage velocity in the soil layer is too slow to move soil particles, therefore no erosion is observed. However, as the seepage velocity increases, the effective stress in the soil will decrease due to the rising seepage pressure, thereby causing boiling and triggering considerable loss of soil and settlement. Besides, the influence depth in this flow condition is greater than that of short-term cyclic flow condition. Furthermore, through the hydraulic gradient ratios between the two piezometers installed above and underneath the geotextile, as well as from electron microscopy images of fibers inside the geotextile, it can be found that clogging of soil particles is not so serious as that in uni-directional flows.
Erosion behavior in the tangential flow zone was studied with a parallel erosion test instrument. The result reveals that tangential erosion behavior on the soil surface can be categorized by flow velocity. If the flow velocity is lower than the critical velocity (vc), no erosion will occur. If the flow velocity is between the critical velocity and failure velocity (vf), steady erosion will occur on the slope face. If the flow velocity is higher than the failure velocity, intense erosion will occur on the slope face and erosion failure of the revetment may thus be triggered. Moreover, the existence of geotextile on the surface of revetment has less influence on soil erosion. Revetments without geotextile on the slope surface are subjected to continuous erosion and may finally collapse due to cave-in at the toe of slope. A suitable geotextile covered on the surface of the revetment can not only avoid erosion but also form a natural filter layer underneath the geotextile, which prevents the soil from being continuously eroded. Once a natural filter layer is completely formed, the revetment will become stable.
L'érosion des revêtements des digues de rivière peut affecter la stabilité des talus des rives et mettre en danger la sécurité des constructions voisines, et des écoulements de débris peuvent être déclenchés par le sol et les roches érodées de la rive et accumulées dans le lit de rivière. Des travaux d'amélioration sont nécessaires pour augmenter la stabilité des revêtements aussi bien que réduire la possibilité de rupture. Les pratiques actuelles impliquent habituellement la construction d'un épais revêtement en béton, causant des impacts négatifs sur l'environnement et une instabilité des rives sous l'effet de l'érosion à long terme. Afin de remplacer le béton, il est donc crucial de trouver des matériaux de construction respectueux de l'environnement et appropriés à la construction de revêtements sûrs.
Les géotextiles, en tant que matériau de protection de rive sont non seulement plus respectueux de l'environnement, mais aussi plus stables à long terme, comparés au béton. Cependant, une mauvaise conception d'un revêtement géotextile peut entraîner une perte considérable du sol de la rive, ce qui peut conduire à la rupture. Aujourd'hui de nombreuses études sur le comportement de revêtements géotextiles soumis à l'érosion ont été réalisées, mais chacune d'entre elles s'est intéressée uniquement à un type d'écoulement. Le comportement réel d'un revêtement géotextile soumis à écoulement est assez compliqué, et suivant le type d'écoulement on définit dans cette étude trois zones : la zone de flux unidirectionnel, la zone de flux cyclique bidirectionnel, et la zone de flux tangentiel.
Dans ce projet, le comportement sous érosion de sols non cohésifs ou peu cohésifs avec les trois conditions de flux mentionnées ci-dessus a été étudié avec des essais utilisant un équipement développé pour chaque condition de flux. Les résultats d'essais révèlent qu'un écoulement souterrain dans la zone de flux unidirectionnel peut provoquer l'érosion interne du sol et qu'une partie des particules de sol entraînées peut passer à travers les ouvertures du géotextile. Le reste de ses particules peut se colmater à l'intérieur des fibres du géotextile ou s'accumuler derrière le géotextile, formant une couche filtrante naturelle et réduisant la vitesse de l'écoulement. Une fois que la vitesse d'écoulement est plus basse que la vitesse critique, l'érosion interne du sol cesse.
La zone de flux cyclique bidirectionnel peut être identifiée en fonction des conditions de flux de : « flux cylique à court terme » et de cycliques à long terme », selon la période du cycle du flux, pour laquelle le comportement du revêtement géotextile diffère lors de l'érosion. Ainsi, deux instruments d'essais ont été développés. Les résultats d'essais dans un canal à vague grandeur nature avec des conditions de flux cycliques à court terme révèlent que le sol de la couche supérieure de la zone de flux cyclique bidirectionnel est soumis à la charge cyclique des vagues, ce qui peut entraîner un excès de pression interstitielle et aboutir à l'écroulement, tandis que le sol dans la couche moyenne peut être érodé par le flux tangentiel le long de la rive et accumulé en aval. En outre, en plus de l'ouverture du géotextile, le taux de couverture des roches sur le géotextile est aussi un facteur clef qui contrôle le ravinement du sol. Les résultats d'essai utilisant l'instrument de flux cyclique bidirectionnel à long terme, pour une période de flux cyclique particulièrement longue (600 secondes/cycle), montrent que la vitesse d'écoulement dans la couche de sol est trop faible pour déplacer les particules de sol, et on ne s'attend donc à aucune érosion. Cependant, quand la vitesse d'infiltration augmente, la contrainte effective dans le sol diminue en raison de l'augmentation de pression de l'écoulement, causant ainsi un phénomène de boulance (boiling) et un entraînement considérable de sol ainsi que le tassement de celui-ci. En plus, la profondeur d'influence avec cette condition de flux est plus grande qu'avec la condition de flux cyclique à court terme. En outre, d'après les valeurs de gradient hydraulique déduites des mesures réalisées avec deux piézomètres installés au-dessus et au-dessous du géotextile, aussi bien que d'après les images de microscopie électronique de fibres du géotextile, on peut constater que l'extension de la zone de colmatage par les particules de sol n'est pas aussi importante que pour des flux unidirectionnels.
Le comportement en érosion dans la zone de flux tangentiel a été étudié avec l'instrument d'essai d'érosion parallèle. Le résultat révèle que le comportement en érosion tangentiel sur la surface de sol peut être défini par la vitesse de flux. Si la vitesse de flux est inférieure que la vitesse critique (vc), aucune érosion n'apparaît. Si la vitesse de flux est entre la vitesse critique et la vitesse de rupture (vf), une érosion permanente se produira à la surface de sol. Si la vitesse d'écoulement est plus grande que la vitesse de rupture, une érosion intense se produira dans le sol et entraînera la rupture du revêtement. De plus, la présence d'un géotextile sur la surface du revêtement a une influence non négligeable sur le comportement en érosion. Les revêtements sans géotextile sur la surface sont soumis à une érosion continue et peuvent finalement s'effondrer en raison d'éboulements en pied de pente. Une couverture géotextile appropriée sur la surface du revêtement peut non seulement éviter l'érosion, mais aussi former une couche filtrante naturelle au-dessous du géotextile qui empêche que l'érosion du sol continue. Une fois que la couche de filtre naturelle est complètement formée, le revêtement est stabilisé.
Les géotextiles, en tant que matériau de protection de rive sont non seulement plus respectueux de l'environnement, mais aussi plus stables à long terme, comparés au béton. Cependant, une mauvaise conception d'un revêtement géotextile peut entraîner une perte considérable du sol de la rive, ce qui peut conduire à la rupture. Aujourd'hui de nombreuses études sur le comportement de revêtements géotextiles soumis à l'érosion ont été réalisées, mais chacune d'entre elles s'est intéressée uniquement à un type d'écoulement. Le comportement réel d'un revêtement géotextile soumis à écoulement est assez compliqué, et suivant le type d'écoulement on définit dans cette étude trois zones : la zone de flux unidirectionnel, la zone de flux cyclique bidirectionnel, et la zone de flux tangentiel.
Dans ce projet, le comportement sous érosion de sols non cohésifs ou peu cohésifs avec les trois conditions de flux mentionnées ci-dessus a été étudié avec des essais utilisant un équipement développé pour chaque condition de flux. Les résultats d'essais révèlent qu'un écoulement souterrain dans la zone de flux unidirectionnel peut provoquer l'érosion interne du sol et qu'une partie des particules de sol entraînées peut passer à travers les ouvertures du géotextile. Le reste de ses particules peut se colmater à l'intérieur des fibres du géotextile ou s'accumuler derrière le géotextile, formant une couche filtrante naturelle et réduisant la vitesse de l'écoulement. Une fois que la vitesse d'écoulement est plus basse que la vitesse critique, l'érosion interne du sol cesse.
La zone de flux cyclique bidirectionnel peut être identifiée en fonction des conditions de flux de : « flux cylique à court terme » et de cycliques à long terme », selon la période du cycle du flux, pour laquelle le comportement du revêtement géotextile diffère lors de l'érosion. Ainsi, deux instruments d'essais ont été développés. Les résultats d'essais dans un canal à vague grandeur nature avec des conditions de flux cycliques à court terme révèlent que le sol de la couche supérieure de la zone de flux cyclique bidirectionnel est soumis à la charge cyclique des vagues, ce qui peut entraîner un excès de pression interstitielle et aboutir à l'écroulement, tandis que le sol dans la couche moyenne peut être érodé par le flux tangentiel le long de la rive et accumulé en aval. En outre, en plus de l'ouverture du géotextile, le taux de couverture des roches sur le géotextile est aussi un facteur clef qui contrôle le ravinement du sol. Les résultats d'essai utilisant l'instrument de flux cyclique bidirectionnel à long terme, pour une période de flux cyclique particulièrement longue (600 secondes/cycle), montrent que la vitesse d'écoulement dans la couche de sol est trop faible pour déplacer les particules de sol, et on ne s'attend donc à aucune érosion. Cependant, quand la vitesse d'infiltration augmente, la contrainte effective dans le sol diminue en raison de l'augmentation de pression de l'écoulement, causant ainsi un phénomène de boulance (boiling) et un entraînement considérable de sol ainsi que le tassement de celui-ci. En plus, la profondeur d'influence avec cette condition de flux est plus grande qu'avec la condition de flux cyclique à court terme. En outre, d'après les valeurs de gradient hydraulique déduites des mesures réalisées avec deux piézomètres installés au-dessus et au-dessous du géotextile, aussi bien que d'après les images de microscopie électronique de fibres du géotextile, on peut constater que l'extension de la zone de colmatage par les particules de sol n'est pas aussi importante que pour des flux unidirectionnels.
Le comportement en érosion dans la zone de flux tangentiel a été étudié avec l'instrument d'essai d'érosion parallèle. Le résultat révèle que le comportement en érosion tangentiel sur la surface de sol peut être défini par la vitesse de flux. Si la vitesse de flux est inférieure que la vitesse critique (vc), aucune érosion n'apparaît. Si la vitesse de flux est entre la vitesse critique et la vitesse de rupture (vf), une érosion permanente se produira à la surface de sol. Si la vitesse d'écoulement est plus grande que la vitesse de rupture, une érosion intense se produira dans le sol et entraînera la rupture du revêtement. De plus, la présence d'un géotextile sur la surface du revêtement a une influence non négligeable sur le comportement en érosion. Les revêtements sans géotextile sur la surface sont soumis à une érosion continue et peuvent finalement s'effondrer en raison d'éboulements en pied de pente. Une couverture géotextile appropriée sur la surface du revêtement peut non seulement éviter l'érosion, mais aussi former une couche filtrante naturelle au-dessous du géotextile qui empêche que l'érosion du sol continue. Une fois que la couche de filtre naturelle est complètement formée, le revêtement est stabilisé.