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Journées Nationales de Géotechnique et de Géologie de l’Ingénieur JNGG2014 – Beauvais 8-10 juillet 2014

L'APPORT DES DIAGRAPHIES ET DE L’IMAGERIE OPTIQUE D ANS L’ETUDE DE STABILITE D’UN BARRAGE POIDS EN MAÇONNER IE

UTILITY OF BOREHOLE MEASUREMENTS AND IMAGING IN DAM STABILITY ANALISIS

Thomas NOBLET1, Vincent ROUSSET2

1 ISL, Lyon, France, France 2 LIM-LOGGING, Luxembourg

RÉSUMÉ — Dans le cadre d’une étude de stabilité d’un barrage existant il est nécessaire de réaliser une modélisation complète de l’ouvrage. L’une des difficultés est alors de définir les paramètres intrinsèques de l’ouvrage et des terrains de fondation. Pour évaluer ces paramètres, des essais in situ et de laboratoire sont alors envisagés. La diagraphie et l’imagerie optique ont été utilisées dans le cadre d’une étude de stabilité réalisée sur deux barrages en maçonnerie (Pont et Massène et Chazilly, Côte d'or, Bourgogne) fondés sur des terrains de nature plutonique et sédimentaire. Un des enjeux de l’étude était d’évaluer l’état de fracturation et la densité de la maçonnerie existante. Des sondages carottés, des essais de laboratoires et des mesures géophysiques avaient été réalisés auparavant. Afin d’affiner les hypothèses de la modélisation, des mesures Gamma-Gamma, Gamma–Ray et une imagerie optique ont été réalisées. L’imagerie optique dans la maçonnerie a permis de vérifier les zones fracturées détectées via les autres méthodes (sondages carottés et géophysique). Cette technique a confirmé l’absence de vide dans le corps de l’ouvrage. Dans les terrains de fondation, l’imagerie permet de déterminer avec précision les caractéristiques des différentes discontinuités : orientation des familles, fréquence, ouverture et remplissage des joints. Ces caractéristiques du massif sont déterminantes pour le dimensionnement d’un voile d’injection et d’un réseau de drainage. Ces techniques ont permis d’avoir une approche des conditions in-situ (non déconfinées) des différents matériaux.

ABSTRACT — In a dam stability study, the entire structure needs to be modeled. One of the difficulties is then to define the intrinsic structure and soil parameters. A possible solution for their evaluation is to run borehole and lab tests. In two masonry dams (Pont et Massène et Chazilly, Côte d'or, Burgundy, France), borehole logs and optical borehole imaging were used to analyze the structure and foundation characteristics. One of the challenges was to define the masonry density and the extent of fracturing. A number of investigations (boreholes, geophysics and lab tests) had already been carried out, but uncertainties still persist. To improve the model, a borehole investigation (Gamma-Gamma and Gamma Ray) and optical borehole imaging were carried out. Borehole imaging in the masonry confirmed the fractured zones in the dam detected using the other methods (borehole cores and geophysics)


and also confirmed the absence of voids in the structure. In the foundations, borehole imaging gives a precise definition of the rock joint characteristics: discontinuity orientation, frequency, aperture and joint filling. Rock parameters are important when designing grout curtains and the drainage network. These techniques have provided a more in-depth understanding of the in-situ conditions for the different materials.

1. Cadre de l'étude

1.1. Contexte

Dans le cadre de l'étude de stabilité des barrages de Pont et Massène et Chazilly (Côte d'Or, Bourgogne), le bureau d'étude ISL a été sollicité par les Voies Navigables de France pour la maitrise d'œuvre des travaux de réhabilitation des barrages sus-cités. Lors de la dernière campagne de reconnaissances géotechniques, des relevées d'imagerie optique et de diagraphie (gamma-gamma et gamma-ray) ont été réalisées par l'entreprise LIM-Logging. L'objectif de cet article est de présenter l'utilisation des ces données dans un calcul de stabilité d'un barrage poids en maçonnerie.

1.2. Présentation des deux ouvrages

Le barrage de Pont et Massène se situe sur les communes de Pont-et-Massène, Flée et Montigny-sur-Armançon. L'ouvrage est un barrage poids en maçonnerie (moellons de granite et mortier) composé de 8 contreforts. La longueur en crête est de 150 m. La hauteur maximale est de 23,1 m. La capacité de la retenue est d'environ 5 million de mètre cube. Construit de 1878 à 1882, ce barrage a pour rôle de soutenir le débit d'étiage de l'Armançon qui alimente le canal de Bourgogne. Le barrage de Chazilly est implanté sur les communes de Sainte-Sabine et Chazilly. C'est un barrage poids maçonné (moellons calcaire et mortier) rectiligne d'une longueur de 536 m. Six contreforts sont disposés en aval d'une hauteur maximale de 22,5 m. L'ouvrage est implanté en tête du bassin versant du ru de la Miotte. Ce barrage assure lui aussi l'alimentation en eau du canal de Bourgogne.

Figure 1 : Photographies du barrage de Pont-et-Massène (à gauche) et Chazilly (à

droite)


1.3. Contexte géologique

Les deux barrages se situent dans des contextes géologiques différents. Cependant les deux se situent à la bordure orientale du bassin de Paris et à limite Nord est du massif du Morvan. Le barrage de Pont et Massène est directement implanté sur le granite du socle du Morvan. L'ouvrage de Chazilly est situé dans la plaine de l'Auxois recouverte de formations sédimentaires datant du Sinémurien (Lias) au Keuper. En rive on retrouve des horizons marneux de l'Hettangien et du Rhétien, au centre des grès du Keuper puis le socle cristallin du massif du Morvan (granite rose). L'ensemble des deux ouvrages sont très peu affectés par la tectonique.

2. Equipements et méthodes utilisés

2.1. Imagerie optique : sonde OPTV

La sonde utilisée lors de cette étude est basée sur un capteur optique de type CMOS, permettant la génération d'images dont la résolution horizontale varie de 360 à 1440 pixels par ligne d'image périmétrique ( 1 à 0,25° par pixel) et la résolution verticale peut être inférieure au millimètre. L'éclairage est assuré par une série de LED blanches de forte puissance. L'image ainsi obtenue est orientée en azimuth grâce à un magnétomètre tri-axial et en inclinaison par trois accéléromètres.

2.2. Mesures Gamma Gamma

La sonde utilisée est constituée d'un tube contenant les différents capteurs ainsi que les circuits électroniques nécessaires au dialogue entre la sonde et l'appareillage de surface. L'outil est maintenu contre la paroi du trou par un bras articulé manœuvré électriquement depuis la surface et qui enregistre en continu le diamètre du trou (caliper ou décentraliseur). En bas de sonde est fixé le conteneur de la source de césium Cs 137 qui émet de manière continue un rayonnement gamma. Ce rayonnement pénètre dans les formations situées autour de la sonde et trois capteurs NaI, respectivement à 12 cm, 24 cm et 48 cm de la source, comptent les impulsions produites par les rayons gamma qui parviennent jusqu'à eux.

3. Interprétation des résultats

3.1. Imagerie optique

L'intersection d'un plan (contact lithologique, fracture, fente de tension, etc...) avec un cylindre (forage) est une sinusoïde lorsque l'on « déroule » la représentation de la paroi du forage. Les images étant orientées, il est alors simple de déterminer l’azimut et le pendage de chaque sinusoïde, en tenant compte de la trajectoire exacte du forage. De même l'ouverture des joints est mesurée directement sur l'image.


3.2. Interprétation des mesures gamma-gamma

La mesure brute de la densité est donnée en coups par secondes. Afin d'étalonner cette mesure, des blocs de calibration, de masse volumique connue sont utilisés. Néanmoins, cette calibration standard s'avérant souvent insuffisante, les mesures sont transformées en valeurs de densité apparente selon un étalonnage établi sur base d'analyses réalisées en laboratoire sur des échantillons carottés prélevés, représentant les différents faciès : - à Chazilly il s'agissait de la maçonnerie en bon état et fracturée, de la marne, du grès et du granite, - à Pont il s'agissait de la maçonnerie (en bon état et fracturée) et du granite. Des abaques sont alors établis, permettant de calculer des coefficients qui sont appliqués aux données brutes, et donnent des valeurs de masse volumique apparente RHOLSD (capteur éloigné) et RHOHRD (capteur haute résolution) correspondantes :

(1)

(2)

A partir des valeurs RHOLSD et RHOHRD, et profitant de leurs profondeurs d'investigation différentes, nous calculons une valeur synthétique RHOB qui représente la densité de la zone la plus éloignée de l'axe du forage, afin de « désensibiliser » le résultat final par rapport à une éventuelle rugosité de la paroi ou autre perturbation du matériau provoquée par l'action de l'outil de forage. Le paramètre RHOB (RHO Bulk : densité apparente) se calcule alors de la manière suivante :

(3)

Pour tenir compte de la porosité, et donc de la saturation, il est nécessaire d'apporter une correction aux abaques de calcul de la masse volumique.

4. Analyse des résultats obtenus avec l'imagerie et la diagraphie

4.1. Analyse de la densité de la maçonnerie

4.1.1. Première campagne de reconnaissance

La densité est un paramètre majeur de l'étude de stabilité d'un barrage poids. Elle est délicate à définir pour les raisons suivantes : -différentes natures des moellons (calcaire ou granitique), -type de mortier utilisé, -proportion moellon/mortier pas uniforme le long du barrage, -zone de fort lessivage de mortier.

RHOB=(4�RHOLSD− RHOHRD)

3


Dans un premier temps, lors des premières campagnes de reconnaissances géotechniques, des pesées de caisses à carottes issues de forage ont été réalisées. Les carottes obtenues par forage étaient très fracturées. Un doute subsistait sur l'origine de cette forte fracturation, elle pouvait être expliquée par la réalisation du forage en lui-même ou par la réelle fracturation du corps du barrage. Les valeurs obtenues étaient difficilement interprétables. Des analyses géophysiques par tomographie électrique ont été réalisées sur les deux barrages afin de déterminer les zones plus ou moins conductrices dans le corps du barrage et dans les terrains de fondation. Une seule anomalie a été observée dans la maçonnerie à Pont-et-Massène.

4.1.2. Détection des vides dans la maçonnerie à l'aide de l'imagerie

Les nouvelles reconnaissances ont consistées dans un premier temps à améliorer la qualité des forages carottés afin d'obtenir un pourcentage de récupération proche de 100% pour cela la vitesse du forage a été réduite, un carottier triple a été utilisé, la vitesse de rotation a été augmentée. Malgré toutes ces précautions, le pourcentage de récupération dans la maçonnerie a été inférieur à l'objectif. Le tableau suivant présente les pourcentages de récupération obtenus sur les deux barrages.

Pourcentage de récupération moyen

Longueur totale forée dans la maçonnerie

Longueur totale de ''perte''

Pont et Massène 98,1 % 84 m 1,5 m

Chazilly 98,2 % 107 m 1,9 m

Tableau 1 : Pourcentages de récupération obtenus lors des dernières reconnaissances géotechniques

La pesée des caisses en laboratoire a permis de déterminer la densité des carottes. Cependant pour le calcul de la densité globale de l'ouvrage il a fallu déterminer si la ''perte'' observée était le reflet de l'existence de vide dans l'ouvrage ; pour cela des relevés d'imagerie optique ont été menés. L'imagerie permet de voir les conditions réelles du terrain (non déconfiné) en profondeur. Les résultats des investigations sont présentés dans le tableau ci-dessous.

Longueur observée dans la maçonnerie

Nombre de vides observés de taille inférieure à 10 cm.

Nombre de vides observés de taille

supérieure à 10 cm Pont et Massène 84 m 6 0

Chazilly 107 m 4 4

Tableau 2 : Résultats de l'imagerie optique réalisée sur les deux barrages


Figure n°2 : Exemples de vides observés inférieurs à 10 cm à gauche et supérieurs à 10 cm à droite

L'imagerie optique a permis de déterminer les zones comportant des vides. De plus, le volume des vides a pu être quantifié. Au vue de la faible ampleur des vides, le calcul de densité a été effectué en considérant que les ''pertes'' lors des forages carottés ne correspondait pas à des vides mais à des pertes lors de la réalisation du forage.

4.1.3. Mesures issues des diagraphies

Afin de déterminer la densité in situ de la maçonnerie des deux barrages. Des mesures de type gamma-gamma ont été réalisées dans l'ensemble des forages. Ces mesures ont été étalonnées avec les valeurs de densité obtenues en laboratoire. La figure suivante présente les résultats obtenus sur un forage du barrage de Pont-et-Massène.


Figure n°3 : Corrélation entre les mesures gamma-gamma, l'imagerie optique et le forage carotté

On remarque une bonne concordance entre les chutes des valeurs de densité et les passages fracturés observés avec l'imagerie optique et lors des forages carottés. La différence entre les valeurs de densité mesurées via la sonde et les densités obtenues en laboratoire est d'environ de 250 kg/m3 ce qui n'est pas négligeable. Cette méthode permet de définir précisément les zones moins denses d'un barrage mais ne permet pas de définir une valeur d'une densité absolue précise (incertitudes de l'ordre de 200 à 300 kg/m3). Cependant une précision meilleure des mesures est atteinte quand le milieu est saturé. Dans le cadre de l'étude les mesures de diagraphie ont permis de confirmer les passages fracturés des ouvrages. De plus ces mesures ont permis de démonter la relative homogénéité des deux ouvrages.

4.1.4. Caractéristiques mécaniques de la maçonnerie

A l'aide des différentes méthodes une évaluation des paramètres mécaniques de la maçonnerie a été réalisée.


Paramètres Valeurs retenues Méthode d'évaluation Densité humide 2250 kg/m3 Pesée des caisses et

diagraphie Cohésion 200 kPa Hoek and Brown (réduit)

Angle de frottement 45° Hoek and Brown (réduit)

Résistance à la compression

3,4 MPa Essai de laboratoire

Résistance à la traction Aucune valeur choisie Essai de laboratoire

Tableau 2: Paramètres mécaniques de la maçonnerie

4.2. Analyse de la fracturation des massifs rocheux

Sur le barrage de Pont-et-Massène un des enjeux de l'étude de stabilité du barrage est la fracturation du massif granitique. Il est nécessaire d'évaluer le risque de glissement de l'ouvrage sur des plans de fracture existants. Dans un premier temps un relevé géologique de surface a été réalisé sur les affleurements de granite en rive. Dans un deuxième temps, l'étude de la fracturation du rocher a été réalisée avec l'imagerie optique dans les différents forages.

4.2.1. Définition des différentes familles

Avec le relevé de surface trois familles de discontinuités ont été observées. La direction de l'ouvrage est N120.

Figure n°4 : Rosace des vecteurs pendages via deux méthodes (relevé de surface et imagerie optique)

De légères variations de direction sont observées entre les deux méthodes. L'imagerie optique permet d'analyser la fracturation du rocher à l'endroit où l'éventuel glissement pourrait avoir lieux. Les joints critiques sont donc étudiés ''in situ''. Dans le cadre de l'étude la discontinuité problématique est le joint de direction N45 avec un pendage d'environ 50° vers le Nord Ouest. Ce plan préférentiel peut proposer des problèmes de stabilité en rive droite.


4.2.2. Analyse des joints les plus défavorables

L'analyse préliminaire des différentes familles a permis de distinguer les joints problématiques vis-à-vis de la stabilité du barrage. Il est possible de cibler le joint défavorable dans les photographies obtenues. La figure suivante présente le joint en question au niveau du sondage SCC2.

Figure n°5 : Imagerie optique du joint défavorable

L'ouverture du joint a été évaluée à moins de 5 cm. Aucun remplissage argileux n'a été observé. La rugosité (paramètre JRC) a été évaluée à 10 selon l'abaque de Barton and Chubey (1977). Une évaluation du Geological Strenght Index (GSI) a été réalisée.

Paramètres Valeurs Note Méthode d'évaluation Rc max 5-25 MPa 2 Essais de laboratoire

RQD < 25% 3 Résultat du forage carotté Espacement des joints < 60 mm 5 Imagerie optique + log forage

Rugosité de la discontinuité

Joint le plus défavorable

10 Imagerie optique + analyse carotte

Condition hydraulique Sec 15 Imposée pour l'évaluation du RMR'89 RMR89 35

GSI = RMR 89 pour RMR89>21 30

Tableau 3 : Evaluation du GSI pour le granite fracturé

5. Calcul de stabilité

5.1. Paramètres déduits des reconnaissances

Comme le suggère les recommandations du CFBR, une approche via la loi Hoek and Brown peut être réalisée dans les massifs rocheux. Les résultats obtenus sont présentés dans le tableau suivant.


Paramètres Valeurs Cohésion Angle de frottement GSI = 30 Rc max : 45 MPa 400 kPa 54°

Rc min : 14 MPa 300 kPa 45°

Tableau 4 : Evaluation des paramètres intrinsèques du massif rocheux avec la loi Hoek and Brown

5.2. Approche de Barton pour la stabilité sur un joint

Pour évaluer la stabilité du plot de rive sur un plan préférentiel, selon les recommandations du CFBR, la loi de comportement plastique des joints rocheux peut être approchée par la relation de Barton suivante (Hoek, 1997) :

τ= σ n tan (φb+JRClog10(JCSσn ))

(4)

Des essais de cisaillement sur joint ouvert ont été réalisés dans une campagne de reconnaissances précédente, l'angle de frottement résiduel obtenu est de 35°. L'angle obtenu pour la rugosité est de 5°. Les calculs de stabilité ont été par la suite réalisé avec une cohésion nulle est un angle de frottement de 40° au droit du plan préférentiel. Les détails des calculs de stabilité n’ont, à ce stade, pas été validés par les services de l’Etat.

6. Conclusion

Ces deux méthodes ont permis de lever les incertitudes majeures (analyse de la densité de la maçonnerie, zones réelles de fracturation, présence de vide et analyse des plans de glissement préférentiel) résultant des campagnes géotechniques précédentes. La diagraphie a permis de confirmer les zones fracturées dans la maçonnerie définies par les autres investigations (sondages carottés et géophysique). L'imagerie optique a confirmé l'absence de vide de grande ampleur dans la maçonnerie et a permis d'évaluer la qualité des joints de la fondation granitique rocheuse. Ces deux approches sont complémentaires et permettent d'obtenir rapidement une vision du terrain ''in situ".

Références bibliographiques

N.Barton and V.Choubey (1976), The shear Strengh of Rock Joints in Theroy and Practice.

AFTES (2003, Caractérisation des massifs rocheux utile à l'étude et à la réalisation des ouvrages

souterrains.

E.Hoek, Rock Engineering course notes by Evert Hoek, Chapter 11 Rock mass properties.

CFBR (2012), Recommandations pour la justification de la stabilité des barrages-poids.

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