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Projet Interreg III A – Risques hydrogéologiques en montagne : parades et surveillance – RiskYdrogeo. Atelier n°3 du 7 au 9 juin 2005 à Albertville

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Les systèmes de surveillance par capteurs sismiques

Fabrice Guyoton – Laurent Chatel l

LES SYSTÈMES DE SURVEILLANCE PAR CAPTEURS SISMIQUES

Dans le cadre de la sécurisation d’itinéraires publics vis-à-vis de phénomènes naturels tels que les éboulements rocheux et les avalanches, les systèmes de surveillance par capteurs sismiques permettent de réaliser leur surveillance en continu, avec gestion automatique d’alertes et d’alarmes à distance et en temps réel.

1. - PHÉNOMÈNES NATURELS DÉTECTÉS PAR CAPTEURS SISMIQUES Les systèmes de surveillance par capteurs sismiques appliqués aux risques naturels permettent de détecter des signaux sismiques induits par les déformations des terrains. Ce sont principalement :

1. les ondes générées par la déformation cassante des terrains séismes naturels ou provoqués par

l’activité humaine (rupture le long d’une faille tectonique)

nanoséismes (micro ruptures ou cassures métriques)

2. les ondes générées par la chute et /ou la propagation d’une masse (phénomènes gravitaires) sur une pente. éboulements rocheux avalanches crues torrentielles.

Séismes : Dans les Alpes françaises, plus de 40 stations sismologiques enregistrent les séismes pour l’étude de la sismicité régionale. Chaque année, le réseau Sismalp, installé entre 1988 et 2003, localise 600 à 700 séismes alpins.

Sismalp n’est pas un réseau de surveillance au sens strict du terme. Il n’a pas une fonction d’alerte. Par contre, le Réseau National de Surveillance Sismique (ReNaSS) réalise une astreinte sismique pour les séismes forts du territoire français et les séismes majeurs en Europe. Dans le cas de la sismicité naturelle, la prévision des séismes est à ce jour encore impossible. Seule la prévention peut être réalisée. De nombreuses études sont réalisées actuellement pour la prise en compte et la réduction du risque sismique. Lorsque l’activité humaine agit sur les pressions fluides au sein de la croûte, des séismes peuvent être provoqués ou induits. En France, les exemples les plus connus sont ceux du barrage hydroélectrique du Monteynard (38) et de l’exploitation pétrolière de Lacq (64). Dans les deux cas des mesures ont été envisagées pour réduire le risque. Nanoséismes : La surveillance par capteur sismique est courante dans les mines souterraines pour prévenir les effondrements des toits rocheux des galeries.

Ce type de surveillance peut également s’appliquer pour la surveillance par exemple de massifs rocheux en mouvement (ex. site de la Clapière - 06) ou de grands toits rocheux surplombant au dessus d’ouvrages (ex. site des Grands Goulets - 26). En effet, lors de

l’écroulement de surplombs rocheux, la rupture des ponts résistants entre les fractures ou les diaclases libère de l’énergie qui se propage sous la forme d’ondes sismiques : ce sont des nanoséismes.

Nanoséisme (micro-rupture)


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Les systèmes de surveillance par capteurs sismiques Fabrice Guyoton – Laurent Chatel

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Dans le cas d’un surplomb rocheux, principalement individualisé par la stratigraphie, il est possible d’observer l’évolution du nombre de micro-ruptures (ou microcracks) dans le temps. Ce nombre peut être très important avant l’écroulement. Plus la surface de rupture sera grande, plus l’amplitude des nanoséismes sera forte. Les micro-ruptures ne sont généralement pas accompagnées de déplacements mesurables par des capteurs de déplacements. Les signaux sismiques peuvent donc alerter sur l’évolution d’une masse rocheuse et prévenir de son écroulement prochain.

Éboulements rocheux Lors de la chute d’un bloc rocheux, chaque impact au sol va libérer de l’énergie qui se transmettra ensuite dans le sol sous forme d’ondes sismiques. Le signal sismique aura une amplitude d’autant plus forte que la masse et la vitesse du bloc seront élevées.

Avalanches Tout comme les éboulements rocheux, lors du déclenchement (création de microcracks) et de sa propagation (écoulement), une avalanche va libérer de l’énergie qui se transmettra ensuite dans le sol sous forme d’ondes sismiques.

2. - PRINCIPE Au cours de l’impact au sol ou au cours de sa propagation, un événement gravitaire fait vibrer le sol par chocs, frottements, turbulences ou pressions aériennes. Toutes ces contraintes au sol ou au sous-sol entraînent une libération d’énergie qui est transportée par les ondes sismiques. Les ondes sismiques ainsi générées se propagent dans le sol et peuvent être enregistrées à distance par un capteur

sismique. Une centrale sismique peut alors détecter l’arrivée du signal et l’enregistrer. On peut donc ainsi détecter à distance la propagation des événements tels que les éboulements rocheux, les avalanches ou les crues torrentielles. La détection de ces événements peut permettre une gestion de la sécurité en continu et en temps réel avec possibilité de fermeture et réouverture automatique d’une voie à la circulation.

3. - DÉTECTION ET DISCRIMINATION DES SIGNAUX SISMIQUES Les éboulements rocheux et les avalanches ne sont évidemment pas les seuls signaux sismiques qui se propagent. De nombreux signaux parasites pour la surveillance sont enregistrés (séismes, tirs de mine, vibrations dues aux trafics routiers, ferroviaires et aériens, tonnerre, etc.) Complexité des signaux Le milieu de propagation des ondes sismiques a un effet filtrant sur le signal obtenu. Les signaux sont fonction :

du type de l’événement et de l’énergie d’impact

de la nature du terrain de la distance entre la source et la

capteur des bruits parasites.

Petit bloc (faible vitesse) enregistré à 2 m, à 15 m et à 30 m de distance

Bloc rocheux de 10 lfaible vitesse


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Le système de surveillance devra être adapté aux signaux spécifiques à chaque site. De plus, les sources sismiques induites par les événements gravitaires sont complexes du fait du nombre important de sources élémentaires. Les éboulements sont composés de nombreux blocs de taille différente qui sont chacun une source avec une puissance et une fréquence d’émission distincte. Le signal résultant est une sommation de signaux émis par ces sources élémentaires à chaque instant, avec possibilité d’interférences constructives ou destructives.

Propagation d’un bloc (500 kg – 15 à 20 m/s) sur éboulis grossier vif

Malgré ceci, des signaux d’origine très différente peuvent se ressembler fortement (avalanche-tonnerre, tir de mine-impact bloc). Discrimination Les signaux parasites doivent être éliminés si l’on veut limiter les alertes et alarmes intempestives. Ces signaux peuvent être d’origine :

Naturelle, principalement séismes, tonnerres ;

Humaine : tirs de mine, trafics routiers, ferroviaires ou aériens, lignes EDF, etc. ;

Électronique, artéfacts.

Pour qu’un système de surveillance soit efficient, il importe donc de différencier les signaux que l’on souhaite détecter des autres signaux. Il est également nécessaire de discriminer un événement naturel au sein d’un bruit parasite (chute d’un bloc juste après le passage d’un véhicule, avalanche après séisme local, etc.)

Impact d’un bloc de 10 l pendant passage d’un véhicule

Impacts de petits blocs après passage d’un véhicule

La surveillance par capteurs sismiques nécessite donc une discrimination automatique la plus pertinente possible.

tonnerre

hélicoptère

véhicule

avalanche

microséisme


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Pour ceci, les expérimentations réalisées à ce jour montrent la nécessité d’analyser le signal dans plusieurs espaces de représentation pour arriver à une reconnaissance automatique fiable. Modes de détection La détection d’événements peut s’effectuer par différents modes d’analyse des signaux sismiques. L’analyse se réalise principalement dans le domaine temporel, le domaine fréquentiel, le domaine temps-fréquence ou domaine de polarisation. Domaine temporel Certains signaux ont une forme d’ondes caractéristique qui permet de les reconnaître plus ou moins facilement par le seul examen de leur allure temporelle. La seule fonction temps, associée à un mode de déclenchement, est cependant insuffisante pour discriminer l’ensemble des signaux.

Propagation d’un bloc (850 kg – 15 à 20 m/s)

sur éboulis grossier vif

Domaine fréquentiel Le domaine spectral est un autre domaine classique de description du signal. Cependant, dans le cas d’événements gravitaires, l’analyse du spectre des signaux est en général insuffisante pour lever l’ambiguïté de l’identification du fait de la non-stationnarité des signaux. L’analyse spectrale permettra par exemple d’éliminer un signal généré par un camion en bordure d’autoroute dans le cas d’une surveillance d’éboulements rocheux mais pas dans le cas d’une surveillance d’avalanche. Les signaux générés, par exemple, par les séismes régionaux, les téléséismes, les camions sont facilement éliminables par cette analyse. De plus, les sols ont des effets dispersifs. Pour un même événement, le contenu fréquentiel sera différent en fonction de la distance par rapport au capteur.

analyse spectrale

chute d’un bloc 10 l passage d’un train

Domaine temps-fréquence Il décrit la répartition d’une variable de l’énergie (puissance, énergie, densité spectrale …) en fonction du temps et de la fréquence. Par cette technique, Météo-France, dans le cadre d’étude des avalanches, élimine certains événements facilement caractérisables comme les séismes proches.

Exemples d’analyse temps-fréquence (Météo-France)

Domaine de polarisation Il s’agit de détecter et de caractériser les trajectoires d’un événement dans le but de déterminer la direction d’arrivée du signal. Les évènements ayant des directions impossibles sont alors éliminés. Cette méthode d’analyse nécessite de disposer soit de capteurs sismiques à trois composantes, ce qui est très pénalisant dans le cas d’un site relativement étendu, soit d’un réseau dense de capteurs selon des dispositions particulières (antenne sismique). L’identification pertinente de phénomènes de type éboulements rocheux ou avalanches reste parfois incertaine. Pour procéder à l’identification automatique de ces signaux, il est nécessaire d’effectuer une analyse simultanée dans plusieurs domaines. Nécessité d’un réseau de capteurs Un réseau de capteurs sismiques, selon certaines dispositions, permet d’éliminer


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beaucoup de signaux parasites, non éliminés par l’analyse des signaux proprement dite. En effet, une nappe de capteurs permet d’analyser la direction et la vitesse de l’événement, qui sont deux paramètres déterminants pour les phénomènes naturels gravitaires. Amélioration de l’efficience d’un système en place L’efficience d’un système de surveillance par capteurs sismiques peut être améliorée par les rejeux des données du site, en testant différentes séquences de paramètres à l’aide de logiciels spécifiques. Ceci nécessite de sauvegarder les enregistrements en continu du site pendant une période suffisamment longue.

4. - AVANTAGES ET INCONVÉNIENTS Les principaux inconvénients de la détection par géophones sont les suivants : • configuration parfois inadaptée du site

(pour éviter le coup droit au but il faut que le temps de propagation soit inférieur au temps de traversé de la zone à sécuriser, mais ceci est valable pour tout type de capteurs – nécessite une surface de rebond) ;

• dispositif sensible aux environnements bruyants ;

• malgré des modes de détection évolués, les détections intempestives sont possibles du fait de la difficulté d’établir des critères d’identification fiables pour la reconnaissance automatique des signaux (détection non exhaustive).

Les principaux avantages de la détection par géophones sont les suivants : • détection en temps réel ; • dispositif fonctionnant par tous types de

temps météo (brouillard, neige, fortes précipitations, froid, etc.) ;

• pas de zones d’ombres dues à la topographie (talwegs, barres rocheuses, etc.) ou à la présence de végétation (arbres ou végétaux) ;

• dispositif fonctionnant jour et nuit ; • adapté à une zone étendue, non

canalisée ; • bonne fiabilité. Plusieurs centaines de

stations d’acquisition sismique fonctionnent dans le monde entier et ont prouvé leur robustesse en sites extrêmes (Andes, Himalaya, Alpes, etc.) ;

• les modes d’analyse des détections permettent dans de nombreux cas, de réduire efficacement les déclenchements intempestifs ;

• le mode de déclenchement peut être adapté à chaque site – le paramétrage de chaque géophone peut être adapté ;

• possibilité de localiser l’événement ; • possibilité de surveiller plusieurs

phénomènes sur un même site (éboulement rocheux et avalanche) ;

• le temps entre la détection d’éboulements rocheux par les capteurs et l’exécution des mesures d’urgence est réduit ; inférieur à quelques secondes.

• la maintenance est faible ; • très faible consommation énergétique (le

220 V n’est pas nécessaire) ; • le système est évolutif à faible coût par

apprentissage de son environnement, tant pour la détection que pour la gestion des alertes et alarmes ;

• le coût est équivalent à d’autres systèmes de surveillance (radar, caméra, etc.) ;

• pas d’impact environnemental (s’adapte parfaitement aux sites naturels protégés).

5. - SITES FRANÇAIS INSTRUMENTÉS Actuellement, quelques sites naturels sont sécurisés vis-à-vis des phénomènes d’éboulements rocheux par un système de surveillance par géophone :

Chaos de Coumély (Cirque de Gavarnie - Haute Pyrénées) gestion de la coupure de la RD 921 (accès station de ski) – mis en place en 1996 par Cessys. Ligne SNCF Dole –Belfort – Zone Filet 51 – installation en 1997 par Cessys. Gripp (Campan – Hautes-Pyrénées) gestion de la coupure de la RD 908 (accès station de ski) installation en 2000 par Cesigma Rochaille (accès au Col de Larche – Alpes de Haute-Provence) conception Géolithe et mise en œuvre en 2001 par Leas. Saint-Julien-Mont-Denis (Savoie) mise en œuvre en 2003 par AlpuG.

Plusieurs systèmes de surveillance d’éboulements rocheux et d’avalanches sont actuellement en projet pour gérer la circulation de routes départementales et nationales.

6. - EXEMPLE D’APPLICATION : LE SITE DE LA ROCHAILLE


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Un système de surveillance en continu des éboulements rocheux par détection sismique est en fonction depuis l’été 2001 sur le site de la Rochaille (département des Alpes de Haute Provence), sur la RD 900. Le Conseil Général 04 a mis en place ce système pour sécuriser en permanence la route à fort trafic qui relie Barcelonnette à la frontière Italienne (col de Larche).

Vue générale du site de La Rochaille (04)

Vues des écrans de filets détruits

Contexte Un éboulement s’est déclaré le 23 mars 2001 et a détruit les écrans de filets existants. Cet événement a entraîné la fermeture de la route (accès à l’Italie, fort trafic routier) ; 1000 véhicules passent sur la RD900 chaque jour, dont 25% de poids lourds ; Nécessité de réouvrir la route, sécurisée, au plus vite (la réouverture sous surveillance a eu lieu le 22 juin 2001) ; Site de haute montagne (entre 1400 et 2100); Fréquence élevée des événements (éboulements rocheux), plusieurs par jour ; Taille des événements (de la chute de blocs à l’éboulement en grande masse) ; Durée de franchissement de zone par un véhicule (de l’ordre de 50 s pour un camion) ; Durée de la propagation des blocs entre le haut de l’éboulis et la route (de l’ordre de 50 s ; Topographie ; Les trajectoires des blocs peuvent être hautes (>10 m sol) ; Très peu de zones protégées des éboulements rocheux ; Présence d’animaux sauvages de grande taille (chamois, etc.).

Le système de surveillance en continu des éboulements rocheux du site de La Rochaille est composé de :

D’un dispositif de détection vibro-acoustique composé principalement de :

12 géophones monocomposantes (4,5 Hz); 4 balises d’acquisition en mode acquisition permanente et transfert permanent ;

de liaisons par fibres optiques (>1000 m) ; une unité de traitement (PC industriel durci). Le mode de déclenchement a été élaboré pour limiter les déclenchements intempestifs ;

une réception GPS ; une autoalimentation du dispositif de 24 heures.

D’un dispositif de secours par détection électro-mécanique :

2 écrans parallèles de 5 m de haut et espacés d’environ 15 m.

système hardware indépendant ; une autoalimentation du dispositif de 24 heures ;

dispositif facilement escamotable, avec une mise en place rapide (quelques heures).

D’un dispositif de gestion de la sécurité de la route composé principalement de :

1 armoire CEM ; un soft de gestion des alertes et alarmes ;


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une unité de contrôle externe au PC permettant l’autocontrôle de l’ensemble du système de surveillance ;

4 feux rouges au xénon « arrêt absolu », sécurisés ;

2 barrières basculantes sécurisées ; 2 feux tricolores déportés, permettant le stationnement des véhicules en zone protégée et au niveau d’aire de retournement ;

une signalisation une électronique de sécurisation positive et une autoalimentation de l’ensemble du dispositif de 24 heures.

Pour le site de La Rochaille, le fonctionnement normal est le suivant :

Si le seuil STA/LTA évolué dépasse un seuil, il y a alerte.

L’alerte entraîne : Le stockage d’informations qualitatives

et quantitatives sur le PC.

Si ce seuil est dépassé un certain nombre de fois dans une durée donnée (paramètres adaptés pour chaque capteur en fonction de la connaissance des phénomènes et du risque), alors il y a alarme.

L’alarme entraîne la fermeture de la route par :

la mise au rouge des feux (feux aux extrémités de la zone et feux déportés) et l’abaissement des barrières ;

la transmission de messages de fermeture provisoire au centre de télésurveillance.

S’il n’y a pas eu de détection au niveau des lignes inférieures de capteurs et si le rapport STA/LTA est redescendu en dessous d’un certain seuil dans une durée donnée au niveau des lignes supérieures de capteurs, alors l’alarme est levée, entraînant automatiquement :

la réouverture de la route (extinction des feux et ouverture des barrières) ;

la transmission du message de réouverture au centre de télésurveillance ;

le stockage des informations qualitatives et quantitatives sur le PC.

Si les conditions du point 3 ne sont pas remplies alors :

les feux sont maintenus au rouge et les barrières restent abaissées ;

un message de fermeture prolongée est envoyé au centre de télésurveillance ;

le centre de télésurveillance contacte la personne d’astreinte du gestionnaire de la voie.

Le personnel gestionnaire se rend en urgence sur le site (délai < 30’)

Lorsque la chaussée et les ouvrages sont en état, alors :

réouverture manuelle (extinction des feux et relèvement des barrières) ;

envoi d’un message de réouverture au centre de télésurveillance.

Validation du système La vérification du bon fonctionnement du système de surveillance et sa validation ont été effectuées à partir de tests réalisés directement sur le site de La Rochaille. Les tests consistaient notamment à simuler les situations exposées au paragraphe précédent (description du fonctionnement), par chutes réelles de blocs rocheux, de tailles non susceptibles d’endommager fortement la route en contrebas. Des pierres et des blocs ont donc été lancés d’une part du pied de la paroi rocheuse et d’autre part du cône d’éboulis, montrant l’efficience du dispositif. Le système de surveillance par capteurs sismiques ayant donné satisfaction, en terme de gestion de la sécurité de la RD 900, durant les trois premières années (de 2001 à 2004), le Conseil Général des Alpes de haute Provence a prolongé son fonctionnement pour cinq années supplémentaires.

7. - CONCLUSION L’évolution des capacités des matériels et des méthodes d’analyse des signaux permet actuellement de discriminer les signaux et donc d’éliminer un fort pourcentage de signaux intempestifs. A partir d’un réseau de capteurs adapté à un site, il est possible de réaliser, en temps réel, une gestion automatique d’alerte et d’alarme. Les systèmes de surveillance de phénomènes gravitaires par capteurs sismiques permettent actuellement de sécuriser des voies de communication avec efficience. Cependant, la conception du système, la qualité des composants et l’adéquation du système aux objectifs de sécurité constituent des points capitaux dans un système de surveillance. Géolithe : ZI de Crolles, Cidex 112F – 38920 CROLLES - Tél. : 04 76 92 22 22

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