reconnaissance des digues de voies navigables

Centre d’Études Techniques Maritimes Et Fluviales

Les repères

MMéétthhooddeess ggééoopphhyyssiiqquueess ppoouurr llaa rreeccoonnnnaaiissssaannccee ddeess ddiigguueess ddeess vvooiieess nnaavviiggaabblleess

Juillet 2007 notice GF 07-01

_________________________________________________________________________________________Reconnaissance des digues des voies navigables 1

Sommaire

1.GÉNÉRALITÉS ................................................................................................................................... 5

2.PRÉSENTATION DES SITES D'ÉTUDE ........................................................................................ 8

2.1.SITE DE RÉMIGNY.................................................................................................................................. 82.2.SITE DE SANDILLON (DURAND , 2003)...................................................................................................12

3.LES MÉTHODES GÉOPHYSIQUES APPLIQUÉES À LA RECONNAISSANCE DES DIGUES DE VOIES NAVIGABLES .................................................................................................. 16

3.1.ÉLECTROMAGNÉTISME BASSE FRÉQUENCE EN CHAMP PROCHE : LA MÉTHODE SLINGRAM.............................. 163.2.ÉLECTROMAGNÉTISME BASSE FRÉQUENCE EN CHAMP LOINTAIN : LA RADIO-MAGNÉTOTELLURIQUE..............213.3.RADAR GÉOLOGIQUE.............................................................................................................................253.4.PROSPECTION ÉLECTRIQUE AQUATIQUE................................................................................................. 343.5.PANNEAU ÉLECTRIQUE.......................................................................................................................... 383.6.TRAÎNÉ AQUATIQUE DE POTENTIELS SPONTANÉS.....................................................................................433.7.SISMIQUE RÉFRACTION.......................................................................................................................... 463.8.MESURES PHYSIQUES SUR LES EAUX........................................................................................................553.9.MÉTHODES DIAGRAPHIQUES...................................................................................................................593.10.AUTRES MÉTHODES.............................................................................................................................61

4.EXEMPLE D'INTÉGRATION DE RÉSULTATS DE PROSPECTION GÉOPHYSIQUE ..... 63

5.SYNTHÈSE ET CONCLUSIONS ................................................................................................... 71

6.RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES ........................................................................................ 74


1. GÉNÉRALITÉS

Les digues des voies navigables peuvent de façon plus ou moins régulière se trouver « en eau », c'est-à-dire que l'eau de la voie navigable et/ou celle d'une nappe de versant peuvent circuler au sein de la digue. Cette propriété constitue un aspect original par rapport aux digues de protection contre les inondations, la plupart du temps « à sec », et cela nécessite le recours à des méthodes de reconnaissance complémentaires afin de caractériser les ouvrages d'un point de vue hydrologique. Ces reconnaissances se conduisent à l'aide de techniques de géologie de l'ingénieur classiques (cartographie géologique et hydrogéologique) et peuvent être précisées, au niveau de la digue, par des méthodes géophysiques qui intéressent l'environnement naturel de même que l'ouvrage (traîné électrique aquatique, traîné de Potentiels Spontanés, mesures physiques sur les eaux).

L'objectif de la géophysique est de retrouver, de manière indirecte et non-invasive, la répartition dans le sous-sol des propriétés physiques des matériaux au moyen de la mesure de champs physiques (Lagabrielle, 1986). Ces mesures renseignent notamment sur la géométrie des interfaces entre différents matériaux, c’est-à-dire le découpage en zones homogènes.

Une grande variété de méthodes géophysiques existe et un paramètre physique sensible correspond à chacune d'entre elles (tableau 1).

Tableau 1: Paramètres géophysiques couramment utilisés en génie civil (adapté de Lagabrielle 1998).

Méthode Champ mesuré Paramètre physique sensible

Méthode active (A) ou passive (P)

Sismique

Temps de trajet etamplitude des ondes

sismiquesréfléchies/réfractées

Densité et module élastique, qui déterminent la vitesse de propagation des ondes

sismiques

A / P

Gravité

Variations spatialesdu champ

gravitationnel de laTerre

Densité P

ÉlectriqueRésistivité Résistivité de la Terre

Potentiel Spontané Potentiel électriqueConductivité électrique

AP

Électromagnétique Radiation électromagnétiqueConductivité électrique, constante diélectrique,

inductanceA

Magnétique Champ géomagnétique Susceptibilité magnétique et rémanence magnétique P

Radioactivité Évènement Radioactivité des roches A / P

D’une manière générale, les méthodes géophysiques sont essentiellement qualitatives, c’est-à-dire qu’elles renseignent sur la variation du paramètre physique au droit de la zone prospectée et pour un certain volume. Elles ne permettent pas, à elles seules, de donner des informations sur les propriétés géotechniques que l’on souhaite obtenir. Par contre, elles sont utiles pour implanter de façon précise les forages mécaniques qui, eux, permettront de mesurer ces propriétés à l’aide d’essais, puis d’effectuer les interpolations entre paramètre géophysique et paramètre géotechnique. Il sera alors possible de déterminer la répartition des propriétés géotechniques recherchées.


Ainsi, les mesures géophysiques ne visent pas à se dispenser de forages, mais plutôt à adapter leur nombre ainsi qu’à choisir des implantations judicieuses. Ceci permet de réduire le coût d’une campagne de reconnaissance et aussi d’apporter des informations continues sur la répartition des propriétés géotechniques entre les différents sondages exécutés (Lagabrielle, 1986).

Parmi ces méthodes géophysiques, on peut distinguer deux grandes catégories de reconnaissance : le profilage et l’imagerie. Le profilage fournit la variation d’une mesure physique le long d’un linéaire ausculté tandis que l’imagerie permet de disposer de la répartition du paramètre mesuré en deux dimensions.

Par exemple, la figure 1 présente des résultats de profilage par méthode électromagnétique basse fréquence EM34 réalisée en crête de digue de Loire. L’observation de la courbe indique une augmentation progressive de la résistivité apparente du volume de terrain ausculté le long du linéaire reconnu. Cette information précise que la nature du corps de digue (et son substratum) n’est pas homogène ici mais évolue de façon graduelle. Il n’est toutefois pas possible de tirer plus d’information d’un tel profil. La réalisation d’une imagerie géophysique, de type panneau électrique, permet de montrer l’évolution 2D de la résistivité apparente en fonction de la profondeur. On voit alors beaucoup plus clairement les raisons de l’évolution de ces valeurs : présence d’un niveau conducteur entre 3.5 et 10.5 m de profondeur qui se biseaute progressivement vers la droite et qui fait place à un niveau plus résistant.

La technique d’imagerie géophysique, appelée aussi tomographie, nécessite cependant plus de temps, et fait recours à des traitements mathématiques avancés nommés inversions. Ces traitements peuvent se révéler complexes et, de plus, des étalonnages mécaniques sont systématiquement nécessaires afin de vérifier l’adéquation entre les résultats fournis et la réalité du terrain.

Figure 1: Comparaison entre profilage géophysique (1D) et imagerie géophysique (2D).

Il existe un certain nombre de contraintes quant à l'utilisation des méthodes géophysiques : il est nécessaire de choisir le meilleur compromis possible entre la profondeur de pénétration souhaitée et la résolution désirée. De même, le nombre de mesures doit être suffisamment important pour être représentatif des terrains en place. Sans être forcément des limites, ces points doivent être pris en compte avant toute campagne de prospection, en fonction des objectifs de l'étude.

Les avantages et les limites des méthodes géophysiques peuvent se résumer ainsi :


Avantages :

• ces méthodes sont légères, rapides et souvent peu onéreuses ;

• il s’agit de méthodes non-invasives ;

• elles offrent un large volume d’investigation ;

• elles fournissent des images 1D, 2D et 3D du sous-sol.

Limites :

• un contraste est nécessaire entre les différents terrains à reconnaître ;

• ces méthodes sont sensibles au bruit (naturel ou anthropique) et ne sont pas applicables partout ;

• le traitement des données peut s’avérer complexe ; les solutions fournies par les inversions ne sont pas uniques, c’est-à-dire que des résultats différents peuvent expliquer les données de manière satisfaisante ; des étalonnages à partir de données géotechniques sont nécessaires.


2. PRÉSENTATION DES SITES D'ÉTUDE

Deux sites ont été retenus. Le premier, situé en Saône-et-Loire à proximité du village de Rémigny, fait l'objet d'un suivi depuis de nombreuses années. Les conditions d'implantation de cet ouvrage, de même que la relative complexité géologique du site, ont nécessité la réalisation de très nombreuses reconnaissances géotechniques et géologiques. Le deuxième site, sur la Loire, est moins conditionné par l'organisation géologique. Les connaissances principalement utilisées pour ce travail sont basées sur quelques forages géotechniques. Ceci explique pourquoi, dans ce chapitre, il existe une disparité dans la présentation des deux sites.

2.1. Site de Rémigny

Le secteur d’étude se situe sur la commune de Rémigny, à proximité de la ville de Chagny (Fig. 2). Le canal du Centre emprunte la vallée de la Dheune ; il est ici situé en pied de coteau et construit en profil mixte : déblai côté coteau et remblai côté vallée (Fig. 3).

Figure 2 : Localisation géographique du site de Rémigny

La morphologie de la région révèle deux grands ensembles. La partie occidentale est un plateau calcaire qui domine la plaine de Bresse, à l’est. Ce plateau calcaire est entaillé par la Trouée de la Dheune (Fig. 4), qui joint le Morvan à la plaine de Saône.

Figure 3 : Coupe transversale du canal du Centre au niveau du secteur de Rémigny.


Les niveaux calcaires du secteur d’étude sont datés du Jurassique moyen et supérieur (figures 4 et 5). Il s’agit de formations carbonatées plus ou moins massives, à stratifications marquées, déposées en milieu peu profond (nombreuses passées oolithiques, stratifications obliques), qui alternent avec des formations marneuses (Marnes à Digonelles du Callovien, Marnes de l’Oxfordien moyen et de l’Oxfordien supérieur). La plaine est constituée de formations fluvio-lacustres et fluviatiles qui se déposent depuis le Tertiaire dans le fossé bressan. Les pieds de pente sont formés d’éboulis et de colluvions.

Du point de vue structural, l’organisation de la région est principalement liée à la phase tectonique alpine. Ces mouvements ont été actifs durant tout le Tertiaire ; plusieurs phases, surtout lors de la crise oligocène, ont contribué à l'approfondissement de la dépression bressane. L’ensemble des niveaux calcaires se trouve alors découpé et s’effondre vers l’est.

Dans le cas précis du secteur d’étude, la vallée de la Dheune constitue une charnière structurale d’échelle régionale (Fig. 4a). Au nord se trouvent les plateaux tabulaires ou monoclinaux faillés de l’Arrière-Côte, organisés en marches d’escaliers effondrées vers l’est ; il s’agit de la limite sud du Seuil de Bourgogne. Au sud de la trouée de la Dheune, les plateaux jurassiques correspondent à la structure monoclinale faillée du chalonnais, arrangée en lanières étroites séparées par des accidents et pentées d’environ 5° vers l’est-sud-est. Cette unité structurale s’ennoie sous la Bresse à l’est (Fig. 4). La trouée de la Dheune est un fossé d’effondrement résultant de la réactivation d’une faille varisque (Rat, 1986). Cette dernière est le prolongement de l’accident qui limite la bordure septentrionale du bassin de Blanzy et a fonctionné en décrochement sénestre (orientation N60-70°E ; Fleury & Gélard, 1983).

Les deux niveaux qui forment l’encaissant du canal du Centre au droit du secteur étudié sont, d’une part, le Bathonien supérieur et Callovien (de bas en haut : Grenu inférieur, Marnes à Digonella divionensis, Grenu supérieur, calcaires à chailles rubanées et calcaires argileux noduleux) d’une puissance d’environ 25 mètres et, d’autre part, les Calcaires de Saint-Romain d’une puissance d’environ 50 mètres (figures 4b et 5).

Ces deux formations sont séparées par une faille, notée F1 sur la figure 4b, orientée N40-45°E, avec effondrement du bloc situé à l’ouest. En fin de zone vers l’est, une deuxième faille verticale de même orientation (F2 sur figure 4b) met en contact les Calcaires de Saint-Romain et les calcaires du Bathonien supérieur et Callovien, effondrés vers l’est (Fig. 4b).

L’organisation sédimentaire (formations carbonatées stratifiées) et la structuration morphotectonique (lanières étroites pentées vers l’est et fracturations importantes) favorisent la présence d’aquifères dans ces niveaux jurassiques (terrains karstiques), les eaux étant rapidement dirigées vers une cassure. À la base des Calcaires de Nantoux (Fig. 5), par exemple, qui est plus ou moins dolomitisée, se sont formées plusieurs grottes situées dans la région (Fleury & Gélard, 1983). De plus, d'après la carte géologique, il semblerait que le canal, dans le secteur d'étude, soit en partie bâti au droit de deux failles F1 et F2 (Fig. 4b).


Figure 4 : Cadre géologique du secteur d’étude (d’après Fleury & Gélard, 1983). 4a : schéma structural régional ; 4b : zoom sur le secteur étudié et position des points repères.

Une campagne de forages mécaniques par Vibro-Percussion et Rotation Hydraulique (VPRH) a permis de préciser la nature et l’état des remblais ainsi que des formations jurassiques (Rousseau & de Sambucy, 1993). Il s’agit de forages destructifs, que l’on appelle couramment du « carottage continu », qui permettent d’obtenir des coupes de sondages détaillées et précises avec un rendement important (jusqu’à plusieurs centaines de mètres par jour). L’ensemble des sondages, réalisés sur la digue côté vallée, est présenté sur la figure 6 (localisation en plan sur la figure 7). Les coupes obtenues indiquent des alternances de calcaires et de marnes jurassiques situées sous une couverture qui correspond au remblai de la digue. La profondeur moyenne de la base du corps de digue est d’environ 2,5 m, sauf au droit du sondage S2, où elle atteint environ 6 mètres. Il s’agit aussi du seul endroit où des niveaux humides à très humides ont été observés dans le corps de digue. Ces niveaux existent à une cote


inférieure à celle du plancher du remblai de digue, c’est-à-dire que l’eau rencontrée se trouve dans les formations jurassiques en place.

Figure 5 : Log lithostratigraphique des terrains rencontrés (d’après Fleury & Gélard, 1983). SD : surface durcie, SP : surface perforée, SPD : surface perforée durcie.


Figure 6 : Forages mécaniques et extrapolation géotechnique. La position des sondages est précisée sur la fig. 7.

L'implantation des reconnaissances géophysiques est matérialisée sur la figure 7.

Figure 7 : Implantation des mesures géophysiques sur le site de Rémigny.

2.2. Site de Sandillon (Durand , 2003)

La levée qui fait l’objet de cette étude se situe en rive gauche de la Loire sur la commune de Sandillon (Loiret). Au niveau de Sandillon, le lit mineur de la Loire décrit une courbe très prononcée. La digue se situe sur la partie concave du méandre en contact direct avec le fleuve (Fig. 8).


Figure 8 : Localisation et géologie du site de Sandillon et position des points repères.

D’après les cartes géologiques au 1/50 000 d’Orléans (XXII-19) et de La Ferté-St-Aubin (XXII-20) les levées de la Loire concernées par l’étude reposent successivement, de la surface vers la profondeur, sur :

• les terrasses alluviales de la Loire (Fz et Fy ) constituées de sables, graviers et galets;• les calcaires crayeux et les marnes de la Formation de Beauce (g3 Aquitanien).

La limite entre ces deux formations, irrégulière et accidentée par de nombreuses poches de remplissage, reflète les nombreux phénomènes karstiques (dolines, avens et cavités souterraines) qui affectent la formation de Beauce. La carte XXII-20 signale d’ailleurs de nombreux fontis anciens dans le secteur dont certains affectent directement les terrains sur lesquels repose la digue. Cette dernière est composée de sables fins lâches d'une épaisseur moyenne de 7 m qui surmontent des sables denses d'une épaisseur moyenne de 1.5 m (Fig. 9). Ce corps de digue repose directement sur les formations alluvionnaires de la Loire.


Figure 9 : Présentation de la digue de Sandillon et coupe théorique (Document DDE 45). La photo est prise depuis la borne 32D.

Les eaux souterraines appartiennent à deux réservoirs distincts : les alluvions modernes de la Loire; le Calcaire de Beauce.

Dans le premier réservoir, les eaux circulent dans les graviers et sables grossiers situés à la base du massif alluvial. Elles appartiennent à une nappe semi-captive dont la mise en pression est assurée par le recouvrement des sables argileux et des limons supérieurs. La surface piézométrique de cette nappe, à Sandillon, est toujours située à 3 mètres environ en dessous du plan d’eau de la Loire que ce soit à l’étiage ou en période de crue. Le calcaire de Beauce représente le réservoir aquifère principal. Dans le val, la nappe est généralement captive. Le réservoir est perméable en grand, il est parcouru par des réseaux karstiques jusque vers 35 mètres de profondeur.

Les textes qui suivent sont extraits de l’ouvrage de Dion (1961) et sont relatifs à la Loire sur la commune de Sandillon.

« Si le déchargeoir qu’il était question d’établir à Sandillon en 1629 pouvait être avantageux aux campagnes purement agricoles qui commencent à l’Est de Saint-Denis-en-Val, avec les fermes de Puchesse et de Cornay, il eût exposé à d’éventuelles submersions les maisons et les belles vignes de Saint-Marceau, de Saint-Jean-le-Blanc et de Saint-Privé. Aussi les bourgeois d’Orléans n’en voulaient-ils à aucun prix. »

« Au sud du château de l’Isle, un trait sinueux figure une turcie médiévale abandonnée. Serrant de plus près le lit fluvial, des traits plus forts indiquent, à la place où s’élèvent des levées actuelles, celles qui étaient alors en


service. Par elles, le méandre de Sandillon est dangereusement enfermé dans une gaine étroite dont la paroi Nord protège, écrit l’auteur du plan, l’un des meilleurs crus du vignoble orléanais. [...] la levée du XVI ème siècle (profil sombre) a été, sur l’ordre de Colbert, rehaussée, élargie et fortifiée ».

La partie concave du méandre au niveau de Sandillon s'est révélée relativement fragile lors des crues des XVIIIème et XIXème siècles (1700, 1789, 1846) puisque la levée a cédé à 3 reprises. Des phénomènes d’infiltration ont également été observés au cours de la crue de 1866.

Au niveau du secteur d'étude, 2 anciennes brèches ont été reconnues. Elles se situent aux abscisses 150 et 350 m à partir de la borne 32D, dans le sens de l'écoulement du fleuve.


3. LES MÉTHODES GÉOPHYSIQUES APPLIQUÉES À LA RECONNAISSANCE DES DIGUES DE VOIES NAVIGABLES

3.1. Électromagnétisme basse fréquence en champ proche : la méthode Slingram

3.1.1. Principe physique et mise en œuvre Le principe général de la prospection électromagnétique basse fréquence (EMBF) de type Slingram est d’observer la réponse du sous-sol en terme de modification des ondes électromagnétiques (EM). Une source génère un champ magnétique primaire à une fréquence donnée via une bobine d’induction reliée à une source oscillante (McNeill 1980a, 1980b). Lorsque le champ EM primaire rencontre une anomalie conductrice, il en résulte un champ EM secondaire (Fig. 10).

Figure 10 : Principe général de la prospection électromagnétique en champ proche (Keary et al., 2002).

La mesure des deux champs électromagnétiques permet d’accéder à la conductivité apparente1 (= composante quadratique) par l’équation suivante (1) :

a=2

f 0 r² ∣H s

H p∣= 1

a

(1) σa : conductivité apparente (mS/m),r : distance émetteur-récepteur,µ0: perméabilité magnétique du vide (=4π*10-7H/m)f: fréquence d'auscultation (Hz)Hs : champ électromagnétique secondaire,Hp : champ électromagnétique primaire.ρa : résistivité apparente (Ω.m)

Pour l’appareil utilisé (EM31 et EM34 le plus souvent), la profondeur d’investigation dépend majoritairement de l’espacement entre les boucles (Tableau 2).

Tableau 2 : profondeurs d’investigations de l’EM31 et de l'EM34 en fonction de l’écartement et de la position des bobines (source: Geonics Ltd).

Espacement des boucles

Fréquence d’acquisition (kHz)

Profondeur d’exploration (m)

Champ horizontal (HCP) Champ Vertical (VCP)Résolution (m)

EM 31 3,66 m 9,8 3 6 0,7

EM 34

10 m 6,4 7,5 15 2

20 m 1,6 15 30 4

40 m 0,4 30 60 8

1 Par la suite, les données seront présentées en terme de résistivité apparente (l'inverse de la conductivité) afin de rendre les comparaisons entres méthodes plus homogènes.


Le graphique ci dessous (Fig.11) donne les courbes de réponse en fonction de la profondeur normalisée z (z = p/r avec p profondeur d'exploration et r distance émetteur-récepteur) .

Figure 11 : Réponse des appareils EM31 et EM34 en fonction de la profondeur (McNeill 1980b).

Pour une mesure en champ Horizontal (HCP) la réponse du système est maximale pour une profondeur de l'ordre de 0,5r et significative jusqu'à 1,5r. Les matériaux proches de la surface contribuent très peu à la réponse. Pour un dispositif en champ Vertical (VCP), les couches superficielles contribuent majoritairement à la réponse du système jusqu'à une profondeur de 0.5r (McNeill 1980b). Ainsi, en mode HCP, la mesure rend compte de la répartition des conductivités apparentes plus en profondeur qu'en mode VCP. Par contre la mesure du champ verticale (mode VCP) est plus sensible à une hétérogénéité locale au droit d’une des bobines et les courbes seront moins lisses que les courbes en mode HCP.

Avec l'EM31, il est possible de mesurer le rapport du champ secondaire induit (Hs) sur le champ primaire (Hp). Ce dernier fournit la mesure de la composante de phase (in-phase component) qui s'exprime en ppm. Cette mesure, qui traduit le décalage entre les deux champs, est influencée par la présence de très bons conducteurs dans le sous-sol, pour un faible volume de terrain ausculté. Dans cette configuration, l'EM31 est donc particulièrement utile pour la détection d'objets métalliques enfouis à faible profondeur.

En pratique, on dispose sur le sol une boucle émettrice alimentée par un courant alternatif et on mesure le champ induit dans une bobine placée à proximité et parallèle à la première (Fig. 12). Par construction, l’appareillage affiche directement la valeur de conductivité apparente du sous-sol, exprimée en milliSiemens par mètre (mS/m). Par convention, on considère que le point de mesure correspond au milieu des deux bobines. Le pas d’acquisition est fixé en fonction de la taille et de la géométrie des anomalies que l’on recherche, ainsi que de la surface à prospecter.

Figure 12 : mise en œuvre d'une prospection électromagnétique Slingram sur le terrain. À gauche : acquisition EM34 en champ horizontal (HCP), le champ mesuré étant perpendiculaire au plan dessiné par les bobines. À

droite : acquisition EM31.


Pour une prospection EM34, en site dégagé, cette technique permet l’acquisition, par journée, d’environ 4 profils de 400 m soit, avec une maille de 10 m, 4*40 points de mesure doubles (HCP + VCP).La prospection par EM31 se fait au rythme de la marche à pied (mesures en continu). Il est alors possible de réaliser plusieurs km par jour.

Pour les profils en crête de digue et éventuellement en pied de digue, ces deux appareils peuvent être placés sur un chariot amagnétique et tractés par un véhicule. Le rendement peut alors atteindre plusieurs dizaines de kilomètres par jour. Les mesures peuvent éventuellement être couplées à un GPS.

3.1.2. Résultats et interprétation Les résultats se présentent sous la forme de profils qui indiquent les variations de conductivité apparente en fonction de la position le long de l’axe de mesure. L’interprétation est principalement qualitative et se fait en terme de différenciation de zones homogènes et/ou de repérage d’anomalies isolées au sein d’un ensemble homogène. Par exemple, l'évolution des résistivités apparentes le long du profil de la figure 13 entre les abscisses 100 et 250 m, peut s'interpréter comme une diminution de la part de matériaux fins conducteurs (de type argiles) pour un même volume ausculté (ici en mode VCP).

La répétabilité des mesures à l'aide des méthodes Slingram est généralement bonne. La figure 13 présente un profil effectué à Sandillon, en crête de digue côté val. Une même ligne a été acquise sur 4 journées différentes afin de vérifier que les mesures peuvent être répétées. Les profils présentés sont vierges de tout traitement. Il est possible de noter une meilleure cohérence des données entre-elles sur les profils en champ vertical.

Figure 13 : Répétabilité des mesures Slingram, site de Sandillon. Les résultats sont des profils EM31 VCP bruts.

La phase de traitement est généralement simple et ne nécessite que l'élimination des données aberrantes (Fig. 14). Il est également possible d'effectuer un lissage au moyen d'une fenêtre mobile.


Figure 14 : Élimination des données aberrantes (bruit, ici généré par des objets métalliques à proximité : barrières, véhicules stationnés, passage de bicyclettes et de voitures) et lissage d'un profil EM31, site de

Sandillon.

Lorsque les acquisitions ont été réalisées sur une certaine surface, avec un maillage adapté, il est possible de représenter les données sous forme de cartes d’iso-conductivité. Il s'agit de cartes de couleur, construites par interpolation spatiale des différents profils réalisés et graduées en fonction de la conductivité (et/ou résistivité) apparente des terrains. Les coordonnées horizontales délimitent la zone prospectée. Sur l’exemple de la figure 15, les données ont été acquises sur un site-test avec un EM31 en configuration VCP (mesure du champ vertical). La représentation cartographique permet de faire ressortir la géométrie des anomalies détectées :

• au nord-est, une cavité, donc moins conductrice que la moyenne des terrains encaissant;• au sud-est, un tuyau rempli d’eau, donc plus conducteur que la moyenne;• à noter, au sud, la présence d’une barrière métallique générant une forte anomalie conductrice.

Figure 15 : acquisition EM31 sur un site-test. Les valeurs correspondent à la mesure du champ vertical (VCP).

3.1.3. Principales limites de la méthode Les principales limites de ces méthodes sont la présence, à proximité de la zone prospectée, d'interférences conductrices : lignes à haute tension, voitures, barrières métalliques, etc. De même, des matériaux conducteurs dans le sous-sol, tels que de la boue ou de l'eau salée engendrent des conductivités élevées qui peuvent masquer les objets enfouis que l'on cherche à mettre en évidence. À


titre d'exemple, la figure 13 montre l'influence de voitures stationnées le long du profil d'acquisition, de même que l'effet du passage de bicyclettes lors de la phase d'acquisition.

3.1.4. Exemples de mesures

Site de Rémigny

Deux profils EM34 ont été réalisés sur le corps de digue côté val pour un espacement des boucles de 10 m, en configuration HCP et VCP. L'espacement des boucles permet une profondeur d'investigation de 7.5 m en mode HCP (investigation du corps de digue) et de 15 m en mode VCP (investigation du proche sous-sol sous le corps de digue). Les résultats, présentés sur la figure 16, n'ont nécessité aucun filtrage ; les courbes ont seulement été lissées au moyen d'une fenêtre mobile sur 3 points.

L'auscultation en mode HCP intéresse le corps de digue et la partie supérieure du substratum jurassique. La résistivité apparente moyenne du profil se situe aux environs de 25 ohm.m. La comparaison avec les forages mécaniques (Fig. 6) indique une très bonne adéquation avec les mesures EM34 :

• du début du profil jusqu'à 0 m, les résistivités apparentes sont stables (30 ohm.m) puis augmentent pour passer à une quarantaine d'ohm.m;

• de 0 à 125 m, les résistivités décroissent progressivement tandis que l'épaisseur du corps de digue augmente. L'influence de plus en plus faible du substratum, plus résistant, contribue à l'abaissement des résistivités;

• de 125 à 200 m, les résistivités augmentent légèrement tandis que l'épaisseur du corps de digue diminue;

• les résistivités sont minimales (environ 12 ohm.m) à l'abscisse 280 m, qui correspond à la position de la faille F1;

• les résistivités croissent ensuite jusqu'en fin de profil au fur et à mesure que l'on s'éloigne de la zone faillée.

Le même type de compartimentage peut être effectué sur le profil VCP. Celui-ci apporte des informations jusqu'à une profondeur d'investigation de 15 m, c'est-à-dire principalement sur le substratum jurassique. Les zones se retrouvent aux mêmes endroits, avec toutefois une courbe plus chahutée depuis le début de profil jusqu'à l'abscisse 50 m.

Figure 16 : Profil EM34 en crête de digue côté val, site de Rémigny. L'espacement des boucles est de 10 m.


Site de Sandillon

Sur le site de Sandillon, des investigations par EM31 ont été menées en pied de digue, côté val et côté Loire, ainsi qu'en crête de digue, côté val et côté Loire également. Les résultats bruts, matérialisés sur la figure 17, permettent de suivre l'évolution longitudinale des résistivités apparentes le long de ces quatre profils, pour une profondeur d'exploration théorique de 6 m :

• le profil en pied de digue côté Loire est stable et situé dans une gamme moyenne de 65 ohm.m.• les deux profils en crête de digue sont semblables et ont des résistivités apparentes identiques

jusqu'à 250 m.

Figure 17 : Profils EM31 bruts du 19 avril 2005.

3.2. Électromagnétisme basse fréquence en champ lointain : la Radio-MagnétoTellurique

3.2.1. Principe physique et mise en œuvre La découverte de cette méthode est à porter au crédit de Cagniard (1953), la mise en application de la Radio-MagnétoTellurique (RMT) datant du milieu des années 70 (par exemple, Guineau, 1975). La RMT est une technique de prospection électromagnétique à basse fréquence (EMBF) avec émetteur rejeté à l’infini. Elle fournit une mesure en continu de la résistivité apparente du sous-sol en utilisant les émetteurs de radiodiffusion civile dont les fréquences se situent entre 10 kHz et 1 MHz. Les ondes émises se propagent dans la terre en générant des courants électriques par induction. Ces derniers peuvent être reliés aux champs électrique et magnétique qui sont mesurés, pour des fréquences déterminées, respectivement par un dipôle capacitif placé au niveau du sol et par une bobine inductive. Le calcul des résistivités apparentes est effectué par l’équation (2) régissant les phénomènes magnétotelluriques (Cagniard, 1953) :


a=1

2 f 0∣E xH y

∣2

(2) ρa = résistivité apparente (Ω.m),

Ex = champ électrique à la surface du sol (V/m),

Hy = champ magnétique à la surface du sol (A/m), perpendiculaire à Ex,f = fréquence de l’onde électromagnétique choisie (Hz),µ0 = perméabilité magnétique du vide (= 4π10-7 H/m).

La profondeur de pénétration (ou profondeur de peau) est donnée par l’équation (3) (McNeill & Labson, 1991) :

Z= f 0

≈503 f

(3) z = profondeur de pénétration (m),ρ = résistivité apparente moyenne (Ω.m),μ0 = perméabilité magnétique du vide (= 4π10-7 H/m),

f = fréquence de l’onde électromagnétique (Hz).

Le matériel de mesures comprend (Hollier-Larousse, 1997) :• un capteur de champ magnétique (spire de cuivre) orientable pour optimiser la réception des

ondes radios ;• deux capteurs de type capacitif pour la mesure du champ électrique, orientables eux aussi ;• une roue codeuse, pour le calcul de la distance parcourue et du pas d’échantillonnage ;• une électronique d’acquisition.

Le matériel de mesures est tracté par un véhicule qui circule sur le corps de digue (Fig. 18). En conditions facilement carrossables, il est possible de réaliser plusieurs dizaines de kilomètres par jour. La fréquence d’échantillonnage peut être fine (jusqu'à une mesure tous les 51 cm) ; on obtient ainsi une mesure « en continu » de la résistivité apparente du sous-sol.

Figure 18 : Dispositif d'acquisition des mesures RMT.

3.2.2. Résultats & interprétation Les résultats se présentent sous la forme de profils de résistivité apparente. Les informations obtenues par cette méthode sont des valeurs mesurées de champ électrique et de champ magnétique, ainsi que la valeur calculée de résistivité apparente à l’aide de l’équation (2). Les traitements à apporter sont généralement restreints : ils consistent principalement à éliminer les valeurs les plus aberrantes et effectuer un lissage au moyen d'une fenêtre mobile.

De la même manière que pour la prospection Slingram, l’interprétation est principalement basée sur les profils de résistivité (et/ou conductivité) apparente, où l’on cherche à mettre en évidence des zones homogènes puis à identifier des anomalies conductrices ou résistantes au sein de ces zones. Il est


possible de réaliser plusieurs profilages, avec des fréquences d’auscultation variées ; on obtient alors des profondeurs d’investigation théorique différentes, les plus hautes fréquences intéressant les terrains les plus superficiels.

3.2.3. Principales limites de la méthode Des facteurs extérieurs au terrain à reconnaître peuvent avoir une influence plus ou moins importante sur les enregistrements de RMT ; ils sont, pour les principaux, listés ci-après :

• les sites en vallée encaissée ne permettent pas forcément une bonne réception des ondes radios basse fréquence;

• la présence de métaux conducteurs à proximité (réseaux enfouis, barrières, pylônes…) peut perturber assez fortement la mesure. Ceci est néamoins valable pour la plupart des méthodes électriques et électromagnétiques;

• les variations temporelles de conditions climatiques (température, humidité) ont des effets sur les champs à mesurer. Il arrive fréquemment que, sur un même site, les mesures varient au cours de la journée. Il peut alors être délicat de comparer des profils de résistivité apparente entre eux (de même que de réaliser des cartes d’iso-résistivité;.

• la réception des ondes radio doit être maximale et de préférence constante sur un même profil, ce qui nécessite généralement de régler en permanence l'orientation des capteurs pendant la phase d'acquisition. Pour les systèmes où ce réglage n'est pas automatique (et, dans une moindre mesure, pour les systèmes qui disposent de ce réglage automatique), il faut éviter les digues à sinuosité importante;

• les interprétations nécessitent l’intervention d’un spécialiste de la méthode.

Des travaux récents (Fauchard & Mériaux, 2004) ont cependant montré que cette méthode reste une méthode indiquée pour la reconnaissance des digues étant donné son champ d'application. En revanche, la technologie employée, notamment les capteurs capacitifs utilisés pour la mesure du champ électrique et l'électronique pilotant le système, doivent être actualisés et améliorés. Par ailleurs, l'influence d'effets environnementaux, de topographie et/ou d'orientation de la digue par rapport au champ incident méritent d'être étudiée plus en détail.


Site de Rémigny

Deux profils RMT ont été acquis sur le corps de digue côté val (Fig. 19). Deux fréquences ont été utilisées (162 et 603 kHz), les plus basses fréquences permettant une profondeur d’investigation théorique plus importante.


Figure 19 : Profils RMT sur le corps de digue côté val, site de Rémigny.

Le profil à 603 kHz indique une moyenne pour l’ensemble du profil de 36 Ω.m. Il est possible de distinguer deux ensembles, sur la base de l’analyse des tendances moyennes des résistivités apparentes (Lagabrielle & Hollier-Larousse, 1985 ; Hollier-Larousse, 1997), matérialisées par des flèches sur la figure 19. Ces dernières indiquent la « tendance » de l’allure des courbes : augmentation ou diminution moyenne des valeurs de résistivité apparente. Le premier secteur, depuis le début de profil jusqu’au PK 22, a une résistivité apparente moyenne de 30 Ω.m et présente quelques variations locales de faible amplitude (Fig. 19). À partir du PK 22 et jusqu’en fin de profil, la valeur moyenne est de 45 Ω.m et comporte aussi quelques variations locales de faible amplitude. Il ressort de ce profil un compartimentage en deux blocs, les terrains superficiels étant globalement un peu plus résistifs à partir du PK 22.

Le profil à 162 kHz intéresse un volume de terrain plus important et correspond donc à une investigation a priori à plus grande profondeur. La moyenne pour l’ensemble du profil est de 680 Ω.m. De la même manière que précédemment, il est possible de distinguer trois zones sur la base des variations latérales des résistivités apparentes (Fig. 19).

Les résultats sont concordants avec la nature géotechnique et géologique connue du site : le corps de digue, ausculté majoritairement par le profil à 602 kHz, présente de par sa composition en matériaux conducteurs, des valeurs de résistivité apparente plus faibles que le substratum géologique composé ici majoritairement des calcaires, et ausculté avec le profil à 162 kHz.

À 162 kHz, avec une résistivité apparente moyenne du profil de 680 Ω.m, la profondeur de pénétration est d’environ 32 m et, à 603 kHz, de l’ordre de 4 m. On admet que la profondeur d’investigation d est égale à la moitié de la profondeur de pénétration. Pour une acquisition à 162 kHz, les données portent donc sur l’encaissant géologique (d = z/2 = 16 m) ; de la même manière, le profil à 603 kHz intéresse les niveaux superficiels qui constituent le corps de digue (d = z/2 = 2 m).

Site de Sandillon

Les profils RMT ont été réalisés des 2 côtés de la crête de digue (côté val et côté Loire). Ils s'étendent depuis l'abscisse x = -1300m, en amont, qui correspond à la borne 31D jusqu'à la borne 33D en aval,


soit un linéaire total unitaire de 2800m. Trois fréquences ont voulu être testées : 864, 162 et 16.8 kHz, ceci afin de permettre des auscultations sur des profondeurs théoriques de plus en plus importantes. De nombreux problèmes de perturbation de l'appareil n'ont pas permis de réaliser l'auscultation à 16.8 kHz non plus que celle à 162 kHz côté Loire. Les difficultés rencontrées peuvent provenir d'un problème électronique sur l'appareil de mesures et/ou du fait d'un site extrêmement sensible aux perturbations électromagnétiques. Dans ces conditions, 5.9 km de profils ont été acquis en une journée par deux opérateurs.

Figure 20 : Profil RMT à 864 kHz, site de Sandillon. Les données sont filtrées et lissées.

Les valeurs de champ magnétique sont stables le long des profils. Les valeurs de résistivité apparentes apparaissent plus chahutées. Notamment, il est possible d'observer une différence dans ces valeurs, pour des profils réalisés au même endroit, à quelques heures d'intervalle, qui atteint un facteur 10 (voir la première partie des profils, entre les abscisses -1300 et -400 m). Au vu de la disparité des résultats, il apparaît difficile de proposer une interprétation géophysique de ces résultats. La mesure du champ magnétique se révélant globalement stable pour cette partie de profil, il semble que la mesure du champ électrique n'est pas suffisamment stable pour permettre une bonne répétabilité des mesures. Ceci peut en partie s'expliquer par l'état hydrique de la couche de surface, en contact avec laquelle sont effectuées les mesures de champ électrique au moyen d'électrodes capacitives (c'est à dire des électrodes « posées » sur le sol mais non plantées).

Sur le site de Rémigny, les mesures de RMT se sont montrées fiables et en accord avec les connaissances géotechniques du site. Sur le site de Sandillon, les mesures semblent difficilement exploitables et ne montrent pas de réelle corrélation avec les données géotechniques, notamment du point de vue de la détection des brèches.

3.3. Radar géologique

3.3.1. Principe physique et mise en œuvre La technique radar est employée pour obtenir une image de la sub-surface à haute-résolution. Une impulsion électromagnétique est envoyée dans le sous-sol, par le biais d’une antenne, à une fréquence centrale déterminée. Cette impulsion se propage en s'atténuant dans les matériaux ou les sols et, à chaque interface de deux matériaux différents, une partie de son énergie est réfléchie vers la surface. Les échos successifs sont enregistrés en fonction du temps par l’antenne de réception (Daniels, 1996). La juxtaposition des signaux temporels enregistrés lors du déplacement de l’antenne radar permet d’obtenir une coupe-temps, ou radargramme, souvent représentée avec une échelle de couleur corrélée aux amplitudes des signaux et donnant des informations géométriques sur la structure auscultée.


La vitesse de propagation des ondes dépend principalement de la constante diélectrique (ou permittivité relative) du milieu environnant, et peut être représentée en première approche sous la forme suivante (4) :

v≈ cr (4) v = vitesse de l’onde électromagnétique (m/s),

c = célérité de la lumière dans le vide (= 3x108 m/s),εr = permittivité relative (sans dimension).

Plus un matériau est humide, plus la vitesse de propagation est lente (différentes valeurs sont présentées dans Cariou et al. [1997]) ; cela peut influencer la précision des mesures lorsqu’il existe un gradient d’humidité au sein de ce milieu (comme pour le béton par exemple). La profondeur d’auscultation dépend quant à elle de plusieurs facteurs (Bièvre & Maurin 2002) :

• la conductivité du matériau encaissant, principale cause de l'atténuation des ondes;• le choix de la fréquence centrale : la profondeur d’investigation décroît lorsque la fréquence

augmente;• la dynamique du système radar, qui indique le rapport signal/ bruit minimal détectable, et que

l’on peut relier à une profondeur limite d’auscultation;• l'adaptation de l'antenne au matériau (l'aptitude à transmettre le maximum d'énergie dans le

matériau); • le lobe de rayonnement de l'antenne qui focalise plus ou moins l'énergie rayonnée dans une

direction donnée;• la Section Équivalente Radar (valeur décrivant l'énergie réfléchie dans une direction donnée

suivant la forme et la taille de l'objet à détecter);• le contraste électromagnétique de l'objet par rapport au matériau encaissant, en sachant que

plus celui-ci est élevé et plus l’énergie rétrodiffusée est importante;• le niveau de bruit diffractant dû à la nature du matériau encaissant (taille et géométrie des

granulats ou blocs).

Tous ces facteurs interagissent sur les ondes radar enregistrées au niveau de l'antenne réceptrice. Mais on peut retenir que, dans un même environnement, suivant la nature et la forme d'un objet enterré, la profondeur maximale à partir de laquelle il ne sera plus détecté peut être notablement différente.

Il existe aussi une relation entre la profondeur d’investigation possible et la résolution, qui sont liées à la longueur d’onde émise (Leparoux, 1997). Une grande longueur d’onde induit une faible atténuation et l’onde électromagnétique va pénétrer en profondeur. Corrélativement, la résolution est faible et l’onde n’est pas affectée par les objets de dimension réduite. Les résolutions verticales et latérales sont évaluées, pour un trajet simple surface/réflecteur, à l'aide de la longueur d'onde λ. La résolution verticale est classiquement admise comme étant le quart de la longueur d'onde dominante du signal (: fréquence correspondante pour laquelle le maximum d'énergie est retourné ; équation 5).

r v=4 = c

4f cr(5)

rv = résolution verticale (m),λ = longueur d'onde dominante du signal (m),fc = fréquence centrale dominante du signal (Hz).

La résolution horizontale, à une profondeur z, correspond au diamètre de la zone de Fresnel, c'est-à-dire au diamètre de la zone dont l'aire circulaire centrée sur le point de réflexion apporte la contribution principale à la réflexion (Daniels 1996). Elle est définie par l'équation (6).


rh=D=2

16z2

(6)rh = résolution horizontale (m),D = diamètre de la zone de Fresnel (m)z = profondeur de l'objectif dont on veut déterminer rv (m),

Le matériel de mesures comprend (fig. 21) :• une unité centrale qui génère, émet et reçoit l’impulsion électromagnétique ;• une antenne qui sert à transmettre l’impulsion à la structure à reconnaître ; celle-ci peut être

traînée par terre, fixée sur une remorque ou bien sur un véhicule ;• une roue codeuse, pour le calcul de la distance parcourue et du pas d’échantillonnage (pour les

profils courts, les distances sont enregistrées par l’opérateur) ;• une électronique de contrôle, de visualisation et de stockage des données.

Cet ensemble peut être tracté par un véhicule. Il est possible de réaliser, quand les conditions sont idéales (chemin carrossable…), plusieurs dizaines de kilomètres de profil par jour.

Figure 21 : Mise en œuvre du radar. L’antenne présentée ici est de fréquence centrale 400 MHz. Elle est traînée sur le sol (antenne de contact) le long du profil à reconnaître.

3.3.2. Résultats et interprétation Les résultats se présentent sous la forme de coupes-temps, ou radargrammes (Fig. 22). Ils matérialisent, le long d’un profil, l’amplitude de l’énergie réfléchie de l’impulsion électromagnétique, en fonction de son temps de trajet aller et retour (temps-double). L’échelle de couleur utilisée est corrélée, de façon linéaire ou logarithmique, à l’amplitude de l’énergie rétrodiffusée.


Figure 22 : Profil radar acquis sur la fosse d’essai du LCPC à Nantes. En haut : la juxtaposition des signaux temporels (pulses) enregistrés lors du déplacement de l’antenne permet d’obtenir une coupe-temps ; En bas :

représentation la plus classique des profils radar, selon une échelle de couleur corrélée à l’amplitude de signaux.

L’interprétation qualitative est basée sur l’analyse de la géométrie des interfaces. La connaissance des profondeurs réelles des interfaces en un endroit du profil permet de transformer cette coupe-temps en coupe-profondeur et d’accéder à des informations quantitatives.

Il peut être parfois délicat d’interpréter les données en cas de variations latérales de propriétés électromagnétiques (faciès lithologique, teneur en eau…) : des interfaces situées à un temps de trajet de l’onde électromagnétique équivalent ne sont pas forcément à la même profondeur.

Il existe aussi de nombreux paramètres à prendre en compte lors de l’interprétation (voir la partie concernant les facteurs jouant sur la profondeur d’auscultation). Par exemple, un tuyau est matérialisé par une hyperbole (Fig. 23). Les antennes utilisées, de type « papillon », émettent dans une certaine région appelée lobe de rayonnement, ou lobe d’émission, avec un angle d’environ 90°. De ce fait, les hétérogénéités sont détectées avant et après que l’antenne soit à leur verticale. Le résultat sur la coupe-temps est une hyperbole dont le sommet représente, en milieu latéralement homogène, le passage de l’antenne au droit de cette interface (le sommet représente le temps de trajet le plus bref, donc la distance la plus courte entre l’antenne et l’interface de réflexion).

D'autres facteurs ont une influence sur la réponse électromagnétique, dont, en partie :


• les interfaces sub-parallèles matérialisées sur la figure 23 représentent des couches de compactage, ce qui souligne la sensibilité de la technique, mais aussi la difficulté d’interprétation en site urbain (nombreuses couches de tranchée, etc.);

• sur le coté droit de la même figure, entre 15 et 20 m, les réflexions (c'est à dire la quantité d’énergie réfléchie) ne sont pas aussi marquées selon la nature des tuyaux et de leur remplissage;

• de par la différence de nature des matériaux (et donc de la vitesse de propagation de l’onde électromagnétique), le tuyau béton apparaît aussi « épais » que le tuyau PVC rempli d’eau.

Figure 23 : Profil radar réalisé avec une antenne 400 MHz sur la fosse d’essai du LCPC de Nantes (Bièvre & Maurin, 2002). Les tuyaux sont matérialisés par des hyperboles, de par le lobe de rayonnement de l’antenne.

Il existe plusieurs traitements mathématiques que l’on peut appliquer afin de « nettoyer » les profils et de faire ressortir les informations que l’on cherche à mettre en évidence : différents filtres permettant d’effacer les bruits haute et basse fréquence ; opérations de migrations, permettant d’obtenir une image plus réelle de la géométrie des objets enfouis (Fig. 24). Toutefois, ces opérations « ne » servent « qu' »à améliorer la qualité des enregistrements bruts. Une information ou anomalie mise en évidence sur les données traitées mais non présente sur les enregistrements bruts est généralement le fait d'un artefact créé lors du traitement des données. La phase de traitement ne permet, à l'heure actuelle, en aucun cas de « faire apparaître » des anomalies non détectées sur les radargrammes bruts.


Figure 24 : Opération de migration appliquée à un profil réalisé dans du sable calcaire (Bièvre & Maurin 2002).

3.3.3. Principales limites de la méthode Cette technique démontre une indéniable facilité de mise en œuvre ainsi qu’un grand rendement lors de la prospection. Toutefois, plusieurs paramètres influencent de façon considérable la qualité des mesures :

• la fréquence centrale à utiliser est fonction de la profondeur d’auscultation et de la résolution souhaitées, sachant qu’un compromis est nécessaire entre profondeur et précision;


• la nature des structures recherchées et celle de l’encaissant (sol et sous-sol) ont une influence sur la qualité des données enregistrées et sur la profondeur d’investigation. Les particules argileuses fines créent un masque où l’onde est absorbée. La qualité des réflexions est fonction du contraste diélectrique existant entre les matériaux auscultés;

• les réglages des antennes, préalables aux investigations, peuvent améliorer de façon sensible la qualité de l’acquisition. Des profilages réalisés avec des temps d’écoute et des réglages de courbe de gain différents ont montré une amélioration significative de la qualité des mesures;

• enfin, le traitement des données représente une part non négligeable de la qualité des données restituées. Ce travail peut permettre un meilleur rendu (contraste et géométrie) de la structure auscultée, mais il peut aussi être source d’artefacts, comme l’amplification du bruit dans la partie inférieure des profils.

Le radar géologique possède un large éventail d’applications toutefois sa mise en œuvre peut s’avérer très frustrante, par exemple dès que le sous-sol renferme des particules argileuses qui vont rendre l’appareil partiellement, voire totalement aveugle, ce qui est généralement le cas des corps de digue. Dans le cas des voies navigables en profil mixte (cas de Rémigny par exemple), le radar peut amener des informations sur la berge en déblai si le sous-sol est composé de matériaux suffisamment résistants en terme électrique. Sur le corps de digue en remblai, il ne faut guère espérer dépasser la cinquantaine de ns de temps d'écoute (ce qui correspond, au mieux, à une profondeur de 50 cm à 1 m), ce qui limite l'auscultation à une éventuelle structure de chaussée. D'une manière générale, on considère qu'une des conditions nécessaires à l'application du radar géologique est que le terrain à reconnaître présente une résistivité apparente d'au moins 100 Ω.m.


Site de Rémigny

Deux profils de radar géologique ont été réalisés. Le premier sur le corps de digue et le deuxième sur le chemin de contre-halage (rive sud, côté coteau) afin de disposer d’informations sur cette berge. Le matériel utilisé pour cette étude est un radar GSSI de type SIR10H. Le choix de la fréquence centrale de l’antenne, en configuration monostatique (la même antenne sert à l’émission et la réception des ondes), s’est porté sur 200 MHz, pour un temps d’écoute de 200 ns et un échantillonnage de 50 « scans » par mètre. Cette disposition permet d’obtenir une profondeur d’investigation (estimée de l’ordre de la dizaine de mètres au maximum) et une résolution suffisantes pour les structures que l’on cherche à mettre en évidence (stratifications, fractures).

Une première observation révèle tout d’abord un fort contraste entre les deux rives (Fig. 25). Le profil réalisé sur la berge sud (Fig. 25b et 25c), c’est-à-dire en déblai, contient des réflexions assez fortement marquées, jusqu’à un temps d’écoute pouvant atteindre 120 ns. Le profil au nord, sur le corps de digue (Fig. 25a), ne montre que quelques échos au-delà de 50 ns. Ceci est dû à la nature du corps de digue, qui contient une quantité importante d’argiles et de marnes qui empêchent, du fait d’une résistivité trop faible, la propagation des ondes électromagnétiques en profondeur. La valeur moyenne de la résistivité du corps de digue fournie par la RMT (Fig. 19) indique une valeur de 30 Ω.m. D’une façon générale, on considère que le radar géologique est inadapté à l’auscultation de terrains ayant une résistivité apparente inférieure à une centaine d’ohm.m.

Sur la berge sud, au niveau du PK22 (Fig. 25b), le pendage des couches vers l’est est mis en évidence et confirme les données issues de la géologie. De plus, il est possible d’observer des stratifications obliques, ce qui permet de préciser que l’on se situe ici dans la partie inférieure des Calcaires de Saint-Romain (figures 4, 5 et 6).

Le passage de la faille F1 (figures 4 et 7) n’est pas clairement décelable sur les profils radar. Il n’est possible d’observer que quelques indices de diaclases ouvertes remplies d’argiles (Fig. 25b). À partir


d’une distance d’environ 130 m après le PK22, de fortes réflexions sont clairement identifiables sur le profil sud (Fig. 25c). Elles correspondent vraisemblablement au passage de la deuxième faille F2 (figures 4 et 7) : organisation chaotique, fortes réflexions dues à la présence de blocs, concentrations de matériaux électriquement conducteurs de type argiles et/ou marnes.

Figure 25 : Profils de radar géologique acquis sur le site d’étude. L’acquisition a été effectuée avec une antenne de fréquence centrale 200 MHz et un pas d’échantillonnage de 50 scans par mètre. 25a : Profil en crête de digue au

droit du PK22 ; 25b : Profil côté coteau au droit du PK22 ; 25c : profil côté coteau 140 m après le PK22.

Site de Sandillon

22 profils radar ont été réalisés avec un radar GSSI SIR3000, sur la crête de digue ainsi qu'en pied de digue côté val et Loire, à différentes fréquences centrales d'antenne (400 et 200 MHz). Les distances ont été incrémentées manuellement par l'opérateur afin de permettre une normalisation en distance pendant la phase de traitement des données.


Les profils en crête de digue montrent que le signal est très rapidement absorbé et qu'il ne se propage pas en profondeur (Fig. 26). Ceci est dû à la nature du corps de digue qui compte une part plus ou moins importante de particules fines et/ou d'eau. Les profils Slingram à cet endroit (Fig. 17) indiquent des valeurs de résistivité apparente de l'ordre de 60 à 100 ohm.m, ce qui ne permet pas de réaliser des prospections radar dans des conditions permettant une propagation en profondeur des ondes électromagnétiques.

Figure 26 : Profils radar bruts en crête de digue côté Loire. Les prospections à 400 et 200 MHz indiquent une très faible pénétration de l'onde en profondeur, ici jusqu'à 30-40 ns environ.

De la même manière, les profils radar effectués en pied de digue côté Loire et côté val ne permettent pas d'ausculter le sous-sol de façon satisfaisante (Fig. 27). Ceci est aussi dû à la faible résistivité apparente des terrains présents, comme cela est révélé par les profils Slingram à ces endroits : les valeurs de résistivité sont comprises entre 100 et 150 ohm.m. Les profils sont, de façon sensible, de meilleure qualité car il est possible de détecter quelques interfaces de réflexion. Celles-ci sont toutefois de très faible amplitude et il n'est pas possible d'interpréter ces profils en terme de géométrie ni en terme de localisation d'hétérogénéités.

Figure 27 : Profil radar 400 MHz en pied de digue côté val. Quelques réflexions de forte amplitude sont visible sur les 40 premiers ns de temps d'écoute ; ensuite, le signal est rapidement absorbé.

Autre exemple

L'exemple suivant provient de l'auscultation d'un corps de digue de Loire. Ce dernier est principalement sableux et offre ainsi de bonnes conditions pour l'auscultation par radar géologique. Les mesures ont été réalisées en saison sèche avec une antenne de 400 MHz. La figure 28 présente les


résultats de l'auscultation ; elle indique une très bonne profondeur de pénétration (115 ns, ce qui correspond à une profondeur interprétée de l'ordre de 5 m). Cette figure met en évidence une organisation complexe du corps de digue, avec une interface majeure très variable latéralement en terme d'épaisseur, de même que ce qui semble correspondre à des interfaces de mise en oeuvre. Il est aussi possible d'observer, en corrélation avec des observations de surface, la présence de réseaux de terriers ainsi que de racines d'arbres.Cette figure illustre la richesse d'informations que peut fournir le radar géologique. Dans ces conditions, il est impossible d'effectuer une interprétation géotechnique fiable sans connaissance des conditions géotechniques du milieu.

Figure 28: Profil radar à 400 MHz effectué en crête d'une digue sableuse de Loire. Les résultats indiquent une très bonne profondeur de pénétration des ondes électromagnétiques (environ 5 m), de même qu'une très grande

richesse d'information.

Le radar géologique se montre ainsi très intéressant à mettre en oeuvre et très performant dès que les terrains sont électriquement peu conducteurs. L'exemple de Sandillon illustre de façon claire la limite de cette méthode.

3.4. Prospection Électrique Aquatique

3.4.1. Principe physique et mise en œ uvre La technique mise en œuvre (PECSA, pour Profilage Électrique Continu en Site Aquatique) consiste à injecter du courant électrique continu, au moyen d'un dipôle AB d’écartement fixe de 10 mètres, traîné sur le fond de l’eau, et à mesurer les différences de potentiel induites via un dispositif multiélectrodes NMx également au fond de l’eau (Lagabrielle et Teilhaud, 1981 ; Lagabrielle, 1983, 1984 ; Lagabrielle &

Chevalier, 1991). L'ensemble, appelé flûte, comporte 8 électrodes de mesures définissant 7 dipôles dont le plus grand a un écartement NM7 de 100 mètres (Fig. 29).

Pour un profil de PECSA donné, on enregistre donc simultanément sept résistivités apparentes définissant un sondage électrique qui correspond à des profondeurs d’investigations croissantes de


NM1 à NM7. La réalisation de plusieurs sondages électriques le long d’un profil, selon un pas

d’échantillonnage approprié, permet d’étudier les variations verticales et latérales des résistivités apparentes du sous-sol le long de ce profil. Il est possible de réaliser, par cette méthode, plusieurs kilomètres de profilage par jour. Le calcul des résistivités apparentes est effectué par l’équation (7) (Lagabrielle, 1984). La résistivité de l’eau est mesurée au moyen d’un quadripôle entièrement immergé de 24 cm en configuration Schlumberger.

Figure 29 : Profilage Électrique Continu en Site Aquatique. Dispositif de mesure de la résistivité apparente du sous-sol sub-aquatique appliquée ici aux terrains 1 et 2 de résistivités respectives r1 et r2. A, B : électrodes

d’injection – Mx, N : électrodes de mesure – Rw : mesure de la résistivité de l’eau – ES : échosondeur, mesure de

la bathymétrie – offset : distance entre le bateau et le centre du dispositif de mesure (0), considéré comme étant au milieu du dipôle d’injection AB.

a=k vi

(7) ρa = résistivité apparente (Ω.m)

k=2

1 AMi

−1

ANi

−1

BMi

−1

BNi

, facteur géométrique, fonction du dispositif de

mesuresΔV = différence de potentiel mesurée (V),i = intensité du courant injecté (A).

3.4.2. Résultats et interprétation Les données de PECSA apportent des informations sur des terrains situés en dessous du fond du canal (ou de la rivère) et donc en dessous du corps de digue. Ces mesures intéressent alors la géologie de l’encaissant du canal ou du cours d'eau. Il faut cependant rester prudent quant aux interprétations ; en effet, les données des profils de résistivité apparente, unidimensionnels, rendent compte d’enregistrements de résistivités en trois dimensions. L'interprétation s'effectue en terme de variation verticales et latérales des résistivités apparentes le long du profil prospecté.Sur un même profil, les sondages électriques peuvent être utilisés afin de réaliser les inversions, fondées sur la méthode de Zohdy (1989) et implémentées selon un algorithme de calcul développé au Laboratoire Central des Ponts et Chaussées. Pour cela, la mesure de la résistivité de l’eau ainsi que la bathymétrie sont nécessaires, la couche d’eau étant comprise comme la première couche de terrain du modèle (Lagabrielle & Chevalier, 1991). Il s'agit d'une inversion unidimensionnelle qui propose une distribution verticale des résistivités apparentes interprétées en fonction de la profondeur. L’assemblage horizontal des interprétations verticales unidimensionnelles donne une coupe verticale bidimensionnelle ; elle s’obtient en utilisant une grille de calcul élaborée par triangulation avec interpolation linéaire ou bien par krigeage1.

1 Krigeage : Technique linéaire d'interpolation spatiale prenant en compte la configuration géométrique des points d'observation ainsi que la structure spatiale propre à la variable concernée .


La phase d’inversion des données permet aussi de disposer d’erreurs de prévision, c’est-à-dire de l’écart quadratique moyen, au sens des moindres carrés, entre les mesures expérimentales et les mesures issues de la prévision par le modèle proposé. Il est alors possible d’évaluer le degré de cohérence entre les sondages expérimentaux et le modèle obtenu. Les calculs sont effectués sondage par sondage et donc de manière indépendante les uns des autres.

3.4.3. Principales limites de la méthode Cette technique est principalement utilisée pour étudier les sédiments meubles formant le fond des cours d'eau. En fonction de leurs caractéristiques électriques (leur capacité à laisser passer le courant), les couches de sédiments analysées par cette méthode peuvent avoir une épaisseur maximale de 20 m environ avec une flûte de longueur utile 100 m (et 40 m avec la flûte de 200 m).

Des contraintes limitent les domaines d'application de la méthode :• la bathymétrie doit être assez régulière. Les accidents de la topographie doivent avoir une

longueur d'onde supérieure à la longueur de ligne du dispositif de mesure;• la hauteur d'eau doit rester faible, en tous les cas toujours inférieure à une dizaine de mètres;• la couche d'eau recouvrant le sédiment doit présenter une résistivité homogène pendant la

durée de la mesure;• la méthode s'appuie au départ sur une hypothèse de terrains relativement tabulaires, sans

pendage général excessif de la structure.


Site de Rémigny

Deux profils de résistivité apparente ont été réalisés afin d’établir les propriétés électriques du sous-sol sous le canal. Les résultats obtenus sont de très bonne qualité et n’ont nécessité aucun filtrage a posteriori. La résistivité de l’eau est constante sur l’ensemble du profil (environ 20 Ω.m). Les deux traînés ayant fourni des résultats semblables, un seul profil est présenté (Fig. 30).

Figure 30 : Profils de résistivité apparente en milieu aquatique, site de Rémigny. Bathymétrie : hauteur d’eau dans le canal ; Rw : résistivité apparente de l’eau ; NM1 à NM7 : résistivité apparente du sous-sol selon des

écartements d’électrodes de mesure croissants de 1 à 7 (NM1 = 56 m, NM7 = 100 m).


Les résistivités apparentes sont comprises entre 10 Ω.m (NM1) et 300 Ω.m (NM7). Les mesures sont

régulières et varient dans le même sens, les résistivités apparentes augmentant avec l’écartement des électrodes. L’analyse des profils permet de définir un compartimentage du sous-sol sub-aquatique en trois zones principales, sur la base des réponses électriques. La première zone (début de profil jusqu’à l’abscisse x = 40 m) est faiblement résistive, de même que la troisième (au-delà du PK 22). Entre les repères x = 40 m et le PK 22, le sous-sol est plus résistif et semble indiquer que le substratum est plus massif et moins fracturé. Cette organisation tend à être retrouvée en fin de profil.

Le modèle d'inversion obtenu (Fig. 31) est cohérent avec les observations effectuées sur les profils de résistivité apparente : trois zones principales se dégagent sur la base des propriétés électriques. Il semble aussi qu’un pendage existe au sein de la zone 3 (depuis le PK 22 jusqu’à la fin du profil). Le sous-sol semble devenir de plus en plus résistif à mesure que l’on se dirige vers la fin du profil et retrouve une répartition des faciès électriques semblable à celle observée au sein de la zone 2.

Figure 31 : 31a : Inversion des données électriques aquatiques et assemblage en profil bidimensionnel ; 31b : écart quadratique moyen entre mesures expérimentales et prévisions du modèle, exprimé ici en pourcentage.

La phase d’inversion des données permet aussi de disposer d’erreurs de prévision, c’est-à-dire de l’écart quadratique moyen, au sens des moindres carrés, entre les mesures expérimentales et les mesures issues de la prévision par le modèle proposé. Il est alors possible d’évaluer le degré de cohérence entre les sondages expérimentaux et le modèle obtenu. Les calculs sont effectués sondage par sondage (et donc de manière indépendante les uns des autres) et la courbe d’écart quadratique moyen présente indéniablement une certaine ressemblance avec les résultats de résistivité apparente : les compartimentages se retrouvent aux mêmes endroits (Fig. 31b ; la courbe représente l’écart quadratique moyen, exprimé ici en pourcentage, entre mesures expérimentales et données inversées). Il semble donc qu’un paramètre inhérent au terrain influence la qualité du modèle. Il est probable qu’une des conditions limite à l’emploi de cette technique, telle que la tabularité des formations du sous-sol (Lagabrielle, 1984), ne soit que peu respectée en début de profil, jusqu’au PK 22 (x = 200 m), au vu des divergences entre modèle calculé et sondage électrique.

Site de Sandillon

Trois profils, numérotés 1, 2 et 3, ont été réalisés à respectivement 40 mètres, 20 mètres et 60 mètres environ de la rive gauche de la Loire. Les trois profils ont des allures très voisines. A l'aide de logiciels adaptés, il est possible de représenter les résultats de l'inversion dans un rendu volumique. Trois zones homogènes principales sont mises en évidences (Fig. 32).


Si l'on se ramène à un modèle à trois terrains et à l'aide des connaissances préalables du milieu (carte géologique, sondages existants, autres données géophysiques) la prospection par traîné électrique aquatique permet ici d'aboutir au schéma matérialisé sur la figure 33.

Figure 32 : Intégration volumique des résultats de l'inversion de trois profils de résistivité apparente.

Figure 33 : schéma géologique du fond de la Loire d'après les profils électriques aquatiques de la figure 32 (Durand, 2003)

Les chutes des résistivités à des valeurs faibles (quelques ohm.m à quelques dizaines d'ohm.m) en profondeur pourraient apparaître comme des anomalies : elles semblent signifier que les terrains rencontrés ont des propriétés électriques équivalentes à celles de l'eau douce voire salée. En fait, ces valeurs signent la présence d'eau minéralisée très conductrice dans le sous-sol pour les profondeurs auscultées (observable aussi dans les calcaires, en profondeur, entre 0 et 400 m d'abscisse). À ce titre, la prospection électrique aquatique ne peut, sur ces zones, faire l'objet d'une interprétation quantitative en terme de répartition verticale des résistivités apparentes (et donc d'une interprétation en terme géologique). Par contre, il est ici possible d'utiliser cette technique pour une délimitation, le long d'un profil aval-amont, de zones ayant une forte teneur en eaux minéralisées comme des zones contenant des eaux de source.

Cette technique de prospection électrique aquatique s'est ainsi montrée efficace sur les deux sites prospectés, en apportant des informations complémentaires qui concernent le sous-sol sur lequel repose la digue ou bien l'évolution géologique du fond du cours d'eau qui jouxte le corps de digue.

3.5. Panneau électrique

3.5.1. Principe physique et mise en œuvre Le principe physique de cette technique, est le même que pour le traîné aquatique : on injecte un courant électrique entre deux électrodes A et B, puis on mesure la différence de potentiel induite entre deux électrodes M et N. La différence est ici que plusieurs électrodes sont implantées en surface (par exemple des piquets en acier) le long d'un profil, généralement linéaire. Le nombre d'électrodes peut


varier mais est couramment de 48 ou 64, les distances inter-électrodes étant constantes. Pour l'auscultation des digues de voies navigables, cet espacement inter-électrodes est classiquement de 1 à 2 m.

Une unité centrale gère automatiquement différents points d'injection (dipôle AB) et différents points de réception (dipôle MN). Le résultat est l'obtention de mesures de résistivités apparentes pour différents écartements d'électrodes, et donc des profondeurs d'auscultation variables. La figure 34 présente le principe du panneau électrique.

Figure 34 : Principe du panneau électrique (Loke, 2004).

La relative simplicité de mise en oeuvre de cette méthode permet d'effectuer des profils de façon linéaire le long du corps de digue (en crête de digue principalement) mais aussi de façon transversale. En effet, la géométrie d'un corps de digue de voie navigable permet le plus souvent d'effectuer une véritable tomographie avec un échantillonnage se situant à l'intermédiaire entre le profilage de surface et la tomographie entre forages. Les résultats fournis par une telle auscultation peuvent s'avérer très riches d'information.

Il existe différents protocoles qui peuvent être utilisés. Ils sont présentés sur la figure 35. L'auscultation des digues de voies navigables ne nécessitant pas une profondeur d'investigation importante (quelques mètres pour la reconnaissance du corps de digue à une dizaine de mètres pour la reconnaissance du substratum), les dispositifs à retenir sont ceux qui fournissent une résolution maximale avec une profondeur d'investigation « moyenne ». Les protocoles les plus adaptés à la reconnaissances des digues sont : Schlumberger, Wenner, dipôle-dipôle et gradient. Toutefois, si l'objectif est la reconnaissance du substratum sous le corps de digue, d'autres géométries sont envisageables, qui permettent une profondeur d'auscultation accrue, avec néanmoins une résolution diminuée.

De même que pour l'ensemble des méthodes géophysiques, cette technique de prospection demande un compromis entre profondeur de pénétration et résolution. Une haute résolution est obtenue en adoptant un faible écartement d'électrodes, néanmoins la profondeur de pénétration sera faible. Inversement, il est possible d'obtenir une profondeur de pénétration plus importante, en espaçant de façon importante les électrodes, avec comme effet une résolution réduite. D'une manière générale, on considère que la profondeur de pénétration est à peu près égale à 1/6 voire 1/8 de la longueur du dispositif en surface. Ceci est bien sûr à moduler, en fonction de la nature des terrains en présence et du protocole de mesures retenu. La résolution des mesures est, quant à elle, de l'ordre de la moitié de l'espacement inter-électrodes.


Les rendements, en site dégagé, avec deux opérateurs et un dispositif à 64 électrodes espacées de 2 m, sont de l'ordre de 2 à 4 profils par jour, soit 250 à 500 m.

Figure 35 : Les géométries classiques des dispositifs de panneau électrique. a correspond à l'espacement entre les électrodes et k au facteur géométrique (Loke, 2004).

3.5.2. Résultats et interprétation Les résultats se présentent sous la forme de profils bidimensionnels qui indiquent la répartition des résistivités apparentes mesurées (Fig. 36, diagramme en haut) puis calculées (Fig. 36, diagramme médian) en fonction d'une pseudo-profondeur, cette dernière correspondant à un écartement d'électrodes (Fig. 36). Ces profils peuvent être inversés au moyen de logiciels adaptés et fournir, par le biais de traitements mathématiques, des cartes de résistivités apparentes interprétées en fonction d'une profondeur, interprétée elle aussi par l'algorithme de calcul (Fig. 36, diagramme en bas). Les résultats doivent faire figurer les données brutes (résistivités apparentes mesurées en fonction d'une pseudo-profondeur) et les paramètres ayant servi à l'élaboration du modèle (par exemple, le nombre d'itérations) de même que l'erreur finale sur les calculs.


Figure 36 : Exemple de résultat de prospection par panneau électrique et de traitement avec le logiciel RES2DINV (Loke 2004). 2 profils de 64m sont ici concaténés. Les mesures proviennent de Rémigny ; l'abscisse

200m correspond à la position du PK22.

La plus grande majorité des prestataires utilise le logiciel RES2DINV (Loke 2004), fondé sur un algorithme d'inversion selon les éléments finis, pour réaliser ces traitements. Ce logiciel présente l'avantage d'être disponible gratuitement en version semi-demo ; il peut être téléchargé sur le site suivant : www.geoelectrical.com. Cette version autorise la réalisation de 3 phases d'inversions, ce qui est généralement suffisant pour contrôler la validité des données brutes.

3.5.3. Principales limites de la méthode Les terrains à reconnaître doivent être suffisamment contrastés, en terme électrique, pour pouvoir être différenciés. Les sites ne doivent pas être trop « bruyants » (ligne à haute-tension, forts courants telluriques, etc.) ; ceci limite l'utilisation de cette méthode en contexte fortement urbanisé. Enfin, la structure du sous-sol ne doit pas être trop complexe.


Site de Rémigny

2 profils ont été acquis en mai 2005, positionnés de part et d'autre du PK22. Le protocole retenu est de type dipôle-dipôle comportant 64 électrodes espacées de 1 m. Cette géométrie permet d'ausculter le sous-sol avec une résolution (latérale et verticale) satisfaisante. Toutefois, au vu de la faible résistivité apparente moyenne des terrains qui composent le corps de digue (comme déduit d'après les prospections EM34 et RMT), du protocole retenu (dipôle-dipôle, à faible profondeur de pénétration) et de l'espacement inter-électrodes adopté (1 m), ce dispositif permet d'ausculter le corps de digue avec une très haute résolution mais n'apporte que peu d'information sur le substratum jurassique sur lequel repose la digue.La concaténation des deux profils permet d'obtenir une image électrique du corps de digue sur une profondeur interprétée de l'ordre de 4.3 m (Fig. 36). Les résultats mettent en évidence une séparation en deux zones principales : les terrains sont relativement conducteurs avant le PK22 (20 à 400 ohm.m) et plus résistants après le PK22 (20 à plus de 1300 ohm.m). Cette compartimentation correspond à celle détectée par la RMT à 603 kHz (Fig. 19) qui intéresse aussi uniquement le corps de digue. Les fortes


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résistivités apparentes enregistrées après le PK22 semblent localisées et ne pas correspondre à une structure continue. Il pourrait s'agir de blocs et/ou de vides.

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Des profils ayant différents protocoles ont été acquis sur la crête de digue côté val, sur différentes journées, afin de tester la répétabilité de la technique et les différences de résultats en fonction du dispositif. La figure 37 présente trois protocoles réalisés au même endroit : dipôle-dipôle, gradient (protocole médian entre Schlumberger et Wenner) et Schlumberger.Les résultats des différents profils sont cohérents entre eux. Les profondeurs d'auscultation augmentent progressivement depuis le protocole dipôle-dipôle (environ 11 m) jusqu'au protocole Schlumberger (environ 16 m). Ils indiquent la présence d'un niveau conducteur depuis le début des profils, qui évolue en biseau jusqu'à 185 m environ. Ce niveau conducteur semble se poursuivre selon une discontinuité verticale entre les abscisses 154 et 170 m. Ensuite, c'est un niveau résistant qui est présent depuis 185 m et jusqu'en fin de profil. Cette variation latérale depuis des niveaux conducteurs à des niveaux plus résistants est compatible avec les résultats obtenus par EM31 (Fig. 17) et RMT (Fig 20). De plus, la légère discontinuité conductrice verticale coïncide avec la présence d'une ancienne brèche reconnue à cet endroit.

Figure 37 : Panneaux électriques selon 3 protocoles, site de Sandillon.

Cette technique de prospection par panneau électrique s'est montrée performante sur les deux sites reconnus. Elle a permis de mettre précisément en évidence les anomalies recherchées tout en fournissant une résolution élevée.


3.6. Traîné Aquatique de Potentiels Spontanés

3.6.1. Principe physique et mise en œ uvre La méthode des potentiels électriques spontanés (PS) est une technique d’auscultation géophysique non destructive, classiquement employée sur terre en instrumentation ponctuelle.Cette méthode est fondée sur la mesure de potentiels électriques naturels créés de façons diverses dans le sous-sol par des interactions électrochimiques entre des minéraux, des processus électrocinétiques, un gradient de température ou de pressions interstitielles. Ces processus induisent un flux d’ions et donc la création d’une différence de potentiel (ddp). C’est le potentiel créé par un écoulement hydraulique dans le sol, appelé aussi potentiel d’électro-filtration ou encore potentiel électro-cinétique, qui est principalement utilisé dans les applications de génie civil. Succinctement, la ddp mesurée entre un point aval et un point amont de la zone de circulation est expliquée par la polarisation résultant du couplage entre la solution ionique qui circule et la double couche électrique (dite « de Helmoltz ») des parois capillaires du milieux poreux (MacInnes, 1961 ; Corwin & Hoover, 1979). En présence d’une eau neutre ou basique, le potentiel est positif, une zone de fuite générant une anomalie négative et une remontée de zone imperméable une anomalie positive (Aubert, 1997).La valeur du potentiel électro-cinétique créé est donnée par l’équation (8) (Corwin & Hoover, 1979) :

V=4

P (8) V : potentiel électro-cinétique (volt),ρ : résistivité de la solution (Ω.m),ε : constante diélectrique de la solution (F/m),ζ : ddp à travers la double couche de Helmoltz (V), appelée aussi potentiel zêta,ΔP : différence de pression le long du chemin parcouru par le fluide (Pa),η : viscosité dynamique de la solution (Pa.s) ;

La PS à terre est une technique ancienne : elle a été utilisée dès la première moitié du XIXème siècle pour la mise en évidence de gisements de sulfure de cuivre. Depuis, cette méthode, couramment usitée pour la localisation de gisements minéralisés (Sato & Mooney, 1960 ; Corwin, 1976), a été développée pour des études de circulations de fluides dans le sous-sol (Corwin & Hoover, 1979 ; Aubert, 1987), pour des applications géotechniques (Al Saigh et al., 1994 ; Bogoslovsky & Ogilvy, 1970 ; Ogilvy et al., 1969) ainsi que pour des applications géologiques et géodynamiques plus fondamentales (Aubert et al., 1991 ; Trique et al., 2000 ; Hovhanissian et al., 2000 ; Jouniaux & Pozzi, 1997).

Le matériel utilisé comprend un câble (ou « flûte ») muni de quatre électrodes impolarisables à écartement fixe (dispositif en gradient) définissant deux dipôles de mesure. La flûte est traînée sur le fond du canal et reliée à un ordinateur portable qui fait office de millivoltmètre, par le biais d’une carte d’acquisition et d’un logiciel adapté, et d’unité de stockage des données (Fig. 38). Cet ensemble est embarqué sur le bateau. Il s’agit donc d’un moyen de prospection peu coûteux, très simple à mettre en œuvre et qui permet l’acquisition de plusieurs kilomètres de données par jour.

Figure 38 : Dispositif de mesure du traîné aquatique de Potentiels Spontanés. V1 : différence de potentiel mesurée par les électrodes d’écartement de 5 m ; V2 : différence de potentiel mesurée par les électrodes

d’écartement de 15 m. Offset : distance entre le bateau et le centre du dispositif de mesure (0).


3.6.2. Résultats et interprétations Les résultats se présentent sous la forme de profils bidimensionnels qui montrent l'évolution des ddp mesurées le long d'un profil de mesures. En cas d'équilibre, les variations de PS sont nulles. En présence d'une anomalie de type fuite dans un corps de digue, les profils doivent théoriquement faire ressortir des anomalies de PS négatives.

3.6.3. Principales limites de la méthode Le traîné aquatique de PS est une technique encore au stade expérimental. Il n'existe pas à ce jour de matériel suffisamment fiable pour en faire une méthode à recommander systématiquement. De nombreux phénomènes physiques autour des procédés de PS ne sont pas suffisamment connus et/ou maîtrisés.Cette technique, qui semble néanmoins prometteuse, doit être employée actuellement avec de très grandes précautions quant à l'interprétation.

3.6.4. Exemples de mesures Seul le site de Rémigny a été l'objet de prospection PS. Une première campagne a été réalisée de façon expérimentale en 2000 (Norgeot 2000). Une deuxième phase de prospection a été réalisée sur le même site en 2004 avec un autre type de matériel, par la société SOBESOL. Les résultats sont présentés sur la figure 39.

Figure 39 : Profils de Potentiels Spontanés (PS) aquatiques effectués côté halage du canal (Norgeot, 2000 ; Bièvre & Norgeot, 2003) et mesures de 2004 (données SOBESOL). Les mesures ont été effectuées avec des

électrodes d’écartements 5 mètres et 15 mètres, avec deux sens de parcours (d’est en ouest : EO, ou bien d’ouest en est : OE) et à trois périodes (juillet 2000, août 2000 et printemps 2004). Les abscisses sont repérées par

rapport au PK22.


Les mesures ont été acquises avec des électrodes d’écartements 5 mètres et 15 mètres, avec deux sens de parcours (de l’est vers l’ouest : EO, ou bien de l’ouest vers l’est : OE) et à deux périodes (une série au mois de juillet et une série au mois d’août) pour les mesures d'août. Un seul profil, réalisé en 2004, est ajouté sur les 3 graphes. Ce dernier profil a été réalisé avec un matériel différent : deux électrodes implantées dans l'eau, dont une fixe et une mobile, servent à mesurer les potentiels naturels dans le canal. Une autre série d'électrodes est implantée à proximité du canal, sur toute la longueur du profil à reconnaître, et sert à mesurer les variations de potentiel d'origine tellurique, c'est-à-dire les courants électriques naturels qui circulent dans le sol. De façon succincte, cette dernière mesure est retranchée de la mesure effectuée dans le canal, ce qui permet de s'affranchir des signaux « régionaux » qui ne correspondent pas à une éventuelle fuite.

Une première analyse des résultats montre que des anomalies positives et négatives sont détectées et qu’elles sont localisées aux mêmes endroits sur les profils. Les acquisitions ayant été effectuées dans les deux sens et à deux périodes différentes, on constate que le système permet une bonne répétabilité des mesures et que les anomalies enregistrées correspondent à une variation d’un paramètre physico-chimique au niveau des électrodes.

Une première anomalie négative est repérée au niveau de la première zone de fuite, sur les profils OE (entre 50 et 100m ; Fig. 39), avec une ddp d’une amplitude d’environ – 100 mV. L’extension latérale de cette anomalie est assez importante, de l’ordre d’une vingtaine de mètres. Une autre anomalie négative est observée, uniquement sur le profil EO, au niveau de la deuxième zone de fuite (x = 250 m, électrodes de 5m ; Fig. 39), avec un potentiel négatif d’amplitude supérieure à 100 mV et une extension latérale d’environ 20-25 m. Les trois profils présentent ensuite une forte anomalie positive à la fin de la deuxième zone de fuite avec une large extension latérale. D’autres anomalies, assez fortes, négatives et positives, sont observables en fin de profil entre les abscisses 350 et 450 m.La théorie propose que les anomalies générées par des fuites (zone drainante depuis le canal jusqu’en pied de digue) soient de potentiel négatif (Aubert, 1997). Deux anomalies de ce type sont repérées sur les profils de PS au niveau des zones de fuites en pied de digue (Fig. 39). Toutefois, leur extension latérale est très importante (20 à 25 m). Les observations visuelles dans le canal rapportent que la taille des fuites est de l’ordre de quelques dizaines de centimètres au maximum (inframétrique en tout cas).D’autres anomalies, positives celles-ci, sont détectées (fin de la deuxième zone de fuites, x = 250 à 300 m ; fin du profil, à partir de x = 380 m ; Fig. 39). Elles correspondraient à une eau neutre ou basique ou bien à une remontée d’un niveau imperméable (Aubert, 1997).Enfin, une comparaison avec les données issues de la littérature (Ogilvy et al., 1969 ; Al-Saigh et al., 1994 ; Bogoslovsky & Ogilvy, 1970) laisse apparaître que l’amplitude des anomalies détectées est importante (jusqu’à une centaine de mV), alors qu’elles ne dépassent guère quelques dizaines de mV dans les travaux consultés.

La comparaison des mesures de 2000 avec celles de 2004 indique une corrélation nulle. Ces dernières mesures présentent une allure plus stable (mesure 2004 sur la figure 39). Il n'existe que de très faibles variations sur ce profil et seulement les anomalies négatives aux abscisses 70 m et 300 m correspondent avec des zones de fuite en pied de digue. Il semble n'y avoir que peu, ou pas, de fuites détectées au niveau du corps de digue d'après l'analyse de ces mesures.

Cette technique de prospection, qui semble prometteuse, a déjà été appliquée à des ouvrages avec succès (Al-Saigh et al. 1994). Toutefois, elle nécessite une meilleure compréhension des phénomènes à l'origine des anomalies de PS.


3.7. Sismique réfraction

3.7.1. Principe physique et mise en œ uvre Cette méthode de prospection classique est fondée sur l’étude de la propagation des ondes mécaniques (ondes de compression et de cisaillement principalement) dans la partie supérieure du sous-sol lorsque les couches sont sub-horizontales. Une source sismique est créée puis déplacée le long d’un profil. Différents géophones placés le long de ce profil permettent d’enregistrer le temps d’arrivée des vibrations et de construire une courbe temps-distance appelée dromochronique (Fig. 40). En sismique réfraction, ce sont les temps des « premières arrivées » qui sont utilisés (i.e. les premières vibrations enregistrées par le géophone depuis la génération de l’ébranlement).

Figure 40 : Principe de la sismique réfraction pour un milieu tabulaire à deux couches 1 et 2 avec une distribution croissante des vitesses des ondes mécaniques en fonction de la profondeur (V2 > V1). À gauche,

cheminement des ondes directes et réfractées et dispositif simplifié d’acquisition des données (adapté de Keary et al. , 2002). À droite, construction de la courbe temps-distance (dromochronique) d’après les données du schéma

de gauche.

Afin que les ondes émises depuis la surface avec un angle d’incidence ic atteignent une interface située

à une profondeur Z, se réfractent le long de cette interface selon un angle ir (ir = 90°) puis rejoignent

les géophones à la surface, il faut que le milieu permette l’émergence d’un rayon réfracté. Les conditions minimales nécessaires sont, d’une part, que la stratification réponde aux conditions d’angle limite et, d’autre part, que le milieu 2 permette une propagation plus rapide des ondes P que le milieu 1. Cette condition définit la notion d’angle critique (ic) qui est régie par l’équation 9, appelée loi de

Snell (Keary et al. , 2002) :

sin icv1

=sin i rv2

= sin90 °

v2 =1 v2

(9)ic = angle d’incidence critique (en degrés),

ir = angle de réfraction (= 90 degrés),

V1, V2 = vitesses de propagation des ondes P dans les milieux 1 et 2

(en m/s, avec V1 < V2).

De façon évidente, pour les géophones les plus proches de la source, l’onde directe est la plus rapide. Puis, en s’écartant, l’onde réfractée, qui atteint la première interface (cf. Fig. 40 : limite entre les sols superficiels à vitesse V1 et le substratum à vitesse V2>V1), se déplace plus rapidement car la vitesse de

propagation est plus importante dans ce deuxième milieu. Au-delà d’une certaine distance, appelée distance de cross-over (xcros sur la figure 40), c’est l’onde réfractée qui arrive la première au géophone.

Connaissant la distance et le temps, il est possible de calculer les vitesses de propagation des ondes sismiques dans les différentes couches. Puis, par le biais de relations géométriques et trigonométriques (équations 9 et 10), il est possible de calculer les profondeurs de ces interfaces sous les tirs par l’équation 10 :


Z 1 =t 1 v1 v2

2 v2² −v1 ²=x c2 v2 −v1

v2 v1

(10)

Z1 = profondeur de la première interface sous le tir (m),ti = intercept time (s) ; il s’agit de la valeur temporelle que prend la

courbe de pente 1/V2 pour une distance nulle,

xc = distance de cross-over (m),V1, V2 = vitesses de propagations des ondes P dans les milieux 1

et 2 (m/s).

3.7.2. Résultats et interprétation Les résultats bruts sont des sismogrammes, encore appelés films, qui représentent, pour chaque trace (géophone), l'enregistrement pendant un temps adapté des vibrations générées par la source. La première étape consiste à construire la dromochronique correspondante et à en déduire les vitesses des ondes P (Fig. 41).

Figure 41 : Exemple de sismogramme acquis sur le site de Sandillon. À gauche, l'enregistrement est correct et permet un pointage précis des premières arrivées (les traces 1 à 6 ont toutefois des réglages de gain perfectibles).

À droite, construction de la dromochronique, détermination du nombres de couches (ici 2) et des vitesses des ondes P correspondantes.

Lorsque l'on dispose de plusieurs dromochroniques par profil, il est possible, quand le sous-sol est organisé de façon tabulaire, de déterminer les vitesses moyennes des différents terrains ainsi que leur épaisseur moyenne, à l'aide de l'équation (10) et de son adaptation pour le cas de plus de deux terrains présents. Les détails de ces opérations ainsi que des techniques d'inversion classiques (par exemple, méthode plus-minus, méthode réciproque généralisée) sont détaillées dans plusieurs ouvrages (Keary et al. 2002 ; Magnin & Bertrand 2005). Par la suite, l'inversion sera abordée à l'aide d'une technique par recuit simulé.

3.7.3. Principales limites de la méthode L'émergence d'un rayon réfracté nécessite une augmentation des vitesses avec la profondeur. Une couche lente située sous une couche plus rapide ne sera pas détectée (cf. équation 9).

Les sites de prospection ne doivent pas être trop bruyants d'un point de vue sismique (vibrations). Celles-ci peuvent perturber le signal et amener des difficultés pour un pointage correct des sismogrammes (Fig. 42).


Figure 42 : Exemple de bruit sur un sismogramme ; l'enregistrement est délicat à pointer à cause d'un mauvais réglage des gains couplé à un bruit important sur la partie gauche (ici, du vent).

Pour l'auscultation de digues qui peuvent se trouver « en eau », la présence d'une nappe au sein du corps de digue peut avoir comme effet de masquer la réponse du sous-sol. En effet, lorsque l'onde va pénétrer un milieu saturé en eau, la vitesse de propagation des ondes P (ondes de compression) dans le milieu va tendre vers celle de l'eau (environ 1500 m/s). Il va alors devenir très délicat de différencier des terrains où les vitesses sont similaires (par exemple des niveaux sableux et des niveaux argileux). Un moyen de s'affranchir de ce problème est de procéder, en plus de l'acquisition en ondes P, à la réalisation du même profil en ondes de cisaillement (ondes S). Il n'y a en effet pas de cisaillement dans les liquides et les valeurs obtenues permettront de différencier correctement les terrains. Cette co-acquisition permet ainsi de déterminer avec précision le niveau de la nappe (Fig. 43). De plus, la tomographie en ondes S permet de distinguer 3 niveaux ayant des contrastes mécaniques moins marqués que pour les ondes de compression et qui ne sont par conséquent pas détectés (sur la figure 43, de haut en bas, respectivement : un niveau hétérogène à matrice argileuse, un niveau de sables argileux lâches, puis un niveau argileux plus compact).


Figure 43: Comparaison d'une tomographie en ondes P et en ondes S sur un corps de digue. La présence d'une nappe d'eau à environ 2.5 m de profondeur empêche une reconnaissance en profondeur avec les ondes P. La tomographie en ondes S permet de s'affranchir de ce phénomène et d'ausculter la structure en profondeur.

Dans le cas d'une organisation simple du sous-sol (horizons tabulaires), 5 tirs pas profil peuvent sembler suffisant : 1 tir à chaque bout du profil, 1 tir au centre et 2 tirs déportés (ou offset). Ceci se prête bien à l'interprétation classique des dromochroniques : détermination du nombre de couches et de leur vitesse respective, profondeur des différentes interfaces, détermination de pendages.Toutefois, dans le cas d'interprétation par imagerie sismique, le nombre de données expérimentales doit être suffisamment important afin de limiter au mieux le nombre de solutions possibles pouvant expliquer les données (problème de non-unicité de la solution). Il est donc recommandé de réaliser, au minimum, 7 tirs par profil : aux précédents, on ajoute 2 tirs à l'intérieur du dispositif. Ces recommandations sont à moduler en fonction de la complexité du site, et c'est le rôle du géophysicien d'adapter le nombre de tirs en fonction des résultats préliminaires sur le terrain. La figure 44 suivante illustre le résultat d'une interprétation en terme d'imagerie sismique, où les données d'entrée se composent, respectivement, de 3 tirs et de 15 tirs.Avec une organisation du corps de digue qui semble a priori simple, l'inversion au moyen de 3 tirs sans offset fournit une image globalement correcte (Fig. 44a). L'interface digue / alluvions est globalement bien positionnée mais le contact entre la base des alluvions et le calcaire n'est pas détecté car il n'y a pas de tir déporté. De plus, l'échantillonnage indique une assez mauvaise couverture spatiale du sous-sol par la modélisation, conséquence d'un manque de données expérimentales. Cette inversion a nécessité, avec un ordinateur classique, 15 min.La figure 44b est le résultat d'une inversion avec 15 tirs, dont deux déportés. L'échantillonnage indique une excellente couverture du sous-sol. Les interfaces sont correctement identifiées et positionnées. On remarque néanmoins, en partie inférieure du modèle (abscisse 150 m environ pour une profondeur de 15 m) la présence d'une anomalie lente dans le substratum calcaire. Une comparaison avec la courbe d'échantillonnage indique que cette région a été peu couverte lors de la


phase de calcul : il s'agit alors d'une anomalie de la modélisation et non pas d'une anomalie terrain. Le temps de calcul, sur le même ordinateur que précédemment, pour cette inversion, a été de 1h10min.

Figure 44: Comparaison des résultats d'une inversion en fonction des données d'entrée. a) avec 3 tirs ; b) avec 15 tirs.


Site de Rémigny

Les mesures ont été réalisées avec un dispositif ABEM Terraloc MK3 comportant 24 géophones espacés de 1 m, les deux profils ayant 2 géophones communs pour permettre un bon recouvrement. Les ébranlements ont été générés à la masse. De façon générale, on considère que pour obtenir une caractérisation correcte d’une interface située à une profondeur Z, le dispositif en surface doit être d’une longueur 4Z à 6Z au moins. L’objectif étant ici de caractériser l’interface entre le corps de digue et le substratum, situé entre 3 et 6 mètres (cf. paragraphe 2.1 et Fig. 6), le dispositif retenu a un espacement intergéophones de 1 mètre, et une longueur totale de dispositif unitaire de 23 mètres. Avec cette configuration matérielle, un site dégagé et deux opérateurs, le rendement est d’environ 150 à 200 mètres par jour au maximum, ce qui représente 6 à 8 profils. Les dispositifs ont été centrés sur le PK 22, afin de confirmer, à cet endroit, les variations latérales observées en électrique aquatique au niveau du substratum. Les dromochroniques sont représentées sur la figure 45. Un géophone n’ayant pas fonctionné correctement (troisième géophone à partir de la gauche ; Fig. 45), ses résultats n’ont pas été pris en compte.

La plus grande partie du profil indique un substratum (environ 4000 m/s) situé sous une couverture (environ 500 m/s) qui diminue d’épaisseur en direction de l’est. La dromochronique de tir de fin de ligne à l’est (tir n°10 à 224 m ; Fig. 45) indique que les ondes mécaniques se propagent directement avec une vitesse très élevée (plus importante que la vitesse de propagation des ondes dans le substratum pour le reste du profil, plus à l’ouest). Il est probable qu’à cet endroit une zone comportant des fractures verticales ouvertes serve de guide d’onde et permette aux ondes mécaniques de rejoindre très rapidement le substratum sous le remblai. Cette analyse est confortée par l’observation du tir à offset n°11 à 234 m (Fig. 45 ; ce tir intéresse le substratum situé au droit des géophones) : les ondes mécaniques, sous cette même partie de profil, se propagent très rapidement puis retrouvent un milieu plus lent, correspondant vraisemblablement au substratum. Il semble donc que, à la fin de ce profil, l’extrémité est se situe au droit d’une zone fracturée.


Figure 45 : Dromochroniques et modèle d’inversion obtenus sur le secteur de Rémigny. Les chiffres de 1 à 11 indiquent la correspondance entre la source sismique et les dromochroniques résultantes. Un géophone n’a pas

fonctionné et est absent de la représentation (troisième géophone à partir de la gauche). La position des profils est indiquée sur la figure 7.

Ces données ont ensuite été traitées par la méthode de recuit simulé (simulated annealing ; Abbot et al., 2001 ; Pullammanappallil & Louie, 1994, 1997). Succinctement, à la différence des procédés classiques de calcul de profondeur d’interfaces (e.g. méthode des plus-minus (Hagedoorn, 1959) ; méthode des réciproques (Hawkins, 1961)), cette modélisation est à rapprocher d’une tomographie. Les modèles de profil sismique sont obtenus par une technique de type Monte-Carlo, qui est une méthode numérique de simulation fondée sur les formules d’échantillonnage et les approches probabilistes (résolution statistique du problème direct sans inversion).Il suffit alors de disposer de la géométrie des lignes de tir ainsi que des pointés des premières arrivées (c'est à dire les données qui servent à construire les dromochroniques). Les résultats se présentent sous la forme d’une image montrant les gradients de variation de vitesse en fonction de la profondeur. Les interfaces entre les couches de différentes vitesses se trouvent là où la variation de gradient de vitesse est la plus prononcée. L’application permet aussi de placer les interfaces entre les différentes couches (c'est à dire l'interface entre 500 et 4000 m/s ; Fig. 45), après avoir déterminé les vitesses sismiques de ces dernières (à partir de l’analyse des dromochroniques) et les avoir intégrées au modèle.Il est aussi possible de disposer d’erreurs de prévision sur la qualité du modèle obtenu (Fig. 46) : écart quadratique moyen, au sens des moindres carrés, entre les mesures expérimentales et calculées, comparaison graphique des dromochroniques expérimentales et calculées ainsi que le maillage du modèle, qui indique le nombre de fois qu’une cellule a été utilisée pour réaliser les calculs. De façon évidente, les cellules les plus utilisées pour le calcul du modèle correspondent aux pointés retenus par ce dernier ; l’observation de cette figure permet alors d’observer le cheminement calculé des ondes sismiques (tracé des rais) et de vérifier leur cohérence avec la structure auscultée.


Figure 46 : Couverture du modèle calculé à la figure 43 (densité de points utilisés par le logiciel pour calculer le modèle)

Les résultats obtenus sont concordants avec les dromochroniques et soulignent la décroissance progressive de l’épaisseur de couverture vers l’est (c'est à dire l' épaisseur du corps de digue) ainsi que la présence d’une zone perturbée au droit du tir n°10 à 224 m.La courbe pointillée noire (Fig. 45) est le résultat d’un calcul de positionnement d’interface par le logiciel. Il faut noter la bonne corrélation entre le sommet des calcaires compacts du sondage S3 et l’inversion sismique qui indique une interface entre les niveaux de couverture à vitesse lente (500 m/s) et le substratum à vitesse rapide (4000 m/s) à cette même profondeur (environ 3 m).Toutefois, en dessous, les niveaux rencontrés sont des marnes et des argiles, qui ne sont pas mises en évidence par le modèle (pas de diminution de vitesse observable plus en profondeur). On atteint ici une des limites de la sismique réfraction, qui nécessite une distribution des vitesses sismiques croissante avec la profondeur. En effet, en cas d’intercalation d’une couche lente entre deux couches rapides (ici un niveau de marnes entre deux niveaux de calcaires), cette couche lente ne sera pas détectée (équation 9 ; Keary et al,, 2002).

Site de Sandillon

5 profils sismiques ont été réalisés avec un matériel comprenant 24 géophones. Les ébranlements ont été générés à l'aide d'une masse de 10 kg. Le site étant dégagé et facilement accessible, une journée a été nécessaire à deux opérateurs pour réaliser ces 5 profils. L'implantation de deux profils P4 et P5 est détaillée dans le tableau 3.

Tableau 3 : Implantation des profils sismiques, site de Sandillon.

Profil Position Abscisse/Borne 32D Nb de tirs Objectif

P4 Pied de digue côté val 75 à 121 m 5Caractériser le substratum sans "passer

par" le corps de digue

P5 Crête de digue côté val 141 à 187 m 15 Détecter l'ancienne brèche à 150 m

Profil P4

Ce profil a été implanté en pied de digue côté val. Il permet de caractériser les formations du substratum en place et ainsi de pouvoir calibrer l'interprétation des données acquises sur le corps de digue. Deux terrains ressortent de l'analyse des dromochroniques (Fig. 47) : un niveau supérieur composé de sables et graves de Loire en place (vitesse moyenne = 700 m/s), et un niveau inférieur composé de Calcaire de Beauce (vitesse moyenne 1850 m/s).


Figure 47 : Dromochroniques et optimisation du profil P4.

Un troisième niveau peut être détecté : les dromochroniques indiquent un surdélai (Fig. 47), c'est-à-dire l'intercalation d'un terrain plus lent provoquant un bombement des segments de droites. Ce dernier se situe entre les deux terrains principaux et peut éventuellement correspondre à une couche intermédiaire d'altération. Ce niveau n'est pas mis en évidence par l'inversion.Les calculs de profondeur de l'interface donnent des résultats similaires selon la technique employée. Les résultats sont présentés dans le tableau ci-dessous (Tableau 4).

Tableau 4 : Profondeur de l'interface alluvions / Calcaire de Beauce sous le profil sismique P4.

Méthode des intercepts (équation 10) Optimisation

Tir amont (x = -2 m) 6.6 m 6.5 m

Tira aval (x = 48 m) 7.35 m 7.5 m


Ces résultats correspondent bien avec la coupe théorique de la digue, qui indique une profondeur de cette interface située entre 6 et 8 m (Fig. 48).

Figure 48 : Corrélation de la coupe théorique de la digue avec les résultats du profil P4.

Profil P5

Le profil P5, implanté entre les abscisses 141 m et 187 m est situé au droit d'une ancienne brèche. 15 tirs ont été réalisés pour ce profil, afin d'avoir une couverture la plus importante possible.

Ces profils, disposés sur la crête de digue côté val, permettent de distinguer plusieurs terrains sur la base de l'analyse des dromochroniques. Ces terrains sont, de haut en bas :

un premier niveau superficiel de vitesse 400 m/s et d'épaisseur moyenne égale à 4 m sur l'ensemble du profil. Ce terrain correspond aux sables fins lâches.

un deuxième niveau de vitesse 700 m/s et d'épaisseur moyenne 9 m sur l'ensemble du profil. Ce terrain correspond aux sables et graviers denses qui marquent les alluvions de Loire en place.

le toit du terrain le plus en profondeur se situe à 13 m en moyenne. D'une vitesse moyenne de 1800 m/s, il caractérise le Calcaire de Beauce.

De la même manière que pour le profil P4, l'interface entre les formations "lentes" et le Calcaire de Beauce est mise en évidence à une profondeur correcte (Fig.48). Le positionnement de l'interface entre les terrains à 400 m/s et ceux de vitesse égale à 700 m/s, c'est-à-dire entre les sables fins lâches et les sables et graviers denses est plus délicat. Ces formations n'offrent pas un contraste de vitesse assez important pour permettre une discrimination suffisamment précise. Il est vraisemblable que l'évolution des vitesses entre ces deux niveaux se fasse de façon graduelle et non pas franche (phénomène de compaction graduelle). Il est de même envisageable que l'épaisseur de sables fins qui composent le corps de digue soit variable le long de ce dernier.La figure 49 indique aussi la présence d'un léger enfoncement de la limite 400/700 m/s entre les abscisses 150 et 160 m. Ceci correspond à la position d'une ancienne brèche, déjà décelée par les panneaux électriques (Fig. 37).


Figure 49 : Corrélation entre le profil sismique 5 et la coupe théorique de la digue.

La mise en oeuvre de cette technique de prospection par sismique réfraction s'est révélée fiable sur les deux sites. Elle s'avère très utile pour la reconnaissance des corps de digue et ne possède que très peu de limitations.

3.8. Mesures physiques sur les eaux

3.8.1. Principe physique et mise en œ uvre La mesure de propriétés physiques de l'eau constitue un moyen simple et bon marché de pouvoir éventuellement localiser des zones de fuites et/ou de circulation d'eau dans un corps de digue de voie navigable (information hydrogéotechnique) ou bien au niveau du substratum géologique (hydrogéologie). A ce titre, elles sont un très bon complément à la cartographie hydrogéologique de l'environnement de l'ouvrage ausculté. Ces mesures ponctuelles sur des prélèvements d’eau, ou bien sur de l'eau en place, peuvent être réalisées en divers endroits : canal, puits, drains, forages, infiltrations, source, etc. Les paramètres les plus couramment mesurés sont :

• la conductivité électrique qui représente la facilité avec laquelle le courant électrique peut circuler. Elle est généralement exprimée en milli- ou microSiemens par centimètre (mS/cm ou µS/cm) ;

• la température de l'eau, exprimée en degrés Celsius (°C) ;

• le pH.

La mesure se fait au moyen d'une sonde, directement en contact avec l'échantillon que l'on souhaite analyser. La lecture de la mesure se fait directement ; elle peut éventuellement être stockée dans une mémoire. Il existe plusieurs types de sondes : sondes portables pour effectuer les mesures « soi-même » ou bien des sondes qui sont placées dans des trous de forage afin d'effectuer un monitorage


temporel (Fig. 50). Ces dernières sont d'un coût plus élevé et, de plus, il est nécessaire de réaliser des forages dans le corps de digues.

Figure 50: Schéma d'instrumentation d'un corps de digue avec des capteurs de température dans des trous de forage (document GTC).

3.8.2. Résultats et interprétation Les résultats peuvent se présenter sous plusieurs formes : courbes qui présentent l'évolution temporelle du paramètre physique mesuré en fonction de la localisation du point de mesure (Fig. 51). Cette représentation est adaptée à un monitorage temporel.La figure 51 présente les courbes idéales auxquelles il est possible de s'attendre en cas de fuite dans un corps de digue, selon la saison. En période hivernale, une fuite au sein de la digue sera matérialisée par une anomalie de faible température, indiquant le passage d'une eau aux caractéristiques proches des eaux de surface (plus froides que des eaux situées en profondeur). Inversement, en période estivale, une fuite se manifestera par une circulation d'eau plus chaude que la température du corps de digue (eau ayant circulé en surface) et provoquera ainsi une anomalie positive de température.

Il est aussi possible, quand les mesures ont été relevées spatialement, de représenter les données sous forme de cartes (Fig. 52), avec une interpolation des mesures entre elles. Finalement, lorsque plusieurs paramètres ont été mesurés, par exemple la température et la conductivité électrique, une représentation sous forme de diagramme température-conductivité peut apporter des informations intéressantes.


Figure 51: Distribution idéalisée des températures du sol en profondeur comparée à une anomalie de température provoquée par une fuite, a) en hiver, b) en été (document GTC).

Figure 52: Exemple de mesures physico-chimiques sur le canal du Centre représentées sous forme de cartes ; C : canal – D : drain – I : moyenne des infiltrations chez l’habitant – P : puits – Sn : piézomètre en forage – So :

source – PF : point fictif.

3.8.3. Principales limites de ces méthodes Il n'existe a priori aucune limite à l'emploi de ces méthodes. Il s'agit, en ce qui concerne des sondes portables, d'une technique très bon marché qui peut apporter des résultats très précis et intéressants pour la localisation éventuelle de fuites et/ou de chemins d'écoulements préférentiels au sein d'un corps de digue. Les instrumentations pour monitorage temporel du corps de digue nécessitent la réalisation préalable de forages, ce qui induit un coût relativement élevé de cette instrumentation.


3.8.4. Exemple de mesures Sur le site de Rémigny, des mesures ponctuelles sur des prélèvements d’eau ont été réalisées en divers endroits : canal, puits, drains, forages, infiltrations, source. Trois séries d’échantillonnages ont été effectuées en juillet 1996, octobre 1996 et janvier 1997. Trois paramètres ont été mesurés pour tenter de caractériser les eaux et l’origine des fuites : nappe de versant, canal ou les deux. Ces paramètres sont : la conductivité électrique, la température de l'eau, et le pH. Les cartes (Fig. 52) présentent les mesures effectuées en juillet 1996 ainsi que les mesures des températures du mois de janvier 1997. La densité des points de mesures ainsi que le lieu de prélèvement (drain, canal, sondage, source, puits) sont indiqués sur cette figure. Des points fictifs notés PF ayant les mêmes caractéristiques que l’eau du canal ont été ajoutés, afin de représenter le cheminement de l’eau du canal ; une interpolation a été construite par triangulation.

L’observation de ces cartes permet de révéler plusieurs types d'eaux sur la base des caractéristiques physiques. Pour le mois de juillet 1996, il existe d’abord une eau de faible conductivité (inférieure à 450 µS/cm), température élevée (supérieure à 21 °C) et de pH voisin de 7,5. Ensuite, il est possible de discerner une eau de forte conductivité (supérieure à 500 µS/cm), faible température (inférieure à 17 °C) et de pH supérieur à 7,5. Ces deux types d’eau correspondent respectivement à l’eau du canal, de forte température (eau de surface en été), puis à une eau de nappe, de faible température, car située dans le substratum, et de forte conductivité puisqu’elle peut se charger en ions en transitant dans l’aquifère. Les pH, a priori, ne permettent pas d’effectuer le même type de différenciation.La carte des températures de janvier 1997 permet de distinguer deux origines d’eaux, les températures étant logiquement réparties de façon inverse par rapport à l’été (Fig. 52) : l’eau du canal est dans ce cas plus froide que l’eau de nappe.Une première analyse de ces cartes révèle que certaines mesures faites dans des puits (donc vraisemblablement sur une eau de nappe) présentent les mêmes caractéristiques que celles portant sur des infiltrations dans des habitations. De même, des eaux d'infiltration présentent les mêmes caractéristiques que l'eau du canal. Ces résultats indiquent a priori une origine mixte des eaux qui s'infiltrent dans les habitations.

La construction d’un diagramme température / conductivité des prélèvements de juillet 1996, présenté sur la figure 53, permet de confirmer cette première analyse et de mettre en évidence une répartition des points selon trois groupes qui s’individualisent de façon nette. Les mesures effectuées sur les eaux de nappe (les puits et la source) se caractérisent par une faible température (12 à 16 °C) et une forte conductivité (450 à 750 µS/cm). À l’inverse, celles qui concernent les eaux du canal sont faiblement conductrices (300 à 425 µS/cm) et plus chaudes (20 à 24 °C). Deux mesures (température de 18 à 19 °C et conductivité de l’ordre de 450 µS/cm) montrent un stade intermédiaire, correspondant vraisemblablement à un mélange d’eau de nappe et d’eau du canal. Il est aussi possible de penser que la proportion d’eau du canal est plus importante, les caractéristiques de ces eaux étant plus proches de celles du canal que de celles de l’eau de nappe. Cette hypothèse peut toutefois être à moduler en fonction de la vitesse d’écoulement de l’eau du canal dans le sol via des fuites.


Figure 53: Diagramme conductivité – température d’après les mesures physico-chimiques de juillet 1996 sur le canal du Centre. L’analyse de ce diagramme permet de distinguer trois types d’eaux qui correspondent à l’eau du

canal, à l’eau de nappe et à une eau intermédiaire entre les deux précédentes (eau de mélange).

Il est intéressant de voir que les deux points intermédiaires correspondent à une mesure effectuée dans un forage en berge du canal et sur une infiltration dans une habitation. La mesure en sondage (repère S5, Figs. 52 et 53) indique que le remblai de digue est traversé par de l’eau du canal ainsi que par de l’eau de nappe, cette dernière étant originaire des formations carbonatées en place. La mesure sur l’infiltration dans l’habitation (repère I, Figs. 52 et 53) indique que ces dernières sont dues à une eau de mélange.

3.9. Méthodes diagraphiques

Les diagraphies sont des mesures géophysiques qui s’appliquent aux forages. Il s’agit d’une branche à part entière de la géophysique. Une diagraphie est un enregistrement continu des variations d'un paramètre donné en fonction de la profondeur. À ce titre, il ne s'agit pas de méthodes de reconnaissances non invasives mais plutôt de techniques complémentaires, à mettre en œuvre suite à la réalisation (nécessaire) de forages de reconnaissances. En effet, elles apportent de nombreuses informations et permettent de corréler les paramètres physiques mesurés à des niveaux lithologiques et/ou géotechniques. De ce point de vue, il s'agit de techniques très intéressantes à utiliser lorsque le site à reconnaître est complexe et nécessite une interprétation géologique/géotechnique poussée des données géophysiques acquises en surface.

Les diagraphies sont enregistrées lors d'un forage, en cours ou en arrêt, ou bien en fin de forage. Les diagraphies enregistrées au cours d’un forage sont appelées diagraphies directes ou instantanées. Il s’agit, par exemple, de la vitesse d’avancement, de la pression sur l’outil, etc. Ces données sont importantes lorsqu’on réalise des sondages destructifs, car elles permettent de caler les profondeurs de changements lithologiques de façon précise.Il est aussi possible de réaliser une diagraphie lors de l’arrêt d’un forage en cours (des mesures de déviation par exemple).


Enfin, il existe des diagraphies que l’on réalise à la fin d’un forage. Il s’agit, par exemple, des mesures microsismiques, de la radioactivité naturelle, de la résistivité, de la polarisation induite etc. Les paramètres mesurés ne sont accessibles qu'avec un certain retard sur l'exécution du forage d'où le nom de diagraphies différées.

L'ensemble des équipements utilisés pour l'enregistrement des diagraphies comprend (Chapellier, 2001) :

• un treuil sur le tambour duquel sont enroulés quelques dizaines de mètres de câble. Le câble assure la transmission, vers l'outil, de l'énergie électrique assurant son fonctionnement, et permet le retour en surface des signaux émis par l'outil. C'est le défilement du câble qui permet la mesure des profondeurs;

• les outils, ce sont les appareils que l'on descend dans le trou de forage, à l'extrémité du câble. Cela peut aller de la simple électrode aux outils à plusieurs patins et aux outils de diagraphies de production en prospection pétrolière;

• un système d'enregistrement, le plus souvent digital ; l'enregistrement se faisant en fonction de la profondeur.

Il existe de nombreuses méthodes diagraphiques. Parmi les plus couramment employées dans le domaine du génie civil, les plus simples à mettre en œuvre et qui sont adaptées à l'auscultation des digues des voies navigables, il est possible de citer :

• la diagraphie de gamma-ray, ou de RAN (RadioActivité Naturelle). Cette technique mesure le nombre de particules radioactives naturelles émises par les terrains traversés le long de la colonne de forage. Elle permet, sur plusieurs colonnes de forages, de mettre en évidence des éventuels pendages des structures et de localiser, relativement, les niveaux riches en minéraux radioactifs, souvent associés à des niveaux argileux (Fig.54) . Il n'existe aucune limite ou contre-indication à l'emploi de cette méthode, qui de plus est très bon marché. À ce titre, c'est une technique qui devrait être systématiquement employée suite à la réalisation d'une campagne de forages : elle permet en effet de valoriser les sondages destructifs, souvent difficiles à exploiter en terme lithologique.

• la diagraphie microsismique. Cette technique mesure, en fonction de la profondeur, la vitesse de propagation des ondes P. Elle apparaît intéressante pour la caractérisation mécanique du substratum sur lequel repose le corps de digue.

• la diagraphie électrique. Cette diagraphie mesure la résistivité des terrains le long de la colonne de forage. Elle est intéressante pour étalonner et interpréter quantitativement les prospections électriques et électromagnétiques de surface (le panneau électrique par exemple) lorsque la géométrie des terrains est complexe.


Figure 54: Exemple de mesures diagraphiques de radioactivité naturelle et de corrélation avec les données lithologiques (document LRPC d'Autun).

3.10. Autres méthodes

Ce chapitre présente de façon brève des techniques géophysiques mises en œuvre pour la reconnaissance des digues de voies navigables. Toutefois, ces techniques sont coûteuses (microgravimétrie, méthodes aéroportées, fibre optique) ou alors elles n'apportent pas d'information directe sur l'organisation du corps de digue (magnétométrie). Elles n'ont pas été testées dans le cadre de ce travail.

3.10.1. Thermographie infra-rouge Les matériaux dont la température est supérieure au zéro absolu (-273,15 °C ou 0 °K) émettent, de façon naturelle ou non, des ondes électromagnétiques. La thermographie infra-rouge (IR) mesure ce rayonnement dans la bande spectrale IR allant de 2 à 20 µm. La source principale de rayonnement infrarouge est la chaleur, ou rayonnement thermique. Plus l’objet est chaud, plus la quantité de rayonnement infrarouge est importante.


La thermographie IR vise à matérialiser ces rayonnements. Il s'agit d'une méthode qui peut s'apparenter à la thermométrie et qui peut éventuellement être appliquée avec succès si une anomalie thermométrique n'est pas détectée directement (par exemple pour cause d'absence temporaire d'écoulement suffisamment important) mais est supposée présente.

La mesure se fait au moyen d'une caméra (de la taille d'un camescope) qui représente l'image du rayonnement thermique du point observé. Les anomalies thermiques sont directement mises en évidence.

3.10.2. Microgravimétrie La microgravimétrie est une technique géophysique non destructrice qui permet des reconnaissances sur des profondeurs allant de quelques mètres à quelques dizaines de mètres. Cette méthode mesure, en surface de la zone à reconnaître, la valeur du champ de pesanteur. Les variations des valeurs mesurées sont associées à des variations de la répartition des masses dans le sous-sol. Ainsi, des zones de faibles valeurs de pesanteur peuvent être associées à la présence d'une cavité ou bien d'une zone de décompression. Au contraire, les zones de fortes valeurs peuvent correspondre, par exemple, à la présence de minerai.

Les résultats se présentent sous la forme de cartes ou de profils qui présentent les anomalies de Bouguer, c'est-à-dire la mesure de terrain corrigée des différents effets dus à la latitude, à l'altitude et aux reliefs environnants.

Le dispositif (maillage) à retenir est fonction de la dimension des anomalies que l'on cherche à mettre en évidence.

Cette méthode n'est pas adaptée à la reconnaissance de vides de petites dimensions tels des renards (qui ne créent pas une anomalie suffisante). Elle peut par contre être employée pour la localisation de grandes cavités dans la digue, ou bien pour la reconnaissance d'un substratum karstique sous le corps de digue. Cette technique est néanmoins onéreuse, le maillage pour les corps de digues étant souvent de dimensions réduites, ce qui augmente le nombre de points de mesures de même que leur traitement.

3.10.3. Magnétométrie Cette technique permet de localiser des objets métalliques (canalisation, fûts, etc.) enterrés qui pourraient être à l'origine de la pollution d'un signal géophysique mesuré par une autre méthode. À ce titre, il ne s'agit pas réellement d'une méthode de reconnaissance des corps de digues, mais plutôt d'une technique annexe, pouvant permettre de préciser la position, par exemple, d'une canalisation métallique qui traverse le corps de digue.

3.10.4. Microacoustique aquatique Il s'agit d'une méthode aquatique passive permettant la localisation, au sein du corps de digue, de « réservoirs » à écoulements par la détection de bruits sous-aquatiques de basse fréquence (Nickels et al. 1991).

3.10.5. Méthodes aéroportées Une étude intégrée (Dunbar et al., 2003) portant sur les levées d'une partie du Rio Grande (Etats-Unis) présente les résultats d'une approche géophysique électromagnétique à grand rendement aéroportée. Les anomalies détectées sont par la suite confirmées par des mesures géophysiques au sol (EM31, panneau électrique) puis par des sondages mécaniques (pénétromètre).


4. EXEMPLE D'INTÉGRATION DE RÉSULTATS DE PROSPECTION GÉOPHYSIQUE

Ce chapitre vise à présenter un exemple d'intégration des informations géophysiques recueillies dans le cadre d'une étude globale d'un corps de digue de voie navigable. L'exemple présenté ci-dessous concerne le site de Rémigny et intègre des données géologiques, hydrogéologiques, géotechniques et géophysiques. Il est illustré par les figures des chapitres précédents. Le canal du Centre est ici situé en pied de coteau et construit en profil mixte : déblai côté coteau et remblai côté vallée (Fig. 55). Selon les données géologiques, les formations carbonatées bathono-calloviennes et oxfordiennes qui forment le sous-sol sont organisées en lanières étroites, avec une stratification pentée à l’est-sud-est et une fracturation importante de l’ensemble du massif (Fig.56). De plus, d’après les relevés physico-chimiques (Figs. 57 et 58), ces terrains comportent au moins une nappe de versant circulant par le biais des fractures et/ou le long des plans de stratification.

Figure 55 : Coupe transversale du canal du Centre au niveau du secteur de Rémigny

Figure 56: Cadre géologique du secteur d’étude. a : schéma structural régional ; b : zoom sur le secteur étudié.


Figure 57: Exemple de mesures physico-chimiques sur le canal du Centre représentées sous forme de cartes ; C : canal – D : drain – I : moyenne des infiltrations chez l’habitant – P : puits – Sn : piézomètre en forage – So :

source – PF : point fictif.

Figure 58: Diagramme conductivité – température d’après les mesures physico-chimiques de juillet 1996 sur le canal du Centre. L’analyse de ce diagramme permet de distinguer trois types d’eaux qui correspondent à l’eau du

canal, à l’eau de nappe et à une eau intermédiaire entre les deux précédentes (eau de mélange).


Figure 59 : Forages mécaniques et extrapolation géotechnique.

Les sondages mécaniques montrent l’existence de zones humides au sein des formations carbonatées jurassiques en place, en-dessous du remblai constituant la rive gauche (côté halage) du canal (Fig. 59). De plus, il apparaît qu’à partir du PK 22, le canal est bâti au droit d’une faille (F1) qu’il suit en partie (Fig.56b).

La comparaison des sondages mécaniques et des mesures géophysiques montre une assez bonne adéquation générale des différentes méthodes entre elles. Il est possible d’effectuer un découpage en trois zones : la première zone depuis le début des profils de PECSA (profilage électrique continu en site aquatique) jusqu’au repère x = 40 m, la deuxième jusqu’au PK22 et la troisième jusqu’à la fin de la zone de prospection. Il est aussi possible de positionner le passage des accidents F1 et F2 d’après les données géophysiques (Fig.65).

1ère zone : du début des profils jusqu’à l’abscisse x = 40 m

Les données de RMT sont assez aisément corrélables avec les sondages mécaniques pour les hautes fréquences, c’est-à-dire les niveaux superficiels (Figs. 59 et 60). Pour les mesures à plus basse fréquence, la première partie du profil indique un lien logique entre des valeurs de résistivités apparentes qui diminuent progressivement le long du profil tandis que le toit du substratum pend vers l’est et que le volume de matériaux plus conducteurs augmente dans la première tranche du sous-sol. L’organisation électrique des terrains (corps de digue conducteur situé sur un substratum plus résistif) influence la mesure à 162 kHz : le courant électrique circule plus facilement au sein des faciès conducteurs. Ainsi, l’organisation locale tend à concentrer le courant électrique dans la partie supérieure du sous-sol et limite sa pénétration en profondeur.


Figure 60 : Profils RMT sur le corps de digue côté val, site de Rémigny.

La comparaison de la PECSA avec les résultats des sondages mécaniques et des observations visuelles de zones de fuite le long de cette première zone peut paraître énigmatique (Figs. 59, 61 et 62) : le calcaire est atteint à 3 m en forage (S1) et ne semble pas présenter d’importantes zones d’humidité (une seule arrivée de 4,4 à 5,2 m). En dessous, les résistivités apparentes restent faibles et sont difficilement explicables si ces niveaux correspondent à des calcaires compacts. Néanmoins, une campagne de PECSA réalisée pour le compte de la Direction Départementale de l’Équipement de Saône-et-Loire (DDE 71) fait ressortir une allure comparable des profils, indiquant une bonne répétabilité des mesures. En se reportant aux données structurales, on sait que les formations carbonatées en place qui composent le sous-sol sont pentées à l’est et que les fluides peuvent y circuler. Il est donc possible que la zone de fuite observée au début du profil résulte en partie d’un écoulement depuis la nappe de versant. Son origine est donc située plus à l’ouest par rapport à sa sortie en pied de digue et elle transite sous le canal : cette zone de faible résistivité observée pourrait s’expliquer par une circulation d’eau en partie dans le substratum. Il est probable que les faibles valeurs des résistivités signent ici une zone plus ou moins fortement karstifiée. Cette idée est confortée par l’irrégularité, dans ce secteur, des valeurs de résistivité apparente (Figs. 61 et 62), qui indique une hétérogénéité latérale importante. Ces constatations indiquent de toute évidence un substratum de faibles caractéristiques mécaniques.Enfin, ces observations permettent d’indiquer que la profondeur d’investigation de la RMT à 162 kHz, à cet endroit, est limitée à 6 à 7 mètres, les sondages mécaniques indiquant un calcaire compact jusqu’à 6 mètres au moins (Figs. 59 et 60). Le karst est vraisemblablement situé à une profondeur plus importante.


Figure 61 : Inversion des données électriques aquatiques et assemblage en profil bidimensionnel

Figure 62 : Profils de résistivité apparente en milieu aquatique, site de Rémigny. Bathymétrie : hauteur d’eau dans le canal ; Rw : résistivité apparente de l’eau ; NM1 à NM7 : résistivité apparente du sous-sol selon des

écartements d’électrodes de mesure croissants de 1 à 7 (NM1 = 56 m, NM7 = 100 m).

2ème zone : depuis l’abscisse x = 40 m jusqu’au PK22

L’augmentation de l’épaisseur de la couverture argileuse du corps de digue vers l’est, qui passe d’environ 2 m (S1) à 6 m (S2), en même temps que les zones humides dans les niveaux de couverture deviennent importants, induit une baisse des valeurs de résistivités apparentes en RMT à basse fréquence, ce qui est en accord avec les résultats de sismique réfraction et l’analyse des sondages mécaniques (Figs. 59, 60 et 63). Toutefois, la RMT à 603 kHz reste stable, ce qui indique que, pour cette fréquence, les niveaux situés en dessous de 2 m n’influencent pas les mesures. Ceci est concordant avec l’estimation de profondeur d’investigation qui a été obtenue pour cette fréquence (d = 2 m), qui cantonne ainsi l’analyse uniquement au corps de digue. Il n’existe pas d’anomalie sur les profils RMT basse fréquence au niveau de la première zone de fuite en pied de digue (Fig. 60).Cette zone présente un lien logique entre un forage qui atteint le calcaire vers 6 m (S2) et une distribution verticale des résistivités apparentes de PECSA indiquant des niveaux qui deviennent


rapidement de plus en plus résistifs en même temps que l’on pénètre les calcaires compacts (Figs. 59, 61 et 62).

Figure 63: résultat obtenu avec la méthode sismique

3ème zone : depuis le PK22 jusqu’à la fin des profils

À partir du PK22, on se trouve dans une deuxième zone de fuites en pied de digue. Les sondages montrent une variabilité latérale importante (Fig.59). Ils indiquent un sous-sol composé de niveaux où alternent marnes, argiles et calcaires fracturés. De plus, le nombre de zones humides en forage est important, de même que les fuites observées en pied de digue. On se situe ici au droit d’une zone broyée et fortement fracturée, qui correspond au passage de la faille F1 à partir de la base de la digue, située à environ 2,5 m de profondeur.La RMT ne fait pas ressortir ces variations (Fig. 60). L’analyse des profils de PECSA dévoile un enfoncement général des niveaux résistifs à partir du PK 22 (Figs. 61 et 62). La comparaison avec les données de forages indique que l’anomalie se situe au niveau d’une zone de faille (Fig. 59). La fin du profil montre une remontée progressive des niveaux résistifs (« pendage des faciès électriques » ; Fig. 62). On peut penser que l’on passe graduellement à des formations de moins en moins fracturées, plus compactes, où les circulations d’eau sont moins importantes.La sismique réfraction met en évidence le passage d’une faille, aux environs du sondage S4 (Fig. 63), ce qui est entièrement concordant avec les informations géologiques (Fig. 56).Cet accident géologique est aussi détecté en radar sur le profil réalisé en rive sud (Fig. 64b). D’après l’interprétation de ces profils, il semble que des fractures ouvertes et remplies d’argiles existent à proximité de l’axe principal de l’accident, ce qui permet d’expliquer la remontée progressive des résistivités apparentes en PECSA à cet endroit.


Figure 64 : Profils de radar géologique acquis sur le site d’étude. L’acquisition a été effectuée avec une antenne de fréquence centrale 200 MHz et un pas d’échantillonnage de 50 scans par mètre. 64a : Profil en crête de digue au

droit du PK22 ; 64b : Profil côté coteau au droit du PK22 ; 64c : profil côté coteau 140 m après le PK22.

Ces anomalies sur les enregistrements géophysiques (PECSA, sismique réfraction, radar géologique) sont parfaitement alignées avec les informations géologiques (Fig. 56b) et permettent de placer le cheminement de l’axe principal des fractures F1 et F2 sous le canal et le corps de digue (Fig. 65).

L'exemple présenté ici montre la grande richesse d'informations apportées par les méthodes géophysiques pour l'étude des digues de voies navigables. En effet, l'intégration des données géophysiques indique une très bonne corrélation des techniques entre elles, d'une part, et le très bon recoupement des informations apportées par rapport aux données géotechniques disponibles, d'autre part, tout en apportant des informations complémentaires sur la continuité des interfaces le long du corps de la digue.


Figure 65 : Interprétation géologique des données géophysiques sur le canal du Centre. a : position des failles F1 et F2 sous le canal et la digue d’après la synthèse des données géophysiques. b : synthèse géologique du secteur

d’étude.


5. SYNTHÈSE ET CONCLUSIONS

Une grande partie des méthodes présentées dans ce travail sont couramment utilisées pour la reconnaissance des digues : prospection EMBF slingram, RMT, panneau électrique, sismique réfraction et radar géologique. Toutefois, dans le cas de digues de voies navigables, certaines méthodes, relativement peu répandues, présentent un intérêt certain : traîné électrique aquatique, traîné aquatique de potentiels spontanés et mesures physiques sur les eaux. Ces techniques de reconnaissance sont d'autant plus intéressantes qu'elles apportent des informations d'ordre hydrogéologique et hydrogéotechnique et permettent de placer le fonctionnement hydrologique de l'ouvrage dans un contexte en lien direct avec l'encaissant géologique naturel.

D'un point de vue méthodologique, le choix et l'ordre des techniques à utiliser dépendent de plusieurs facteurs :

• linéaire à reconnaître;• nature du corps de digue et/ou du substratum;• profondeur de pénétration et résolution souhaitées;• nature de la cible et de l'anomalie à caractériser.

Le tableau en page suivante (tableau 5) synthétise l'ensemble des paramètres à prendre en compte pour le choix des méthodes à mettre en œuvre. Les valeurs sont indicatives et basées sur l'expérience. Les techniques sont classées, de haut en bas, depuis le grand rendement vers l'auscultation à haute résolution.

Une méthodologie générale de prospection pour la reconnaissance des digues de voies navigables pourrait se découpler de la façon suivante :

1) Définition du problème et rassemblement d'informations sur la zone à reconnaître : nature de l'encaissant géologique, hydrogéologie, distance à prospecter, nature du corps de digue, typologie des anomalies à caractériser, travaux déjà réalisés etc.

2) Mise en œuvre de méthodes à grand rendement (de type Slingram, RMT, traîné électrique aquatique) si elles sont applicables : réalisation de plusieurs profils parallèles (pieds de digues côté val et canal, crêtes de digues côté val et canal) et pour différentes profondeurs d'auscultation. Découpage en zones homogènes, localisation d'anomalies. Réalisation de mesures physiques sur les eaux.

3) Application de méthodes ponctuelles à plus haute résolution (par exemple, panneau électrique, sismique réfraction, radar géologique, traîné aquatique de potentiels spontanés) pour préciser les éventuelles anomalies détectées.

4) Réalisation de sondages mécaniques de reconnaissances afin de confirmer et d'ausculter les anomalies reconnues. Ces sondages permettront de plus de procéder à une interprétation géologique/géotechnique des données géophysiques si aucune connaissance a priori n'est disponible.


Tableau 5: Synthèse des principales caractéristiques des méthodes géophysique de surface pour la reconnaissance des corps de digues de voies navigables (adapté de Fauchard & Mériaux 2004).

Méthode Rendement journalier

Profondeur d'investigation

Cible / anomalie recherchée

Résolution Limites / contre-indication

Traîné électrique aquatique

Quelques km à une dizaine de

km

Fonction de la géométrie de la flûte,

de la résistivité de l'eau du canal et de celles des terrains ;

quelques m à quelques dizaines de m

Géométrie générale du sous-sol sous la

voie navigable ;Anomalies plutôt conductrices par

rapport à l'encaissant

Fonction de la vitesse

d'avancement du bateau (1 mesure

/10s pour le matériel utilisé

ici)

Pendages excessifs des structures ; résistivité hétérogène de l'eau.

RMT Quelques km à une dizaine de

km

Quelques dizaines de m en théorie ; inférieur

à quelques m sur les corps de digue

Géométrie du corps de digue ;

Anomalies plutôt conductrices

Terrains peu résistants qui empêchent la propagation

des ondes ;mauvaise réception des

ondes radios ;forte sinuosité de la digue

Slingram EM31

Quelques km à pied au mieux ; une dizaine

de km si autotracté

3 ou 6 m

Slingram EM34

Quelques centaines de

m à pied ; quelques km si

autotracté

7.5 à 60 m

Anomalies plutôt résistantes

0.7 m

2 à 8 m

Présence de métal et de réseaux à proximité

Traîné aquatique

de Potentiels Spontanés

Plusieurs km Investigation de la zone située dans le

proche environnement des électrodes

Fuites ; circulation de fluides.

Fonction du nombre de

mesures le long du profil

Bruit électromagnétique (pylônes, bruit tellurique,

etc.).

Radar Quelques centaines de m

à pied ; quelques km si

auto-tracté

Fonction de la résistivité du milieu ;

1 à 10 m au mieux

Géométrie du corps de digue ; suivi

latéral d'interfaces

Quelques cm à dizaines de cm en

fonction de l'antenne utilisée

Terrains peu résistants qui empêchent la propagation

des ondes radar ;Bruit dû à des émetteurs radio, présence de métal.

Sismique réfraction

Quelques centaines de m

15 m en tir à la masse ; 30 à 40 m à l'explosif

Géométrie du corps de digue et du

proche substratum ; vitesse de

propagation des ondes mécaniques

De l'ordre de la moitié de

l'écartement entre les géophones

Distribution des vitesses non croissante avec la

profondeur ;présence de bruit sismique

(vibrations, fort vent)

Panneau électrique

Quelques centaines de m

Fonction de l'écartement des électrodes et du

protocole ; quelques m à quelques dizaines de

m

Géométrie du corps de digue et du

proche substratuml ;Anomalies plutôt conductrices par

rapport à l'encaissant

De l'ordre de la moitié de

l'écartement entre les électrodes

Terrains fortement conducteurs ;

bruit électrique (proximité de réseaux) ;

anomalie plus résistante que l'encaissant

Mesures physiques

sur les eaux

Plusieurs dizaines de

points

Sans objet Informations hydrogéologiques et hydrogéotechniques

; anomalies de température,

conductivité et/ou pH

Fonction de l'échantillonnage

spatial

Aucune


Les résultats présentés dans ce travail montrent que, dans le cas des digues de voies navigables, l'environnement géologique et hydrogéologique constituent une part non négligeable pour comprendre le fonctionnement de l'ouvrage, d'autant plus que ces digues peuvent de façon plus ou moins importante être en eau. Ne pas prendre en compte ces facteurs reviendrait à devoir se passer de plusieurs informations pouvant être cruciales : présence de failles, variations latérales de faciès géologiques induisant des fonctionnements hydrogéologiques différents, etc. Ainsi, il existe souvent un lien important entre l'ouvrage et le substratum géologique sur lequel il repose. Il convient alors de pouvoir disposer de ces informations, ce qui permettra de définir au mieux les solutions de confortement.


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http://Www.geonics.com/

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Index des illustrationsFigure 1: Comparaison entre profilage géophysique (1D) et imagerie géophysique (2D)..........................6Figure 2 : Localisation géographique du site de Rémigny............................................................................... 8Figure 3 : Coupe transversale du canal du Centre au niveau du secteur de Rémigny................................ 8Figure 4 : Cadre géologique du secteur d’étude (d’après Fleury & Gélard, 1983). 4a : schéma structural régional ; 4b : zoom sur le secteur étudié et position des points repères.....................................................10Figure 5 : Log lithostratigraphique des terrains rencontrés (d’après Fleury & Gélard, 1983). SD : surface durcie, SP : surface perforée, SPD : surface perforée durcie............................................................ 11Figure 6 : Forages mécaniques et extrapolation géotechnique. La position des sondages est précisée sur la fig. 7....................................................................................................................................................................12Figure 7 : Implantation des mesures géophysiques sur le site de Rémigny................................................12Figure 8 : Localisation et géologie du site de Sandillon et position des points repères............................ 13Figure 9 : Présentation de la digue de Sandillon et coupe théorique (Document DDE 45). La photo est prise depuis la borne 32D....................................................................................................................................14Figure 10 : Principe général de la prospection électromagnétique en champ proche (Keary et al., 2002)..................................................................................................................................................................................16Figure 11 : Réponse des appareils EM31 et EM34 en fonction de la profondeur (McNeill 1980b)..........17Figure 12 : mise en œuvre d'une prospection électromagnétique Slingram sur le terrain. À gauche : acquisition EM34 en champ horizontal (HCP), le champ mesuré étant perpendiculaire au plan dessiné par les bobines. À droite : acquisition EM31....................................................................................................17Figure 13 : Répétabilité des mesures Slingram, site de Sandillon. Les résultats sont des profils EM31 VCP bruts...............................................................................................................................................................18Figure 14 : Élimination des données aberrantes (bruit, ici généré par des objets métalliques à proximité : barrières, véhicules stationnés, passage de bicyclettes et de voitures) et lissage d'un profil EM31, site de Sandillon....................................................................................................................................... 19Figure 15 : acquisition EM31 sur un site-test. Les valeurs correspondent à la mesure du champ vertical (VCP)...................................................................................................................................................................... 19Figure 16 : Profil EM34 en crête de digue côté val, site de Rémigny. L'espacement des boucles est de 10 m............................................................................................................................................................................. 20Figure 17 : Profils EM31 bruts du 19 avril 2005............................................................................................... 21Figure 18 : Dispositif d'acquisition des mesures RMT....................................................................................22Figure 19 : Profils RMT sur le corps de digue côté val, site de Rémigny.....................................................24Figure 20 : Profil RMT à 864 kHz, site de Sandillon. Les données sont filtrées et lissées......................... 25Figure 21 : Mise en œuvre du radar. L’antenne présentée ici est de fréquence centrale 400 MHz. Elle est traînée sur le sol (antenne de contact) le long du profil à reconnaître................................................... 27Figure 22 : Profil radar acquis sur la fosse d’essai du LCPC à Nantes. En haut : la juxtaposition des signaux temporels (pulses) enregistrés lors du déplacement de l’antenne permet d’obtenir une coupe-temps ; En bas : représentation la plus classique des profils radar, selon une échelle de couleur corrélée à l’amplitude de signaux..................................................................................................................................... 28Figure 23 : Profil radar réalisé avec une antenne 400 MHz sur la fosse d’essai du LCPC de Nantes (Bièvre & Maurin, 2002). Les tuyaux sont matérialisés par des hyperboles, de par le lobe de rayonnement de l’antenne...................................................................................................................................29Figure 24 : Opération de migration appliquée à un profil réalisé dans du sable calcaire (Bièvre & Maurin 2002)......................................................................................................................................................... 30Figure 25 : Profils de radar géologique acquis sur le site d’étude. L’acquisition a été effectuée avec une antenne de fréquence centrale 200 MHz et un pas d’échantillonnage de 50 scans par mètre. 25a : Profil en crête de digue au droit du PK22 ; 25b : Profil côté coteau au droit du PK22 ; 25c : profil côté coteau 140 m après le PK22............................................................................................................................................. 32


Figure 26 : Profils radar bruts en crête de digue côté Loire. Les prospections à 400 et 200 MHz indiquent une très faible pénétration de l'onde en profondeur, ici jusqu'à 30-40 ns environ...................33Figure 27 : Profil radar 400 MHz en pied de digue côté val. Quelques réflexions de forte amplitude sont visible sur les 40 premiers ns de temps d'écoute ; ensuite, le signal est rapidement absorbé..........33Figure 28: Profil radar à 400 MHz effectué en crête d'une digue sableuse de Loire. Les résultats indiquent une très bonne profondeur de pénétration des ondes électromagnétiques (environ 5 m), de même qu'une très grande richesse d'information............................................................................................34Figure 29 : Profilage Électrique Continu en Site Aquatique. Dispositif de mesure de la résistivité apparente du sous-sol sub-aquatique appliquée ici aux terrains 1 et 2 de résistivités respectives r1 et r2. A, B : électrodes d’injection – Mx, N : électrodes de mesure – Rw : mesure de la résistivité de l’eau – ES : échosondeur, mesure de la bathymétrie – offset : distance entre le bateau et le centre du dispositif de mesure (0), considéré comme étant au milieu du dipôle d’injection AB................................................35Figure 30 : Profils de résistivité apparente en milieu aquatique, site de Rémigny. Bathymétrie : hauteur d’eau dans le canal ; Rw : résistivité apparente de l’eau ; NM1 à NM7 : résistivité apparente du sous-sol selon des écartements d’électrodes de mesure croissants de 1 à 7 (NM1 = 56 m, NM7 = 100 m)..... 36Figure 31 : 31a : Inversion des données électriques aquatiques et assemblage en profil bidimensionnel ; 31b : écart quadratique moyen entre mesures expérimentales et prévisions du modèle, exprimé ici en pourcentage...........................................................................................................................................................37Figure 32 : Intégration volumique des résultats de l'inversion de trois profils de résistivité apparente..................................................................................................................................................................................38Figure 33 : schéma géologique du fond de la Loire d'après les profils électriques aquatiques de la figure 32 (Durand, 2003)......................................................................................................................................38Figure 34 : Principe du panneau électrique (Loke, 2004)............................................................................... 39Figure 35 : Les géométries classiques des dispositifs de panneau électrique. a correspond à l'espacement entre les électrodes et k au facteur géométrique (Loke, 2004)............................................... 40Figure 36 : Exemple de résultat de prospection par panneau électrique et de traitement avec le logiciel RES2DINV (Loke 2004). 2 profils de 64m sont ici concaténés. Les mesures proviennent de Rémigny ; l'abscisse 200m correspond à la position du PK22.......................................................................................... 41Figure 37 : Panneaux électriques selon 3 protocoles, site de Sandillon........................................................42Figure 38 : Dispositif de mesure du traîné aquatique de Potentiels Spontanés. V1 : différence de potentiel mesurée par les électrodes d’écartement de 5 m ; V2 : différence de potentiel mesurée par les électrodes d’écartement de 15 m. Offset : distance entre le bateau et le centre du dispositif de mesure (0)............................................................................................................................................................................ 43Figure 39 : Profils de Potentiels Spontanés (PS) aquatiques effectués côté halage du canal (Norgeot, 2000 ; Bièvre & Norgeot, 2003) et mesures de 2004 (données SOBESOL). Les mesures ont été effectuées avec des électrodes d’écartements 5 mètres et 15 mètres, avec deux sens de parcours (d’est en ouest : EO, ou bien d’ouest en est : OE) et à trois périodes (juillet 2000, août 2000 et printemps 2004). Les abscisses sont repérées par rapport au PK22....................................................................................................44Figure 40 : Principe de la sismique réfraction pour un milieu tabulaire à deux couches 1 et 2 avec une distribution croissante des vitesses des ondes mécaniques en fonction de la profondeur (V2 > V1). À gauche, cheminement des ondes directes et réfractées et dispositif simplifié d’acquisition des données (adapté de Keary et al. , 2002). À droite, construction de la courbe temps-distance (dromochronique) d’après les données du schéma de gauche. ..................................................................................................... 46Figure 41 : Exemple de sismogramme acquis sur le site de Sandillon. À gauche, l'enregistrement est correct et permet un pointage précis des premières arrivées (les traces 1 à 6 ont toutefois des réglages de gain perfectibles). À droite, construction de la dromochronique, détermination du nombres de couches (ici 2) et des vitesses des ondes P correspondantes..........................................................................47Figure 42 : Exemple de bruit sur un sismogramme ; l'enregistrement est délicat à pointer à cause d'un mauvais réglage des gains couplé à un bruit important sur la partie gauche (ici, du vent)..................... 48Figure 43: Comparaison d'une tomographie en ondes P et en ondes S sur un corps de digue. La présence d'une nappe d'eau à environ 2.5 m de profondeur empêche une reconnaissance en


profondeur avec les ondes P. La tomographie en ondes S permet de s'affranchir de ce phénomène et d'ausculter la structure en profondeur..............................................................................................................49Figure 44: Comparaison des résultats d'une inversion en fonction des données d'entrée. a) avec 3 tirs ; b) avec 15 tirs.........................................................................................................................................................50Figure 45 : Dromochroniques et modèle d’inversion obtenus sur le secteur de Rémigny. Les chiffres de 1 à 11 indiquent la correspondance entre la source sismique et les dromochroniques résultantes. Un géophone n’a pas fonctionné et est absent de la représentation (troisième géophone à partir de la gauche). La position des profils est indiquée sur la figure 7......................................................................... 51Figure 46 : Couverture du modèle calculé à la figure 43 (densité de points utilisés par le logiciel pour calculer le modèle) .............................................................................................................................................. 52Figure 47 : Dromochroniques et optimisation du profil P4........................................................................... 53Figure 48 : Corrélation de la coupe théorique de la digue avec les résultats du profil P4....................... 54Figure 49 : Corrélation entre le profil sismique 5 et la coupe théorique de la digue................................. 55Figure 50: Schéma d'instrumentation d'un corps de digue avec des capteurs de température dans des trous de forage (document GTC)....................................................................................................................... 56Figure 51: Distribution idéalisée des températures du sol en profondeur comparée à une anomalie de température provoquée par une fuite, a) en hiver, b) en été (document GTC)...........................................57Figure 52: Exemple de mesures physico-chimiques sur le canal du Centre représentées sous forme de cartes ; C : canal – D : drain – I : moyenne des infiltrations chez l’habitant – P : puits – Sn : piézomètre en forage – So : source – PF : point fictif........................................................................................................... 57Figure 53: Diagramme conductivité – température d’après les mesures physico-chimiques de juillet 1996 sur le canal du Centre. L’analyse de ce diagramme permet de distinguer trois types d’eaux qui correspondent à l’eau du canal, à l’eau de nappe et à une eau intermédiaire entre les deux précédentes (eau de mélange).................................................................................................................................................. 59Figure 54: Exemple de mesures diagraphiques de radioactivité naturelle et de corrélation avec les données lithologiques (document LRPC d'Autun)......................................................................................... 61Figure 55 : Coupe transversale du canal du Centre au niveau du secteur de Rémigny............................ 63Figure 56: Cadre géologique du secteur d’étude. a : schéma structural régional ; b : zoom sur le secteur étudié. ...................................................................................................................................................... 63Figure 57: Exemple de mesures physico-chimiques sur le canal du Centre représentées sous forme de cartes ; C : canal – D : drain – I : moyenne des infiltrations chez l’habitant – P : puits – Sn : piézomètre en forage – So : source – PF : point fictif........................................................................................................... 64Figure 58: Diagramme conductivité – température d’après les mesures physico-chimiques de juillet 1996 sur le canal du Centre. L’analyse de ce diagramme permet de distinguer trois types d’eaux qui correspondent à l’eau du canal, à l’eau de nappe et à une eau intermédiaire entre les deux précédentes (eau de mélange).................................................................................................................................................. 64Figure 59 : Forages mécaniques et extrapolation géotechnique.................................................................... 65Figure 60 : Profils RMT sur le corps de digue côté val, site de Rémigny.....................................................66Figure 61 : Inversion des données électriques aquatiques et assemblage en profil bidimensionnel...... 67Figure 62 : Profils de résistivité apparente en milieu aquatique, site de Rémigny. Bathymétrie : hauteur d’eau dans le canal ; Rw : résistivité apparente de l’eau ; NM1 à NM7 : résistivité apparente du sous-sol selon des écartements d’électrodes de mesure croissants de 1 à 7 (NM1 = 56 m, NM7 = 100 m)..... 67Figure 63: résultat obtenu avec la méthode sismique..................................................................................... 68Figure 64 : Profils de radar géologique acquis sur le site d’étude. L’acquisition a été effectuée avec une antenne de fréquence centrale 200 MHz et un pas d’échantillonnage de 50 scans par mètre. 64a : Profil en crête de digue au droit du PK22 ; 64b : Profil côté coteau au droit du PK22 ; 64c : profil côté coteau 140 m après le PK22............................................................................................................................................. 69Figure 65 : Interprétation géologique des données géophysiques sur le canal du Centre. a : position des failles F1 et F2 sous le canal et la digue d’après la synthèse des données géophysiques. b : synthèse géologique du secteur d’étude........................................................................................................................... 70


Index des tablesTableau 1: Paramètres géophysiques couramment utilisés en génie civil (adapté de Lagabrielle 1998).. 5Tableau 2 : profondeurs d’investigations de l’EM31 et de l'EM34 en fonction de l’écartement et de la position des bobines (source: Geonics Ltd)...................................................................................................... 16Tableau 3 : Implantation des profils sismiques, site de Sandillon................................................................ 52Tableau 4 : Profondeur de l'interface alluvions / Calcaire de Beauce sous le profil sismique P4............ 53Tableau 5: Synthèse des principales caractéristiques des méthodes géophysique de surface pour la reconnaissance des corps de digues de voies navigables (adapté de Fauchard & Mériaux 2004)........... 72


Titre : Méthodes géophysiques pour la reconnaissance des digues des voies navigables

Thème : Méthodes de reconnaissance géophysique Voies Navigables de France Propriétaire : 175, rue Ludovic Boutleux - BP 820 - 62408 BETHUNE Cedex Adresse :

Date d'édition : Juillet 2007

Centre d’Études Techniques Maritimes et Fluviales Service émetteur :

2 Bd Gambetta - BP 60039 - 60321 COMPIEGNE Cedex Adresse : Tel : 03 44 92 60 00 Fax : 03 44 20 06 75 Département Ports Maritimes et Voies Navigables Département : Division Ouvrages Fluviaux et de Navigation Intérieure Division : Grégory BIEVRE (CETE Lyon Laboratoire d’Autun) Auteur Fabrice DALY Chef de projet : CETMEF : Mathieu GALIANA, Fabrice DALY et Denise DUBOISEquipe projet : CETE Lyon Laboratoire d’Autun : Grégory BIEVRE, Vilma ZUMBO, Fabrice RUSSO et Catherine HUNG VNF : Laura CHAPITAL

Cyrille FAUCHARD (CETE Normandie Centre Laboratoire de Rouen)

Relecture externe

Voies navigables, digues, reconnaissances, géophysique, anomalie

Mots clés :

Tirage : 40 exemplaires

Bureau des Moyens Généraux Impression :

2-11-096512-6 ISBN

978-2-11-096512-7

Responsable de la diffusion (pour exemplaires supplémentaires) Bureau des Moyens Généraux(BONNEUIL / MARNE)

01 45 13 52 30

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2, boulevard Gambetta BP 60039 60321 Compiègne cedex Tél: 03 44 92 60 00 Fax: 03 44 20 06 75 Site internet : www.cetmef.equipement.gouv.fr

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À la demande du CETMEF et de VNF, commanditaire de l’étude, le LRPC d'Autun a mis à jour unenotice méthodologique d'auscultation des digues de voies navigables par méthodes géophysiques.Cette notice recense l'ensemble des méthodes permettant la caractérisation des corps de digue aumoyen de techniques non destructrices en mettant l'accent sur leurs principes physique, leur miseen œuvre, leurs conditions d'application et leurs limites.

Pour les méthodes les plus couramment mises en œuvre (traîné électrique aquatique, panneauélectrique, potentiels spontanés, radar géologique, radio-magnétotellurique, méthodes Slingram,sismique réfraction), des expérimentations sur deux sites ont été réalisées afin de valider leursperformances. Les données ont été traitées et interprétées de façon à illustrer leur emploi. Lesdeux sites retenus pour les expérimentations, le canal du Centre à Rémigny (Saône-et-Loire) et ladigue de Loire à Sandillon (Loiret) étaient déjà connus par de précédentes reconnaissancesmécaniques, ce qui a permis de disposer de sites cadrés pour la présentation des résultats.

Les méthodes employées présentent la plupart du temps une très bonne corrélation avecl'organisation géologique et géotechnique du secteur. Pour chaque nouvelle campagned'investigation, il est nécessaire de réaliser des sondages géotechniques conjointement à cesreconnaissances géophysiques afin de confirmer et d'ausculter les anomalies détectées et pourprocéder à une deuxième interprétation des données issues des reconnaissances géophysiques.

ISBN : 2-11-096512-6 ISBN:978-2-11-096512-7

reconnaissance des digues de voies navigables

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