Wikibardig:Digues : Défaillances des performances structurelles : Différence entre versions

Version du 19 septembre 2019 à 11:09

Contexte

En préambule, nous notons qu'un ouvrage ne résistant pas d’intensité supérieure aux événements pris en compte lors de sa conception ne peut pas être considéré comme défaillant.

Un scénario de défaillance structurelle conduit à la rupture de la digue et consiste en un processus qui implique des phénomènes à la fois physiques et fonctionnels. Ce processus est traditionnellement appelé « mode de rupture », un mode de rupture, qui s'applique à un scénario de rupture mettant en œuvre un certain nombre de mécanismes pouvant se succéder ou se produire en parallèle, étant généralement dénommé par son mécanisme initiateur ou prépondérant : mode de rupture par surverse, par glissement, ….

La figure ci-dessous illustre les relations qui existent entre les phénomènes physiques et fonctionnels.

Les aspects physiques et fonctionnels dans l'analyse des scénarios de défaillance structurelle (sources ILH et Tourment R.et al 2015).

Les premiers mécanismes d'un scénario de défaillance structurelle sont initiés par des actions externes (principalement les actions hydrauliques, humaines, des animaux fouisseurs, …). Ces phénomènes initiateurs peuvent entraîner la détérioration ou la ruine d'un ou plusieurs composants structurels, et conduire ainsi à la dégradation ou la défaillance d'une ou plusieurs fonctions associées aux dits composants.

La dégradation ou défaillance d'une fonction peut alors initier ou aggraver des mécanismes, et faire survenir de nouvelles chaînes élémentaires d'événements. Pour certains mécanismes, ces initiations ou aggravations sont également conditionnées par la nature des actions externes.

La figure ci-dessous illustre le principe de construction des scénarios de défaillance structurelle, qui consiste en une chaîne d'événements comprenant des mécanismes, des détériorations ou ruines de composants et des dégradations ou défaillances de fonctions pouvant déboucher sur la formation de brèches.

Principe de construction des scénarios de défaillance structurelle (sources ILH et Tourment R.et al 2015).

La brèche est un effondrement qui résulte d'une perte significative de matériaux en crête ou dans le corps de digue, qui provoque un déversement non contrôlé d'eau dans la zone protégée. Elle correspond à un état ultime de défaillance et caractérise un état de rupture de l'ouvrage dans son ensemble.

Mécanismes élémentaires, scénarios, modes de rupture

Les mécanismes élémentaires de détérioration agissent sur les composants individuels qui participent de la structure du tronçon ou segment de digue. Ils impliquent des processus physiques ou chimiques tels que des chocs, des cisaillements, des flux d'eau, l'effet de pressions interstitielles, la dissolution ou la corrosion...

Ces mécanismes conduisent à une altération de l'état des propriétés des composants structurels du tronçon ou segment de digue. Ils produisent des dommages qui se manifestent par des fissures, des venues d'eau, des départs de matériaux etc. Cependant, les symptômes observables de ces détériorations peuvent être attribués à différents mécanismes tandis qu'un même mécanisme peut initier ou être initié par la détérioration d'un ou plusieurs composants.

L’enchaînement des mécanismes de détérioration dans une combinaison ou scénario d’événements conduit à la défaillance structurelle des composants du tronçon ou segment de digue. La combinaison ou scénario d’événements qui affecte un tronçon ou segment particulier de digue, dépend de sa forme, de ses composants, de la nature et de la composition des structures qui lui sont associées, des sollicitations auxquelles il est soumis et de leurs évolutions au cours du temps.

On dénomme généralement "mode de rupture" des scénarios de rupture qui mettent en œuvre un certain nombre de mécanismes qui peuvent se succéder ou se produire en parallèle ; le "mode du rupture" est généralement dénommé par le mécanisme initiateur ou prépondérant au cours du scénario.

Relations entre formes, fonctions et défaillances des digues (Y. Deniaud, [ILH]).

mécanismes élémentaires de détériorations des digues en remblai

Les mécanismes individuels de détérioration des digues en remblai peuvent être regroupés en des termes génériques décrits ci-dessous. Cependant, le processus de dégradation d'un segment spécifique de digue combinera différents mécanismes individuels lesquels dépendront de ses composants, de son environnement et des sollicitations qui l'affecteront. Il existe ainsi une relation très forte entre les formes, les fonctions et les modes d'endommagements et de ruptures des digues.

L’érosion externe

L'érosion externe regroupe tous les mécanismes qui provoquent des départs de matériaux sous l'effet de sollicitations s'appliquant sur la surface extérieure de la digue. Ces départs de matériaux induisent une diminution de la section de la digue, un raidissement des talus et conduisent à saper sa résistance. Ils conduisent à l'apparition de creusement dans les matériaux érodés dénommé affouillement.

a) L'érosion côté zone protégée

L'érosion côté zone protégée se développe sous l'effet des interactions avec le milieu environnement de la digue et les usages qu'elle supporte. Les agressions météoriques (pluie, gel, ruissellement), la présence d'animaux fouisseurs, la déambulation d'animaux d'élevage, les activités humaines et notamment le passage d'engins motorisés peuvent générer d'importants départs de matériaux et l'apparition d'instabilité de surface. Leur répétition et leur effet cumulatif peuvent être à terme préjudiciable pour l'intégrité de l'ouvrage. Le parement côté eau subit ce même type d’érosion mais elles ne sont généralement pas dimensionnantes.

Erosion côté terre (Traduit et adapté de l’ILH).

b) L'érosion côté eau

En plus des mécanismes présentés dans le point ci-dessus, des affouillements se développent sous l'effet de l'action des vagues, des courants et des turbulences. Ces sollicitations peuvent être frontales ou obliques à l'ouvrage (vagues, houles, érosion de méandres) mais également longitudinales (courant d'une rivière, dérive littorale). Les affouillements sapent la base des ouvrages et conduisent à leur déchaussement lorsqu'ils affectent les sols supports (avant plage, berges). Ils peuvent aussi démanteler la protection puis altérer directement le corps des ouvrages. Les dommages liés aux affouillements sont généralement associés à l'évolution morphodynamique de la rivière ou du secteur de côte dans lequel s'insère l'ouvrage. Ils induisent souvent des phénomènes d'instabilité de la digue à différentes échelles (glissements superficiels ou profond affectant l'ouvrage du fait du départ de matériaux en butée de pied). Ils culminent dans une érosion généralisée de l'avant digue (abaissement de l'avant-plage ou du ségonal) qui tend à déstabiliser l'ouvrage dans son ensemble ou à augmenter les sollicitations qui l'affectent.

Érosion externe du corps ou de la fondation d'une digue en terre (affouillements) côté eau (Traduit et adapté de l’ILH).

Érosion externe et abaissement du profil en amont de la digue (avant plage ou ségonal) (Traduit et adapté de l’ILH).

c) La surverse

La surverse, lorsqu'elle est incontrôlée, est un des facteurs d'érosion externe les plus importants et les plus dévastateurs. Ce mécanisme constitue une des causes principales des ruptures de digues en remblai. Le débordement d'eau par-dessus la crête de la digue conduit à des écoulements à forte vitesse sur la crête et le versant aval de la digue (côté val ou terre). Cet écoulement incontrôlé génère une érosion régressive du talus pouvant rapidement conduire à la brèche. Ce phénomène est notamment décrit dans le guide sur les déversoirs sur digues fluviales [Degoutte, 2012, p 19 à 22].

Principe de la surverse et exemple de brèche dans un ouvrage (Traduit et adapté de l’ILH).

L'érosion interne

De nombreux travaux récents ont été menés pour caractériser ce phénomène et développer des essais représentatifs en laboratoire et in situ ; on peut particulièrement citer les références suivantes : bulletin 164 de la CIGB [2013], le projet ERINOH [2009] et ses recommandations [Deroo et al, 2013] ainsi que les publications de Bonelli et al [2011, 2012, 2013].

Lorsque la digue est en eau (crue, marée haute), il se produit des écoulements d'eau au travers du corps de l’ouvrage en remblai, ou dans les sols de fondations ; ces écoulements peuvent être à l'origine de départ et de migration de matériaux lorsque le gradient hydraulique atteint un seuil appelé gradient critique des matériaux constituants la digue ou sa fondation. Ces phénomènes sont particulièrement sensibles aux hétérogénéités de perméabilité, les secteurs les plus perméables concentrant les flux et accroissant les gradients et vitesses des écoulements.

Le terme d'érosion interne regroupe ainsi plusieurs phénomènes différents d’entraînements de particules liés aux écoulements à l'intérieur d'un massif de sols :

a) L'érosion régressive : les matériaux sont arrachés en sortie du réseau d'écoulement lorsque le gradient d'écoulement excède le gradient critique de flottabilité du sol. Un conduit se crée progressivement de l'aval vers l'amont amplifiant au cours du temps le gradient et les vitesses d'écoulement.

Principe de l’érosion régressive

b) L'érosion concentrée ou de conduit : Les départs de matériaux se produisent le long des bords d'une fissure ouverte ou de vides interconnectés lorsque les forces de cisaillements induites par le courant sont supérieures à une valeur critique liée aux caractéristiques des matériaux. Ce type d'érosion peut particulièrement se développer le long de structures associés telles que des conduites enterrées ou des murs.

Principe de l’érosion concentrée

c) L'érosion de contact : ce type d'érosion se développe à une interface horizontale entre deux matériaux granulaires ou entre un matériau granulaire et un matériau fissuré. Les particules les plus fines sont entraînées par l'écoulement dans l'espace poreux de la couche de matériaux grossiers ou dans les fissures ouvertes du matériau fissuré.

Principe de l’érosion de contactTexte en italique

d) La suffusion est un phénomène affectant certains types de sols instables où les particules les plus fines sont entraînées au sein du squelette du sol que constitue les matériaux les plus grossiers.

Principe de la suffusion

Ces différents mécanismes se combinent bien souvent pour générer des érosions dans le corps ou les sols de fondations des ouvrages en terre. Ils se localisent préférentiellement aux interfaces avec les ouvrages traversants, portés ou constitutifs de la digue.

Érosion interne du corps de digue (A), de la fondation (B) ou le long d'un ouvrage traversant (C) un ouvrage en terre (Traduit et adapté de l’ILH).

Les instabilités des digues en remblai

La stabilité des talus des ouvrages doit normalement être assurée par une conception et un dimensionnement respectant les règles de l'art géotechnique de la construction des ouvrages en terre. Cependant, l'évolution des sollicitations au cours du temps, notamment en période de crue, peut conduire à des instabilités liées en particulier :

• à l'accroissement des pentes de talus sous l'action de phénomènes d'érosion externe (suppression de la butée de pied) ;

• à l'augmentation des pressions hydrauliques au sein de l'ouvrage suite à des défaut de drainage et/ou à la présence de couches hétérogènes à comportements hydrauliques contrastés ;

• à l'augmentation des charges sur l'ouvrage ou les sols de fondation (nouvelle construction, rehausse, élargissement...) ;

• à l'évolution défavorable des caractéristiques des matériaux de constitution ou de fondations des ouvrages au cours du temps (cycle de dessiccation-imbibition, fluage, liquéfaction...).

Les principaux mécanismes d'instabilité des ouvrages en terre sont ainsi :

a) les glissements superficiels : Sous l'effet des agents météoriques, les caractéristiques mécaniques des matériaux situés en surface du corps de digue peuvent se dégrader. Des glissements superficiels intéressant les matériaux altérés du corps de digue peuvent alors apparaître lorsque la résistance au cisaillement de ces matériaux sera insuffisante à leur tenue dans la configuration géométrique des pentes de talus initiales de l'ouvrage.

Glissements superficiels affectant un corps de digue en terre (Traduit et adapté de l’ILH).

b) Les glissements rotationnels ou translationnels : L'augmentation des charges hydrauliques liée à un épisode de crue ou l'augmentation des charges liées à une rehausse ou à une modification substantielle du profil de la digue ou de l'usage de sa crête, peuvent conduire à l'apparition de glissements rotationnels ou translationnel de grande ampleur intéressant l'ensemble des matériaux constitutifs de l'ouvrage. Ces phénomènes seront également susceptibles d'affecter les sols de fondations, particulièrement s’ils contiennent des niveaux à faibles caractéristiques mécaniques de cisaillement (argiles plastiques ou organique, tourbes...). Des mouvements rotationnels apparaissent ainsi lorsque les résistances au cisaillement des matériaux constitutifs du corps de digue et/ou de certains horizons argileux du sol de fondation sont inférieures aux charges motrices appliquées par le poids des matériaux, les forces hydrauliques et les surcharges de service. Les mouvements translationnels de blocs sont susceptibles de se produire lorsque la résistance au cisaillement d’un horizon de sol de fondation est insuffisante devant les efforts apportés par les forces hydrauliques appliquées sur le corps de digue. Ces mouvements translationnels peuvent également affecter le corps d'un ouvrage, particulièrement lorsque celui-ci présente une stratification marquée de ses caractéristiques mécaniques ou une surface horizontale singulière (limite de reprise d'ouvrage, crête d'un ancien ouvrage rehaussé…).

Les glissements se traduisent généralement par le développement de fissurations, l'apparition de déplacements verticaux en crête de talus et l'apparition de bourrelet en pied de talus. Ces manifestations peuvent être masquées ou érodées par les effets d'une crue.

Références :

CIRIA, Ministère de l’écologie, du développement durable et de l’énergie (MEDDE), United States Army Corps of Engineers (USACE), 2013. International Levee Handbook (ILH) (1350 pages), ISBN: 978-0-86017-734-0

Ministère de l’écologie, du développement durable et de l’énergie (MEDDE), 2015. Référentiel technique digues maritimes et fluviales, 190 p. Le téléchargement est disponible ici.

TOURMENT, R., BEULLAC, B., (coord.), 2019, Inondations : analyse de risque des systèmes de protection – Application aux études de dangers. Editions Lavoisier, 2019.

Tourment R., Beullac B., Degoutte G. (2015). Etudes de dangers des systèmes de protection contre les inondations : une méthode d’analyse de la défaillance, La Houille Blanche, n°1, 41-55, 15p. DOI 10.1051/lhb/2015006.

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Pour plus d'information sur l'auteur : Irstea - UR RECOVER - Equipe G2DR