• Projet National C2ROP

Evaluation de l’Aléa

Les travaux de l’axe « Aléa » ont fait l’objet de développements scientifiques sur la quantification de l’aléa de départ (aléa diffus et aléa localisé).

La sensibilité de l’aléa de déclenchement au changement climatique a été abordée en proposant une nouvelle approche de l’évaluation de la stabilité des compartiments rocheux, basée sur la réponse dynamique au bruit de fond sismique.

Trois actions de recherche ont porté sur l’aléa de propagation :

  • la préparation d’un benchmark de logiciels trajectographiques avec la définition commune d’un protocole d’essai et d’analyse ainsi que d’un cahier des charges pour la recherche d’un site d’étude,
  • la quantification de l’aléa résultant sur voie de communication, en testant une nouvelle méthode de mesure de l’aléa résultant à partir de mesures d’écoute sismique,
  • la rédaction d’un questionnaire support à l’enquête sur les pratiques méthodologiques concernant l’aléa de chutes de blocs et d’éboulements rocheux.

L’action « Quantification de l’aléa diffus » a pour objectif de permettre l’évaluation quantitative de la fréquence annuelle d’impact sur un enjeu (nombre de blocs par an et par hm2) dans le contexte d’un aléa diffus.

A partir de quelques mesures annuelles par scanner laser, la fréquence des chutes de volume compris entre 0,01 et 10 m3 a pu être estimée pour des falaises suffisamment actives. Pour des volumes plus importants (102 à 106 m3), des bases de données historiques ont été utilisées, en regroupant les parois de mêmes caractéristiques géomorphologiques (géologiques, morphodynamiques et climatiques). Grâce à ces deux approches complémentaires, une relation entre fréquence et volume de chute pour différents contextes géomorphologiques a pu être établie. Ces premiers résultats ont été présentés au symposium international Rock Slope Stability en novembre 2016.

Pour déterminer la fréquence annuelle d’impact, le comportement de la paroi a été simulé pendant une certaine période en utilisant un logiciel trajectographique. Le nombre de blocs de différentes tailles qui tombent de la paroi pendant cette période a été préalablement déterminé, par décomposition en blocs individuels de différentes tailles. Cette étude blocométrique a été réalisée à partir des mesures sur le terrain de centaines de blocs tombés lors de quelques évènements récents, et à partir de photographies aériennes.

En utilisant un logiciel de trajectographie, les trajectoires des blocs qui tombent d’une paroi ont pu être simulées durant une période déterminée, ce qui a permis de déterminer la fréquence d’impact sur un enjeu quelconque dans le versant.

La méthode a été appliquée en tranche 1 du projet au Mont Saint-Eynard pour simuler les chutes susceptibles de se produire sur une période de 1000 ans, en utilisant le logiciel Rockyfor 3D. Le résultat obtenu avec un volume minimal de bloc de 1 m3 et un volume maximal de 100 m3 est illustré sur la Figure 3‑1. Les lignes iso-valeur correspondant à différentes fréquences d’impact sur un enjeu de 1 m2 de largeur, ainsi que la limite entre les zones d’aléa fort et moyen, sont également présentées sur cette figure. Cette limite correspond à une fréquence d’impact de l’ordre de 10-3 bloc par an par pixel de 1 m2, soit 10-2 blocs par an pour un bâtiment d’une dizaine de m de largeur.

Trajectoires des blocs de plus de 1 m3 tombant de la falaise pendant une période de 1000 ans (simulation Rockyfor3D)
En bleu, lignes iso-valeur correspondant à différentes fréquences d'impact sur un enjeu de 1 m de largeur. En rouge, limite entre zones d'aléa fort et d'aléa moyen sur les communes de Corenc et Meylan (Isère).

Les travaux de la tranche 1 ont consisté dans un premier temps à rassembler les informations nécessaires à la mise en place d’un benchmark pour la caractérisation et la quantification de l’aléa de chute de bloc. L’ensemble des données « historiques », c’est-à-dire récupérées depuis 1999 sur le site de la déviation d’Ax-les-Thermes ont été synthétisées et présentées lors de deux congrès (JNGG 2016 et RSS 2016) afin de susciter des volontaires pour la participation au benchmark. Ces données comprennent :

  • la description de la zone d’étude (informations géologiques et topographique) ;
  • 4 sondages dont 2 avec caméra pour enregistrement des discontinuités ;
  • 11 lignes de mesures réalisées en 2004, lorsque seul le 1er tiers de déblais a été décaissé ;
  • 2 lignes supplémentaires réalisées en 2016 au pied du déblai ;
  • des essais de laboratoires (compression simple, traction indirecte, essais de cisaillement sur discontinuités) permettant de caractériser mécaniquement le massif.

La réunion de lancement du benchmark sera organisée en tranche 2.

Un escarpement rocheux instable a fait l’objet d’une étude dans le cadre de la tranche 1 avec l’analyse structurale des instabilités et une première méthodologie d’approche. L’objectif pour cette première tranche était d’acquérir des données (fracturation et zones instables) sur cet escarpement rocheux situé en bordure de la route nationale montant au Col du Somport (64). Le site du col du Somport correspond à une problématique majeure du projet national C2ROP pour l’axe A1.2 « Aléa localisé », puisqu’il se situe en bordure d’une route départementale où les conditions climatiques de montagne (1500 m) induisent de fréquentes chutes de blocs à évaluer. Cet aléa a été qualifié en prenant en compte :

  • la nature géologique du massif et l’orientation du versant ou talus ;
  • les discontinuités structurales (fractures) et leur report sur canevas de Wulff ;
  • la caractérisation des dièdres de fractures les plus instables et leur critère d’instabilité ;
  • une méthodologie de cartographie et de zonage de l’aléa prenant en compte l’agencement géométrique des fractures du massif, avec trois paramètres angulaires.
Vue partielle de l’escarpement rocheux du site des Pyrénées dans des formations d’argilites et schistes du Permien, orienté N 130° à N 170°. On observe en partie haute de l’affleurement des blocs métriques en voie de détachement de la paroi rocheuse

Les résultats des mesures structurales ont été traduits en termes de représentativité des mesures de fractures et d’identification des principaux dièdres de fracturation. Toutes ces informations permettent de définir les dièdres d’instabilité potentielle sur l’escarpement rocheux de la route du Somport, et de proposer une méthodologie de cartographie de l’aléa prenant en compte d’autres paramètres géométriques.

Les travaux vont se poursuivre en tranche 2 avec un traitement des images acquises et une étude géostatistique afin de proposer une méthode de reconstruction de la structure du massif.

Les travaux de la tranche 1 ont également permis d’apporter des éléments visant à construire une méthodologie d’évaluation de l’aléa versant sous-cavé pour obtenir si possible une base commune sur l’ensemble du territoire français. Trois actions ont été menées :

  • utilisation d’un outil de caractérisation de ce type de site (scanner laser 3D) ;
  • détermination de la distance limite d’influence entre un versant et une cavité pour qu’il existe une interaction ;
  • vérification de cette distance sur des cas réels.

Il s’est avéré que le scanner laser 3D est un outil performant pour caractériser un versant sous-cavé sous condition d’absence de végétation et de conditions météorologiques favorables. Cet outil sera donc utilisé de manière généralisée pour différents sites de versant sous-cavé. L’utilisation de la modélisation numérique a par ailleurs permis de vérifier les interactions complexes qui existent entre un versant et une cavité souterraine.

Cette action consiste à réaliser un « benchmark des logiciels d’analyse trajectographiques » sur la base de lâchers à trajectoires libres sur site réel. Les trajectoires seront caractérisées à partir d’un suivi vidéo (hauteur de passage, point d’arrêt, etc.). Il s’agit d’une action importante du projet en raison de la forte demande de la part des praticiens et des maîtres d’ouvrages. Cette action est dédiée à réaliser un benchmark des différentes approches de modélisation en analyse trajectographique par comparaison à des résultats d’essais de terrain.

Etant donné le nombre très important de partenaires, la tranche 1 du projet a donc été dédiée à la définition commune d’un protocole d’essai et d’analyse ainsi que d’un cahier des charges pour la recherche d’un site d’étude. Cette phase de définition a été suivie d’un travail de recherche de site encore en cours en collaboration avec plusieurs partenaires.

Le site expérimental fera l’objet d’un inventaire précis (relevé topographique, caractérisation des particularités géomorphologiques, etc.) Les participants réaliseront alors les simulations sur la base des données qui leur auront été transmises (relatives au site, aux blocs lâchés, etc.). Après quoi, les essais seront réalisés, en présence, s’ils le souhaitent, des participants qui auront réalisé les simulations. Les résultats des simulations seront ensuite comparés aux données cinématiques et à la distribution des points d’arrêt des blocs réels.  Les participants pourront, s’ils le souhaitent, réaliser une seconde campagne de simulations des essais une fois ceux-ci réalisés à des fins de calibration, essentiellement. Les résultats de ce travail de comparaison seront restitués sous forme anonyme, sans référence aux participants ayant fait les simulations.

L’action A3.5 « Quantification de l’aléa résultant sur voie de communication » a pour objet de tester une méthode de mesure de l’aléa résultant au droit d’une infrastructure, à partir de mesures d’écoute sismique. L’objectif scientifique est de caractériser les éboulements rocheux (fréquence, localisation, propagation, taille des blocs, énergie d’impact…) à partir des signaux sismiques générés par les chutes de blocs. La finalité technique est de proposer une méthodologie et une instrumentation peu couteuse pour la surveillance des éboulements rocheux, adaptées aux nombreux « petits » sites où les phénomènes sont peu connus et/ou en attente d’une sécurisation par ouvrages de protection.

L’objectif étant de qualifier et de quantifier les éboulements rocheux à partir des rayonnements physiques (signaux sismiques, ondes de chaleur…) générées par les chutes de blocs, il est nécessaire de constituer un catalogue le plus exhaustif possible de chutes de bloc associant une description fine de la géométrie du volume éboulé, de la trajectoire de propagation et des signaux générés par l’éboulement avec une grande précision temporelle. Cela permettra l’étude de la distribution des chutes de blocs et de ses relations avec les conditions hydrométéorologiques et avec la géométrie de la falaise (dalles, surplombs, dièdre, fracturation,…). La finalité de ce travail est de proposer une association de mesures et une méthodologie d’analyse pertinentes pour la surveillance des éboulements rocheux.

Localisation des éboulements (étoiles rouges) sur la falaise du Saint-Eynard près de Grenoble, enregistrés par des sismomètres (ronds jaunes)

Une nouvelle antenne sismique adaptée à la qualification des éboulements rocheux, a été mise en place au cours de la tranche 1 sur le site de Saint-Eynard. Un catalogue d’événements est élaboré avec une estimation des volumes de départ par photogrammétrie et une reconnaissance terrain. Un nouveau site à instrumenter est en cours de prospection.

A partir des données des antennes sismiques du site de Saint-Eynard, un test de faisabilité de traitement du signal a été réalisé afin de localiser les chutes de blocs. La méthode de traitement du signal proposée par Meza-Fajardo et al.[1], a permis d’isoler spécifiquement les ondes de Rayleigh de signaux sismiques d’éboulement. Ces signaux filtrés ont des caractéristiques qui favoriseront l’utilisation de méthode de localisation des sources sismiques. En particulier, ces signaux filtrés sont « simplifiés » et ont un meilleur rapport signal sur bruit que les signaux sismiques originaux. Pour que la localisation des éboulements à partir de ces signaux filtrés soit possible, plusieurs conditions doivent être remplies : 1) un même train d’onde est identifiable sur plusieurs enregistrements (ce qui n’est pas évident pour des ondes dispersives), 2) il est possible d’estimer de manière fiable le délai entre les temps d’arrivée d’un même train d’onde à différentes stations sismiques.

A priori, il semble raisonnable d’imaginer que le trajet des ondes soit complexe pour une falaise avec des éboulis. Les effets de site, qu’ils soient dus à la topographie (falaise) ou à la géologie (éboulis), sont susceptibles d’influencer l’azimut de propagation des ondes de Rayleigh. Plus la distance à la source sismique est importante, plus ces effets sont susceptibles d’être importants.

Afin de progresser sur la problématique initiée de cette action, un dossier de Thèse CIFRE Géolithe/ISTerre/ a été monté et accepté en 2016 et a démarré e, janvier 2017. Le sujet de thèse « Détection et caractérisation multi-méthode des éboulements rocheux » se propose d’associer la mesure de relief et la surveillance sismologique afin de progresser significativement sur la caractérisation (fréquence, localisation, propagation, taille des blocs…) des aléas liés aux éboulements rocheux.

[1] Meza-Fajardo KC, Papageorgiou AS, Semblat JF. Identification and extraction of surface waves from three-component seismograms based on the normalized inner product. Bull. Seismol. Soc. Am. 2015 ; 105 (1) : 210–29.

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