[PGRN] [Programme de recherche départemental]

Projet CG38 - PGRN piloté par le laboratoire 3S

Titre du projet

Modélisation numérique de la perte d'équilibre d'un escarpement rocheux multiblocs
[ rapport pdf ]

Type d'aléa
Mouvements de terrain - éboulements - chutes de blocs
Année

2003

Mots-clés
Risque éboulement - Escarpement rocheux - Modèle numérique - Scanning laser - Topographie 3D - Extrapolation - Eléments discrets tétraédriques
Champs disciplinaires
Géomécanique, géomatique, développement de logiciels libres


1) Organismes et auteurs


Organisme pilote
Laboratoire 3S
Organisme(s) associé(s)
Gravir-INRIA, LIRIGM, GeoLab-NTUA (Grèce), LGCA, RNVO
Coordonnateur
Frédéric DONZÉ
Participants
Olivier GALIZZI, Ioannis STEFANOU, Bruno FRICOUT, Magali FRAYSSINES, Thierry VILLEMIN, Didier HANTZ


2) Contexte du projet


Site(s) d'étude
Falaises calcaires du Vercors ; une des tours Saint-Jacques (monolithes de calcaires du Fontenil en RD de la cluse de Banges, à l’Wdu village d’Aiguebelette) ; massif rocheux calcaire de l’Acropole d’Athènes
Contexte de l'étude
Plusieurs équipes de recherche travaillent actuellement dans le cadre de la structure fédérative RNVO (Risques Naturels et Vulnérabilité des Ouvrages), à améliorer la conception ou la performance des modèles numériques utilisés pour l’étude de la stabilité de falaise. Il s’agit d’une part du laboratoire 3S qui en collaboration avec l’INRIA développe une nouvelle plateforme numérique tridimensionnelle utilisant la méthode des Eléments Discrets pouvant intégrer directement des caractéristiques topographiques numérisées. Pour cela, le LGCA (Laboratoire Géodynamique des Chaînes Alpines) s’applique depuis plusieurs années à maîtriser et à étendre l’utilisation de scanner au laser pour l’acquisition de ces topographiques haute résolution.
D’autre part le LIRGM, grâce à l’utilisation du geo-radar, apporte une information précieuse sur l’existence et la distribution des discontinuités derrière les écailles rocheuses potentiellement dangereuses. Sa compétence sur la stabilité des blocs calcaires permet de mieux contraindre les hypothèses utilisées pour traiter numériquement les cas réels. Enfin, le GeoLab du National Technical University of Athens a permis d’impliquer directement le laboratoire 3S dans un cas d’étude précis sur le site de l’Acropole d’Athènes, où une partie de falaise calcaire présente un très fort risque d’effondrement. Cette étude est un appui dans le développement de nouveaux outils numériques capables de décrire la transition entre l’initiation des instabilités rocheuses et la phase de glissement ou de basculement de la falaise. En effet, plus de cinq thèses se déroulent actuellement de façon concertée et complémentaire autour d’une coordination située au laboratoire 3S dans le cadre du réseau de laboratoires RNVO.

La stabilité de falaise est un problème récurrent en montagne. Avec l’existence et le développement d’infrastructures routières, d’implantation de zones urbanisées ou d’équipements divers en aval de falaises susceptibles de perdre brutalement des quantités parfois importantes de roche, il est nécessaire de se protéger. Derrière le terme générique de falaise, une grande variété de configurations de sites, liée à des degrés divers à la nature de la roche, à l’inclinaison de la pente et à l’exposition du site aux altérations climatiques. Pour ce dernier point, on peut évoquer l’élévation de la température qui aurait un effet direct sur l’accroissement de la pluviosité dans les régions de montagne, ce qui aurait pour conséquence l’augmentation de la probabilité d’aléas éboulement. Compte tenu de la diversité géologique des massifs rocheux, le projet s’est focalisé sur les massifs calcaires souvent rencontrés dans la région des pré-Alpes. Récemment encore, des événements dramatiques, comme celui de la Bourne, montrent la difficulté de sécuriser totalement les zones exposées aux éboulements de blocs rocheux.

La protection contre ce type d’aléa gravitaire peut se formuler sous deux formes. D’une part une protection dite active où pour une falaise accessible, des structures couplées pieux-filets sont installées pour permettre la stabilisation et le confinement des blocs rocheux désolidarisés. Un autre type de protection, dite passive, consiste à ériger en aval de la falaise, des structures de protection composées soit de filets anti-sous-marin, soit de merlons, structures beaucoup plus massives qui sont capables de stopper la trajectoire de blocs rocheux possédant une grande énergie cinétique. Pour dimensionner ces différents ouvrages de protection, il es indispensable d’identifier l’instabilité spatiale amont et de lui affecter un degré de dangerosité. Pour cela, l’agencement structural et la topographie doivent être connus au mieux afin de pouvoir quantifier le volume de roche mobilisable au moyen de modèles numériques. C’est dans ce contexte bien précis que s’insère le présent projet.
Programme plus vaste
Structure fédérative RNVO (site web)
Initiation du projet
Participation du PGRN
Montant du financement (k€)
12 k€
Part du CG38 - PGRN
5 %
(Co)-Financements
Association demandée avec le LIRIGM / UJF (pour 4 k€) + financement thèse
Appréciation du rôle du financement CG38 - PGRN
Ce financement offrait le moyen de réaliser un objectif précis dans le cadre d’un projet beaucoup.


3) Objectifs, méthodes et résultats

Objectifs
Développer un modèle numérique tridimensionnel permettant l’étude mécanique de la perte d’équilibre d’un escarpement rocheux formé d’un empilement de blocs, à partir des travaux récents portant sur la description tridimensionnelle de la géométrie et de la topologie de systèmes de fractures.

Affiner la description de ces falaises utilisée dans les modèles numériques.
Méthodologie
Traitement des points obtenus par scanning au laser pour réaliser un maillage tridimensionnel directement intégré dans un modèle numérique de type Eléments Discrets.

Application aux falaises calcaires du Vercors :
- Analyse en retour de 10 éboulements survenus ces dernières années dans les falaises du Vercors pour valider la méthode d’évaluation de la stabilité des falaises calcaires (LIRIGM) : Les cicatrices des éboulements ont été parcourues en rappel afin de décrire leur orientation (azimuts, pendages des différents plans), leur morphologie (rugosité) et les surfaces de rupture de matrices rocheuses.
- Reconstitution approximative de la morphologie initiale des compartiments éboulés, soit à partir de photos aériennes, soit par interpolation de la morphologie de part et d’autre de la cicatrice. Construction d’un MNT de type Autocad à partir de prises de vue photogrammétriques aériennes effectuées avant et après l’éboulement.
- Observation des surfaces de rupture et interprétation des mécanismes de rupture de matrice rocheuse. Analyse des ruptures selon 2 méthodes :
(1) Analyse à l’équilibre limite et méthode des éléments distincts (code UDEC).
(2) Détermination de la résistance en traction et de la cohésion par analyse en retour, et comparaison des valeurs obtenues à celles obtenues en laboratoire, afin d’évaluer la validité des hypothèses et de la méthode de calcul.

Application au cas de l’Acropole (…).

Développement de l’interface entre topographie scannée et le code Eléments Discrets YADE : reconstruction d’un maillage surfacique cohérent puis introduction des discontinuités majeures observées en surface dans le volume global. Le massif est alors représenté par un ensemble de blocs séparés par ces discontinuités majeures. Chaque bloc est alors rempli par des tétraèdres non structurés par l’intermédiaire d’un logiciel de maillage volumétrique (Netgen), permettant ainsi une description à une échelle plus fine du massif.
Résultats
- Mise en évidence de l’influence des ponts rocheux sur la stabilité des falaises calcaires (observation à prendre en compte dans le nouveau code 3D développé par le laboratoire 3S). Les modèles et les méthodes de calcul utilisées permettent de retrouver des ordres de grandeur corrects des paramètres de résistance.

- Mise en évidence des mécanismes de rupture, en cisaillement ou en traction dans le cas des glissements et en traction dans le cas des basculements.
Quantification des critères de rupture (résistance en traction pour les basculements / glissement en escalier ; et cohésion des ponts rocheux pour les glissements).

- Amélioration des capacités d’analyse du modèle.


4) Débouchés du projet

Utilisateurs finaux potentiels
Gestionnaires des risques gravitaires.
Projet ANR STABROK.
Production scientifique
- Méthodologie innovante
- Production de connaissances locales / régionales
- Production de connaissances théoriques
Produits délivrables
 Outils de calcul 3D
Partenariats
- Initié par ce projet
- Qui se poursuit
Retombées du projet
 - Développement d’outils plus puissants en calcul 3D : plate-forme permettant d’intégrer des volumes 3D très réalistes à partir des données topographiques scannées, et de tester un large éventail d’hypothèses sur la fracturation du milieu rocheux (choix et distribution des discontinuités non limités dans le modèle).

- Projet ANR STABROK (effet levier).

- Collaboration avec d’autres laboratoires : LGCA.


5) Valorisation du projet

Publications et communications
? (à compléter...)
Pages Web
Page perso. de Frédéric Donzé :
http://geo.hmg.inpg.fr/frederic/

Réf. projet 2003 :
http://geo.hmg.inpg.fr/frederic/Research_projects_rock_instability.html

Logiciel libre, code YADE :
http://yade.berlios.de/index.php?m=100

Page éléments discrets de F. Donzé :
http://geo.hmg.inpg.fr/frederic/Research_project_Discrete_Element_Software.html

 

[Programme de recherche départemental]