Les processus de déformation et rupture des versants instables. Rôle des structures géologiques, des matériaux et des conditions hydrauliques. Apports et limites de la modélisation dans l'analyse de scénarios d'événements
Résumé
Les travaux présentés sont relatifs à l'analyse des mouvements de versant et au dimensionnement de talus artificiels de mines et carrières à ciel ouvert de grande profondeur. Une démarche méthodologique pluridisciplinaire est développée, dans laquelle l'apport des sciences de la Terre est souligné, de même que l'apport des sciences mécaniques et des sciences hydrologiques. La reconnaissance détaillée des structures et des matériaux géologiques ainsi que l'analyse et la modélisation des processus physiques contrôlant la déformation et la rupture des versants ou talus instables constituent les axes principaux de cette recherche. Une juste appréciation des apports et limites de la modélisation reste cependant une préoccupation majeure, considérant la variabilité des objets géologiques et la complexité des processus naturels étudiés. La recherche s'est orientée, dans une première étape, vers le développement d'outils logiciels permettant une représentation géométrique des milieux rocheux discontinus (logiciel SIMBLOC) ou la modélisation géomécanique des milieux rocheux discontinus (logiciel DEGRES, logiciel BRIG3D). L'analyse géologique et géomécanique de terrain, confrontée à la simulation numérique des processus de déformation et de rupture des grands talus de mines à ciel ouvert ou du génie civil, prenant appui sur ces logiciels et d'autres outils (logiciel Bishop-Carter du CGI, logiciel Flac d'Itasca) a permis de mettre en évidence la multiplicité de configurations géomécaniques toujours prédéterminées par la structure géologique du massif considéré. Ainsi nous avons pu montrer l'importance d'une connaissance détaillée du système de fracturation affectant un massif rocheux pour analyser les conditions de déformabilité et de rupture. L'attention doit porter sur les familles directionnelles de discontinuités, leur hiérarchisation et leur degré de connectivité, leurs paramètres géométriques et géotechniques. Des applications nombreuses ont été expérimentées en situation de grands talus de mines à ciel ouvert (mines en France, au Maroc, en Iran, au Brésil, en Russie, ...) ou de talus du génie civil (écluse à bateaux du barrage des Trois-Gorges en Chine, ...). La réalisation de simulations numériques a permis de mettre en évidence différents aspects de la déformation et de la rupture progressive d'un versant ainsi que le rôle des pressions interstitielles dans ces processus. Des effets de seuil, résultant de l'évolution lente d'un facteur déclenchant, tel qu'un niveau piézométrique, mais se traduisant dans le massif par une évolution brutale des conditions d'équilibre mécanique ont pu être mis en évidence. L'identification de telles situations reste primordiale dans une perspective d'alarme et de gestion des risques. Des processus fondamentaux associés aux conditions de la déformation ont pu être analysés tels que la dilatance d'une masse rocheuse en cours de déformation, contrôlée par les directions d'anisotropie du massif, celles-ci résultant de la structure géologique. Le suivi numérique des processus de localisation des déformations suivant une surface ou une zone de cisaillement et l'analyse du rôle de la structure géologique (favorisant ou contrariant ce processus) font actuellement l'objet de nouvelles investigations. L'objectif est de mettre en évidence des conditions d'initiation, de progression, d'arrêt ou de bifurcation dans le développement de ces processus. L'utilisation des outils numériques permet également de mieux comprendre certains scénarios types tels que celui du déclenchement ou de la réactivation de mouvements de versant en réponse à la montée d'un plan d'eau d'une retenue de barrage ou en réponse à des fluctuations de ce plan d'eau. Nous avons analysé ce sujet sur le plan géomécanique et hydrogéologique, nous référant en particulier à la catastrophe du Vaïont (Italie). Puis, dans une application relative à la retenue du futur barrage des Trois-Gorges (Chine), nous avons confirmé et illustré ces résultats avec l'utilisation du logiciel Flac, et apporté des conclusions opérationnelles. Dans le domaine des risques naturels, de nombreux travaux de terrain, complétés par des caractérisations de matériaux au laboratoire et des simulations numériques, ont permis de préciser les conditions de déclenchement de glissements de terrain et de génération des laves torrentielles. Des conclusions importantes ont été apportées sur les conditions de déclenchement de laves torrentielles, les processus d'initiation et de mobilisation des matériaux de zones sources, la caractérisation géotechnique de ces matériaux, l'analyse de scénarios d'événement utilisant des techniques d'arbres d'événement et d'arbres de défaut. Ces travaux se poursuivent avec l'objectif de mettre en évidence l'influence des actions anthropiques sur l'évolution de la torrentialité. De nouveaux travaux sur l'analyse des grands mouvements de versant : écroulements rocheux, avalanches de roches, sturzstroms sont en cours de développement. Ces phénomènes de grande ou très grande ampleur (glissement rocheux - éboulement ou sturzstrom de Flims, en Suisse : 12.109 m3) font l'objet d'investigations détaillées de terrain et d'analyses géomécaniques. Les conditions du déclenchement sont analysées ainsi que les processus de propagation des masses rocheuses. Dans certains des cas étudiés, ces processus de propagation résultent de l'apparition de quelques surfaces ou zones de cisaillement majeures au sein desquelles une très forte réduction granulométrique et un remaniement intense se réalisent, alors que la structure originelle de la masse rocheuse est préservée au sein des très grands volumes déplacés sur des distances pluri-kilométriques. Le thème délicat de la prévision de rupture pour différentes catégories de mouvements de versant fera bientôt l'objet de nouveaux travaux, prenant en compte les divers contextes géologiques, géomorphologiques et géomécaniques, s'appuyant sur une meilleure compréhension des processus de déformation et de rupture, dans une perspective de prévention des risques. D'une façon plus générale, considérant que tout projet de génie civil ou d'aménagement de l'espace se doit d'intégrer la part d'incertitude inhérente à toute construction intellectuelle basée sur des éléments naturels qui ne sont connus qu'avec une précision limitée ou qui présentent une variabilité impossible à quantifier avec précision, j'envisage d'approfondir le sujet suivant : comment apprendre à gérer les incertitudes, plus spécialement dans un contexte d'analyse de mouvements de versants, éventuellement en situation de crise. Un certain nombre d'outils de diverses natures sont présentés dans ce mémoire, mais c'est toute une démarche d'apprentissage face à une situation de risque qui mérite d'être développée, intégrant l'identification de scénarios d'évolution, la caractérisation des paramètres d'intensité de ces scénarios jugés réalistes et précisant pour un scénario d'intensité donnée un délai d'occurrence. Cette problématique fera l'objet de travaux dans les années à venir.