Quantitative risk assessment in rockfall-prone areas
Evaluation quantitative du risque rocheux : de la formalisation à l'application sur les linéaires et les zones urbanisées
Résumé
Rockfalls are a common type of fast moving landslide, corresponding to the detachment of individual rocks and boulders of different sizes from a vertical or sub-vertical cliff, and to their travel down the slope by free falling, bouncing and/or rolling. Every year, in the Alpine environment, rockfalls reach urbanized areas causing damage to structures and injuring people. Precise rockfall risk analysis has therefore become an essential tool for authorities and stakeholders in land-use planning.To this aim, quantitative risk assessment (QRA) procedures originally developed for landslides have been adapted to rockfall processes. In QRAs, rockfall risk for exposed elements is estimated by coupling the hazard, exposure and vulnerability components. However in practice, the estimation of the different components of risk is challenging, and methods for quantifying risk in rockfall-prone regions remain scarce. Similarly, the few studies which so far performed QRAs for rockfall assume stationary, precluding reliable anticipation of the risk in a context where environmental and societal conditions are evolving rapidly and substantially. Moreover, rockfall risk remains - as for most of natural hazards - always defined as the loss expectation. This metric offers a unique risk value, usually inconsistent with short/long term constraints or trade-offs faced by decision-makers.On this basis, this PhD thesis therefore aims at (i) reinforcing the basis of QRA, (ii) assessing the effect of environmental changes on rockfall risk, and (iii) proposing method for quantifying rockfall risk from measures of risk alternative to the standard loss expectation. In that respect, we propose a QRA procedure where the rockfall risk is quantified by combining a rockfall simulation model with the physical vulnerability of potentially affected structures and a wide spectrum of rockfall volumes as well as release areas. The practicability and interest of this procedure is illustrated on two real case studies, i.e. the municipality of Crolles, in the French Alps, and the Uspallata valley, in the central Andes mountains. Similarly, the effect of environmental changes on rockfall risk is considered by comparing rockfall risk values in different land-use and land-cover contexts. Last, we implement in our procedure on an individual basis two quantile-based measures, namely the value-at-risk and the expected-shortfall, so as to assess rockfall risk for different risk-management horizon periods. All in all, this PhD thesis clearly demonstrates the added value of QRA procedure in the field of rockfall, and reinforces its basis by implementing analytical, statistical or numerical models. The resulting panel of risk maps, also proposed under non-stationary contexts, are of major interest for stakeholders in charge of risk management, and constitute appropriate basis for land-use planning and prioritizing of mitigation strategies.
L’aléa chute de blocs est caractérisé par le détachement brutal d’une masse rocheuse, depuis une paroi (sub)verticale, qui se propage rapidement vers l’aval par rebonds successifs. Ces événements, fréquents en zones de montagne, représentent un aléa majeur pour les infrastructures collectives et les habitations, et induisent fréquemment de graves accidents. En France, par exemple, le détachement d’un volume rocheux de 30 m3 en 2014 a provoqué le déraillement du train touristique des Pignes, faisant deux victimes et neuf blessés. En 2015, l’endommagement des voies et la perturbation du trafic ferroviaire suite à un événement rocheux survenu entre Moûtiers et Bourg-Saint-Maurice a induit 1.34M€ de réparations, et 5.4M€ de dommages indirects.Ces différents événements illustrent bien notre vulnérabilité face aux événements rocheux, et soulignent que les collectivités locales et les pouvoirs publics sont encore fréquemment démunis en matière de méthode de diagnostic et d’analyse du risque de chute de blocs. Dans ce contexte, l’évaluation des risques par une approche de type quantitative, appelée QRA (Quantitative Risk Assessment), est devenue incontournable pour l’aménagement des territoires de montagne et le choix des mesures de mitigation. Chaque terme de l’équation du risque, dont les composantes principales sont l’aléa, la vulnérabilité, et l’exposition, sont alors fidèlement quantifiés, offrant des informations sur les dommages potentiels.Malgré le vif intérêt alloué aux approches de type QRA pour la gestion des risques rocheux, de telles applications restent encore inhabituelles. La rareté de ces approches est principalement liée à la difficulté à évaluer précisément chacune des composantes du risque. De plus, les quelques études qui proposent une approche QRA dans le domaine rocheux font généralement l’hypothèse de la stationnarité du processus, alors que l’étalement urbain, ou l’évolution de l’occupation des sols, qui modifient le fonctionnement du processus ne sont pas intégrés. Enfin, le risque rocheux – comme la plupart des autres risques naturels – est exprimé par la moyenne des dommages. Cependant, cette moyenne arithmétique est associée à plusieurs faiblesses, et n’offre qu’une seule valeur du risque, généralement inadaptée aux différentes contraintes auxquelles doivent faire face les gestionnaires. Dans ce contexte, l’objectif de cette thèse est de renforcer les bases formelles du calcul du risque dans le domaine des chutes de blocs, d’évaluer les effets des changements environnementaux sur le risque rocheux, et de proposer une méthode où le risque de chutes de blocs est quantifié à partir de mesures de risque alternatives à la moyenne arithmétique. A cet effet, nous proposons une procédure holistique de QRA où le risque rocheux est quantifié en combinant un modèle de simulation trajectographique avec des courbes de vulnérabilité et un large spectre de volume rocheux et de zones de départ de chutes de blocs. La faisabilité et l’intérêt de cette procédure est illustré sur deux cas d’études réels : la commune de Crolles (Alpes Françaises), et la vallée de l’Uspallata (Cordillère des Andes). Par ailleurs, nous mesurons l’effet des changements environnementaux sur le risque de chutes de blocs en appliquant la QRA dans différents contextes d’utilisation et d’occupation des sols. Enfin, nous proposons une approche innovante où deux mesures de risque, dites "quantile-based measures", sont introduites. Ces dernières permettent une meilleure prise en compte des événements extrêmes et permettent d’envisager la gestion du risque à divers horizons temporels.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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