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VIBERT Christophe – 20 mars 2014 - CFMR-AFTES

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Application des méthodes de conception des galeries hydrauliques

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Christophe VIBERT

Application desméthodes de

conception desgaleries

hydrauliques


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Plan de l’exposéRappel des objectifs de projetImportance des caractéristiques du massifrocheux

Interaction galerie / massifProblèmes spécifiques aux galeries en charge

Fracturation hydrauliqueContrôle des fuitesStabilité à long termeConsidérations environnementales

Conclusion sur le projet de galerie en chargeAlternatives au blindage comme revêtement étanche?


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Objectifs de projetObjectifs de performance

Tunnels de transfert (alimentation en eau, irrigation)Transfert d’un débit requis, si possible régularisé

Galeries en charge pour usines hydroélectriquesStabilité à long terme requise sous très fortes charges, pourproduction d’énergie

Demande en énergie renouvelable en croissanceconstante dans le monde

Projets de plus en plus audacieux (fortes charges, massifsrocheux de caractéristiques peu favorables)

(Chine, Inde, Pakistan, Iran, pays andins, etc..)


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Objectifs de projetAménagements hydroélectriques

Les nécessités de l’exploitation incluent desvariations brusques de pression dans les galeries

(fermeture rapide du circuit, coup de bélier, inversion desturbines-pompes)

Pression statique, en opération normaleVariations dynamiques de pression; conditions transitoires


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Objectifs de projetLa plupart du temps

Coût minimum des travauxMise en service aussi rapide que possible

Garantie de performance à long termeSouvent plus de 100 ansToute interruption de la production signifiemanque à gagner pour le Client, pour desmontants souvent considérables

Les considérations qui suivent se basent surl’expérience de plusieurs projets dansdifférentes régions du monde


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Connaissance du massif rocheux

Nécessaire pour laconception de l’excavation

Le projet, pour ce qui est del’excavation, est pourl’essentiel, similaire àl’excavation d’un tunnel engénéral

Le plus souvent tunnelsprofonds et puits

La pression interne peut atteindre10 MPa ou plus sur certainsprojets


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ExcavationLa plupart des difficultésmajeures sont cellesrencontrées pour les tunnelsprofonds:

Venues d’eau sous très fortepressionConvergences excessivesEcaillage et rockburstsGaz et température


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Ne sont considérées dans la suite que lesproblématiques spécifiques aux galerieshydrauliques en charge



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Absence de revêtement étancheConséquences du remplissage d’une galeriehydraulique sur le massif rocheux

Pression d’eau Pe à l’extérieur de lagalerie (Pe<Pi )Galerie non revêtue

La pression d’eau extérieure croît jusqu’às’équilibrer avec celle de la galerie Pe=Pi

Revêtement de béton non arméDoit être considéré comme perméable(formation de fissures longitudinales); Pe Pi àplus ou moins long terme après leremplissage

Pi

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Absence de revêtement étancheConséquences du remplissage d’une galeriehydraulique sur le massif rocheux

Revêtement de béton arméDistribue les fissures du revêtement etdiminue leur largeur: Pe < Pi (pertes decharges à travers le revêtement)

Dans tous les cas:Si la pression extérieure Pe dépasse lavaleur de la contrainte principale mineuredans le massif, il y a risque de fracturationhydraulique (ou « claquage »)

Pi

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Problèmes spécifiques (1)Risque de fracturation hydraulique(« claquage »)

Ouverture de fissures pré-existantesFait référence à l’ouverture et à la propagation defissures pré-existantes sous l’effet de la pressiond’eau (hydrojacking)

Création de nouvelles fracturesLorsque de nouvelles fractures sont générées sousl’effet des contraintes de traction générées par lapression d’eau (hydrofracturing)


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Risque de fracturationhydraulique

Peut survenir partout oùla pression générée parle remplissage d’unegalerie en charge excèdela contrainte principalemineure du champ descontraintes

Donc d’abord partout où lacouverture rocheuse décroît(abords d’un versant,proximité ou passage sousune vallée, extrémité desconduites, etc.)


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Fracturation hydrauliqueL’écoulement d’eau sous pressionouvre les fissures du le massif rocheux

Fuites très importantes et saturation du massif parouverture / propagation des fissures

Peut provoquer des instabilités de pente(glissements de terrain, coulée de débris, etc.)Impacte directement la production d’énergieProduction stoppée pour réparations

Lourdes pertes financières

Des accidents ont eu lieu..….et ont toujours lieu!

Photo: M.A. Kanji


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Revêtement étancheBlindage acier

Malgré son coûtélevé, préférédans la plupartdes cas

Membranesétanches ouautresalternatives?

Prévention de la fracturationhydraulique

Revêtement dimensionné pour résister à la totalité de la pressioninterne, avec ou sans participation du massif rocheux


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En absence de revêtement étanche….Vérification de l’état des contraintes in-situ

Pour la prévention de la fracturation hydraulique, lacontrainte principale mineure doit être partoutsupérieure à la pression d’eau dans le tunnel

Pour toutes les conditions de fonctionnement del’aménagement (normales, transitoires)

Prévention de la fracturationhydraulique


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Estimation du champ de contraintesnaturelles

A partir de la topographieSélection d’un tracé tel que la couverture rocheuseau-dessus du tunnel garantit des contraintessuffisantes

Ce qui n’est plus possible à proximité des pentesou des usines hydroélectriques, ou sous lestronçons de faible couverture

Il faudra identifier, puis déterminer lalongueur des sections à étancher pour éviter

le risque de fracturation hydraulique

Règles empiriques


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Principales règles empiriquesRègles dite « norvégiennes » (1971 et ensuite)

Fruit de l’expérience norvégienne; coefficients desécurité à choisir

Critère de Don Deere (1983)Provenant de l’analyse en retour de cas defracturation hydraulique observés en particulier dansdes chaînes de montagne actives (Andes, etc.)

Autres (Snowy Mountains, etc.)

Règles empiriques


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Règles empiriquesRègle dite « norvégienne »

Expériencenorvégienne

Coefficient desécurité F

En général:F=1.3 pour lapressionnormale defonctionnementF=1.1 pour lesconditionstransitoires


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Règles empiriquesLe critère de couverture de Don Deere

Critère de Don DeereRetourd’expérience defracturationhydraulique danschaîne demontagnesactivesHd pressiond’eau maximaledans le tunnel


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Règles empiriques

Critère de Don Deere plus exigeant dans la gammehabituelle d’angle d’inclinaison des pentes


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Profil 2D: Conditions d’applicationcorrectes

Lissage de la topographieEliminer les parties d’évidence décomprimées, quine participent pas au confinement, tels que crêtes,éperons et promontoires,Colluvions et alluvions ne doivent généralementpas être pris en compte, tout spécialement s’ilspeuvent être affectés par des instabilitésUne attitude défavorable des joints peut amener àaccroître les coefficients de sécurité requis

Application des règles empiriques


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Les règles empiriquesconsidèrent dessections 2D: ellesdoivent être vérifiéesdans toutes lesdirections autour dupoint considéré

Sélection des profils 2Dles plus défavorablespour l’application desrègles (et non seulementsuivant le profil en longdu tunnel!)


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Exemple d’application

Galeriesenchargetrèsprochesduversant

Batardeauamont

Site de l’usinehydroélectriqueBatardeau aval


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Exemple d’application

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FS=1.7FS=1.2

FS=0.9

Testsd’hydrofracturation

Topographie aprèslissage


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Raison probable:Présence de jointssubverticauxpersistants, pendagevers la rivière


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Utilisation des règles empiriquesLes conditions d’application doivent êtrecorrectesCritère dit « norvégien »:

Les coefficients de sécurité « habituels »de 1.3 et 1.1 peuvent se révélerinsuffisants en cas de conditionsgéotechniques défavorablesLes coefficients de sécurité devront alorsêtre augmentés


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Utilisation des règles empiriquesCritère de Don Deere

Prudent, mais en général recommandé pour leszones tectoniquement actives, dans la plupartdes massifs rocheux


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Pour l’estimation des contraintes in-situModélisation 2D

Les mêmes précautions que pour les règlesempiriques sont à appliquer quant au choix desprofils 2D représentatifs

Modélisation numérique des contraintes


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Modélisation 3DPermetgénéralement uneévaluationrelativement fiablede la valeur descontraintes in-situ

Pourvu que lesparticularitésgéologiquespouvant influer lechamp decontraintes sontinclues dans lemodèle

Modélisation numérique des contraintes

Différentesméthodesd’initialisation descontraintes


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Pour l’estimation du risque de fracturationhydraulique

Techniques de surcarottageGénéralement, non compatibles avec le degré deprécision requis

• Dispersion des résultats

Mesure des contraintes in-situ


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Tests de « claquage » ou fracturationhydraulique en sondages

• Sondages forés dans les trois directions del’espace

Sélection des directions de forages en fonction descaractéristiques géotechniques (géologie, attitude desdiscontinuités, etc.)

Soit estimation « directe » de la contrainte s’exerçant surune direction de fracture donnée (méthode HTPF oucréation de fracture)

• Evaluation des directions et de la valeur descontraintes principales

Soit essais de « claquage » du massif rocheux

Mesure des contraintes in-situ


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Tests de fracturation hydraulique

Efficaces, si bien réalisésDétermination de la pression defermeture (shut-in pressure)Ces mesures permettent de vérifieret d’ajuster les hypothèses(méthodes empiriques, modélisationnumérique)


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Problèmes spécifiques (2)

Contrôle des fuitesFuites excessives =moins d’énergieproduite = pertesfinancièresLe projet doitpermettre de contrôlerla distribution despressions d’eau dansle massif

Degré de nécessité également suivant conditionsde site (couches imperméables, risques deglissements de terrains, etc…)


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Données d’entrée nécessairesConditions hydrogéologiques du site

Reconnaissance des différents aquifèresPas de fuites à craindre si le niveau de la nappesouterraine après construction est tel que la pressiond’eau autour du tunnel est toujours supérieure à lapression interneIdentification des tronçons où des fuites peuvent survenir

Conductivités hydrauliques des massifsrocheux impactés par l’ouvrage

Contrôle des fuites


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Conception des galeries en chargepour le contrôle des fuites

Béton non armé: inefficace• Se déforme sous l’effet de la pression interne et des

variations de pressions: fissures longitudinales souventconcentrées

• Le revêtement de béton non armé doit être considérécomme totalement perméable

Revêtement de béton armé• Largeur des fissures réduite (les armatures limitent la

déformation et « distribuent » les déformations)

Injections d’étanchéité autour du tunnel

Contrôle des fuites


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Contrôle des fuitesL’efficacité des injections d’étanchéitédépend directement du rapport entreconductivités hydrauliques du massifnon injecté et du massif injecté

qr: débit de fuite avec zone injectée derayon extérieur c

Q: débit de fuite sans injection

L’injection ne sera réellement efficace quedans les zones de forte perméabilité


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Le tunnel doit rester stable et opérationneldurant toute la durée de vie de l’aménagement

Situations les plus critiquesRemplissage et vidangeVariations rapides de pression durant les phénomènestransitoires (contraintes d’exploitation)

Données nécessairesEtudier en particulier, en plus des caractéristiques« courantes » pour garantie de stabilité

L’érodibilité du massif, des remplissages de joints, zonesde cisaillement, etc.Minéralogie, caractère gonflant ou perte de résistanceavec saturation de la roche

Stabilité à long terme


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Galeries en charge non revêtuesSolution attractive

Le massif rocheux doit obligatoirement satisfaire àun certain nombre de conditions

Rocher dur et massifFaible degré de fracturationAbsence de matériel érodable dans les joints

• Les zones de faille individuelles sont alors à traiterpar excavation et bétonnage / ancrages / injectionsde consolidation

Revêtement de béton projeté (est souventsupposé perméable à long terme: fissuration excessivesous fortes charges)

Stabilité à long terme


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Galeries non revêtues?La réalisation de galeries ou puits en charge nonrevêtus exige du massif rocheux un nombre limité defailles ou caractéristiques géotechniques défavorablessur tout leur tracé

Fréquence et caractéristiques des discontinuitésLa caractérisation des unités est essentielle

Rocher massif et compact, fracturation limitée oucimentée (granites, gneiss,…)

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NO!


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Souci de maintenirou de restaurer leniveau des nappessouterraines

Durant laconstructionPendantl’exploitation

Exigences amenéesà être de plus enplus strictes

Considérations environnementales

La réalisation de modèleshydrogéologiques 3D

correctement calibrés estrecommandée


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Organigramme méthodologie de projet

On préfèrera le niveau “1:1 mapping”

Investigations géologiques/géotechniquesdétaillées requises

Hudson & Feng, 2010


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Suggestion d’approche pour la conceptionGéologie/ Mécanique des roches / Hydrogéologie

Topographie Massif rocheux /Conditions des joints

Caractéristiqueshydrogéologiques

MéthodesempiriquesModélisation

des contraintes

ObservationInvestigations

Méthodesanalytiques

Définition des revêtements et traitementsà appliquer; méthodes de construction

Définition des tronçonsà étancher

Revêtu / Non-revêtu

FuitespotentiellesInjections /Drainage

Modèlehydrogéologique

calibré

Reconnaissancessupplémentaires (mesure

des contraintes in-siturecommandée) et / ouDébut de construction

Données d’entrée

Méthodes:EmpiriquesAnalytiquesNumériques1:1 mapping


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Parce qu’elles exigent de réfléchir sur latopographie, la géométrie, et les contraintesnaturelles en relation avec la géologie et lamécanique des roches, l’utilisation de cesméthodes reste précieuse pour juger de lapertinence des modèles numériques et desmesures de contrainte à effectuer dans lesstades ultérieurs du projet

Pourquoi recommander les méthodesempiriques en avant-projet?


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Alternative fiable au blindage?Différents types de membranes étanches(PVC ou autres) existent

Retour d’expérience encore insuffisantSouvent pas plus de 100m de charge (1 MPa)Exemples de membrane projetée(Machadinho, Brésil, 1,2MPa de pressioninterne, 120 m de charge)

Béton armé?La largeur des fissures ne devrait alors jamaisdépasser, pendant toute la vie de l’ouvrage,0,1 à 0,3mm (ou moins, suivant pression)


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Béton armé + drainage


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Alternative fiable au blindage?Béton précontraint

Peu d’expériences sous fortes chargesProblème de la pérennité de la précontrainte

Revêtement de béton précontraint parinjections à haute pression à l’extrados

Plusieurs exemples en Autriche,Tunnel de Niagara Falls (environ 1 MPa depression interne

La pérennité de la précontrainte est étroitementliée aux caractéristiques de déformation et de

fluage à long terme du massif


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En vous remerciant pourvotre attention

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