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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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Connaissance du massif rocheux
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
Connaissance du massif rocheux
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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
Pe
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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
Pe
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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