Mise en évidence de l’existence de courants vagabonds par approche couplée expérimentale et numérique

Dans cette partie, l’objectif est de mettre en œuvre une campagne d’essais sur site pour démontrer l’existence d’une circulation de courants vagabonds dans l’ouvrage 2 et de réaliser conjointement des simulations numériques afin d’étayer l’interprétation des mesures de terrain. Les simulations numériques réalisées dans cette partie tiennent compte du comportement hétérogène de l’acier ; cependant la cinétique de corrosion par courant vagabond ne sera pas étudiée quantitativement (cet aspect sera étudié dans la section III.2.8).

§ Mise en évidence d’une sortie de courant vagabond par mesure de potentiel en forage appuyée par une simulation numérique

On s’intéresse ici tout d’abord au profil de potentiel réalisé en forage à l’extrémité Ouest de l’ouvrage 2 pour inférer l’existence d’une sortie de courant. Comme évoqué plus haut, le profil de potentiel mesuré dans ce forage a mis en évidence une polarisation anodique de l’acier des palplanches à la profondeur de la conduite (3 m de profondeur) pouvant s’expliquer par une sortie de courant vagabond.

La Figure III-36 présente le profil de potentiel simulé relatif au forage de l’ouvrage 2 en présence d’un courant vagabond (en trait rouge). On note ici aussi une très bonne concordance entre le profil simulé et le profil expérimental (points noirs). Ce calcul appuie ainsi l’hypothèse d’une sortie de courant vagabond expliquant le profil de potentiel caractéristique obtenu dans le forage de l’ouvrage 2 (très différent du profil en forage de l’ouvrage 1). La cohérence entre le profil expérimental et le profil simulé plaide en faveur de l’existence d’une zone de sortie de courant du côté Ouest du rideau de palplanches (zone de dissolution de l’acier) et ainsi de corrosion par courant vagabond de l’ouvrage 2.

Figure III-36 Simulation numérique du profil de potentiel dans le forage de l’ouvrage 2 et validation de l’existence d’une sortie de courant vagabond à proximité du forage

Il est important de préciser que cette concordance modèle-expérience a nécessité un ajustement de la position et de la taille du défaut de revêtement de la conduite, ainsi que du courant de protection effectivement reçu. Le résultat numérique illustré en Figure III-36 correspond à un défaut de 1 m de long situé à 15 m à l’ouest de l’axe de l’ouvrage et pour un courant de protection reçu par ce défaut de 100 mA. Cette configuration résulte de l’optimisation de la position du défaut par l’algorithme de Nelder-Mead [152] en fixant au préalable les paramètres de longueur et de courant. Cette méthode très utilisée par la communauté scientifique dans l’estimation de paramètres expérimentaux par analyse inverse présente notamment l’avantage de s’affranchir du calcul du gradient de la fonction d’erreur facilitant naturellement sa mise en œuvre.

En réalité, il existe une multitude de solutions possibles à ce problème complexe. Par exemple, un défaut de revêtement qui serait plus éloigné de l’ouvrage pourrait recevoir une part de courant de protection plus importante et conduire de ce fait à un résultat similaire. Dans l’absolu, il aurait fallu réaliser d’autres

profils de potentiel pour multiplier les données expérimentales indispensable à la convergence d’un algorithme d’optimisation à 3 variables. Pour des raisons financières, un unique forage a été effectué ; il n’y a donc pas d’assurance que le jeu de paramètres proposé correspond au minimum global de la fonction d’erreur.

§ Mise en évidence d’une entrée de courant dans un rideau de palplanches par cartographie de potentiel in situ au sol

Compte tenu de la configuration spatiale du problème, il est probable qu’une part importante du courant vagabond transitant par le rideau Nord entre préférentiellement par son extrémité Est, zone la plus proche du déversoir. Afin de valider cette hypothèse, une cartographie de potentiel au sol a été réalisée in situ autour de l’extrémité Est du rideau Nord de l’Ouvrage 2 (Figure III-37). Cette cartographie a été effectuée au moyen d’une électrode de référence 𝐶𝑢/𝐶𝑢𝑆𝑂Æ fixée à l’extrémité d’une perche rigide et connectée électriquement au rideau métallique par l’intermédiaire d’une cheville vissée dans l’acier. Les points de mesures sont régulièrement espacés en quarts de cercle concentriques. La cartographie est limitée dans l’espace par la chaussée, parallèle à la canalisation, et par le remblai autoroutier, perpendiculaire au rideau. Une interpolation numérique par splines cubiques est effectuée entre les points de mesure pour lisser le champ de potentiel expérimental. Cette cartographie est associée à une échelle de couleur variant du rouge pour les potentiels les plus forts au bleu pour les potentiels les plus faibles.

Figure III-37 Champ de potentiel expérimental au sol mesuré du côté Est du mur Nord de l’ouvrage 2 et validation de l’existence d’une zone d’entrée de courant vagabond

D’un point de vue théorique, une zone d’entrée de courant se traduit par une convergence locale des lignes de courant dans le sol près de la structure métallique sujette au courant vagabond. Selon la loi d’Ohm locale qui régit le transport du courant dans le sol, une convergence locale des lignes de courant est associée à l’existence d’un maximum local du champ de potentiel au point de convergence des lignes de courant.

On observe immédiatement la présence d’un maximum local du champ de potentiel, autour de −570 𝑚𝑉/𝐶𝑢 − 𝐶𝑢𝑆𝑂Æ, au niveau de l’extrémité Est du rideau (en rouge sur la carte de potentiel). Cette mesure in situ met donc bien en évidence la convergence locale des lignes de courant et, de fait, une entrée de courant vagabond dans la structure.

La Figure III-38 présente une carte simulée de potentiel de l’acier sur une surface de 25x25 𝑚$ de sol du côté de l’extrémité Est du rideau Nord. La simulation reprend ici les paramètres ajustés pour le calcul numérique du profil de potentiel en forage présenté ci-dessus pour appuyer l’hypothèse d’une sortie de courant, à savoir : 𝑙³= 1𝑚 ; 𝑥³= −15𝑚 ; 𝐼O = 100 𝑚𝐴.

On observe une bonne concordance entre les champs de potentiel mesuré expérimentalement (Figure III-37) et simulé numériquement (Figure III-38). Dans les deux cas, le potentiel est maximal au niveau de l’extrémité Est du rideau Est (autour de −570 𝑚𝑉/𝐶𝑢 − 𝐶𝑢𝑆𝑂Æ) et le gradient de potentiel est évalué à une centaine de millivolts sur 20 m.

Figure III-38 Simulation numérique du champ de potentiel des palplanches au sol du côté Nord-Est de l’ouvrage 2 ( 𝑙_³= 1𝑚 / 𝑥_³= −15𝑚 / 𝐼_O= 100 𝑚𝐴 )

III.2.6.Discussion

Afin de statuer sur l’existence de courant vagabond circulant dans le rideau Nord de l’ouvrage 2, deux approches d’investigation indépendantes et originales ont été mises en œuvre et présentées dans les deux sous-sections précédentes. La forme caractéristique du profil de potentiel mesuré dans le forage et sa simulation numérique plaident en faveur de l’existence d’une sortie de courant sur le rideau de palplanches près du forage situé du côté Ouest. La cartographie de potentiel de surface au sol à proximité immédiate de l’extrémité Est du rideau Nord révèle très nettement une zone d’entrée de courant dans la structure métallique.