IMPACTS SOCIAU
4. Comparaison de Px dans chaque cas
2.9 Problèmes d’érosion
2.9.1 Erosion externe
On peut définir un affouillement comme étant l’enlèvement de matériaux à côté ou sous les ouvrages. Les affouillements ont pour cause l’érosion par l’écoulement dans la rivière. Pour les ouvrages ponctuels de navigation, l’érosion est très généralement provoquée par les turbulences liées à la dissipation de l’énergie de la chute (figure 2.72).
Les affouillements constatés sur les ouvrages en service, que l’on considère ici comme correctement conçus et protégés à l’origine, peuvent résulter :
· Sur les matériaux rocheux ou cimentés, d’une évolution lente par suite de l’altération superficielle de ces matériaux,
· De la dégradation ou de la disparition d’un élément « parafouille », lui-même déchaussé par les affouillements où rompu par l’altération des matériaux constitutifs,
· De l’évolution des conditions hydrauliques (abaissement du niveau aval) qui peuvent résulter de l’extraction de matériaux dans le lit de la rivière, de travaux de recalibrage du lit (pour la protection contre les inondations) ou de la disparition d’un ouvrage de retenue,
· De la modification des conditions d’exploitation, en particulier, concentration du débit sur une partie de l’ouvrage par suite de l’installation d’une nouvelle vanne (la réalisation d’essais sur modèle réduit montre ici toute sa pertinence).
ULG – ANAST Prof. P.Rigo (Août 2010) 2-74 Les affouillements ont une incidence :
· Sur la stabilité locale des éléments affouillés : par exemple, risque de rupture du radier,
· Sur la stabilité d’ensemble : par réduction de la largeur de la fondation et donc augmentation de l’excentricité de la résultante des efforts extérieurs ou même, pour les fosses d’érosion très profondes, en faisant apparaître un risque de grand glissement :
· Pour un barrage ou un autre ouvrage soumis à un gradient hydraulique, sur la résistance de la fondation vis-à-vis de l’érosion interne des matériaux de fondation : plus on creuse sous la structure, plus le gradient hydraulique augmente.
Les deux derniers cas peuvent entraîner la rupture complète et brutale des ouvrages.
Avant la rupture, les affouillements peuvent se manifester par une fissuration et des déplacements. Sur les ouvrages en maçonnerie, plus souples que les ouvrages en béton, on observe souvent seulement une ouverture des joints et un affaissement des parties affouillées qui peuvent dans certains cas rester en contact avec les matériaux de fondation
En général, le radier est prolongé en aval par un tapis d’enrochement (figure 2.73)
Figure 2.73 Vue en plan d’un barrage et d’enrochements
Le gradient piézométrique critique susceptible de provoquer un entraînement des matériaux constitutifs vers le haut sera atteint pour :
w w v w p z grad i=− ( + )=(1− )(γs − ) (2-7)
ULG – ANAST Prof. P.Rigo (Août 2010) 2-75 Or bien des matériaux pulvérulents sont caractérisés par ν allant de 0,35 à 0,4 et γs égal à 2,7 de telle sorte que le gradient critique à considérer est icritique = 1.
Si à la sortie d'un écoulement à l'aval d'un ouvrage, i dépasse l'unité, alors les particules supérieures seront entraînées et une érosion progressive va se manifester.
Pour déterminer si à l'aval de l'ouvrage il y a danger d'affouillement, il faut représenter tout le réseau d'écoulement sous l'ouvrage et en déduire, au voisinage de la sortie des filets à l'aval, la valeur du gradient i pour la comparer à l'unité.
Cette méthode est assez précise et demande une discrétisation importante des terres sous l'ouvrage (au moins trois fois la hauteur du barrage). Cette méthode est réalisable pour un cas bien précis mais elle devient vite laborieuse si nous devons refaire une discrétisation pour toutes les configurations de barrage que nous allons étudier (une nouvelle discrétisation si modification de la hauteur de retenue, de la hauteur de chute, de la longueur du radier,…) et si la simulation doit être automatique.
Une alternative souvent admise est celle due à la deuxième règle de Bligh qui consiste à ne pas tracer le réseau d'écoulement sous l'ouvrage, mais à admettre une variation linéaire du potentiel entre l'extrémité amont et aval (comme dans la première règle) et à définir ainsi un gradient moyen ∆H/L où ∆H est la variation de hauteur entre l'amont et l'aval et L le chemin parcouru par une particule se déplaçant de l'amont vers l'aval. Ce gradient est ensuite comparé à des valeurs expérimentales nettement inférieures à 1 et dépend du matériau.
On compare ce gradient moyen aux valeurs expérimentales suivantes :
Matériaux Valeur limite
Sable très fin 1/25
Argile molle 1/9
Argile moyenne 1/6
Argile dure 1/5
Techniques de restauration
Lorsqu’il s’agit d’une fondation de barrage, les travaux de restauration visent généralement : · A reconstituer l’assise de la fondation par comblement des cavités,
· A construire un parafouille aval ou une protection de fond dans la mesure où ces travaux sont nécessaires pour éviter de nouveaux affouillements.
Le comblement des cavités peut être réalisé :
· Après mise à sec, par comblement par du béton coffré,
· Sans mise à sec, mais après construction d’une structure de coffrage aval, par remplissage par du béton immergé et/ou par injections à travers le radier. Pour assurer un bon remplissage, il peut être nécessaire de démolir certaines parties affouillées.
ULG – ANAST Prof. P.Rigo (Août 2010) 2-76 On peut éventuellement choisir de ne pas chercher à remplir les cavités et constituer un autre système de fondation (micropieux…), moyennant le cas échéant un renforcement de la structure.
S’il est prévu, le parafouille sert généralement de coffrage au matériau de remplissage. Parfois le parafouille n’est pas nécessaire ou pas réalisable, par exemple lorsque l’affouillement a mis à jour le substratum rocheux. On doit alors avoir recours à une structure de coffrage particulière qui peut être par exemple un empilement de sacs de géotextile injectés de béton mis en place par plongeurs.
Attention, si un parafouille aval est réalisé, on doit toujours évaluer le risque d’augmentation des sous-pressions sous le barrage. Cela peut conduire soit à réaliser un rideau parafouille amont, soit à réaliser un réseau de drainage au travers du rideau parafouille aval.
2.9.2 Erosion interne
Il y a érosion interne des matériaux de fondation, ou effet renard, lorsque les écoulements au sein des matériaux de fondation parviennent à entraîner des particules de sol dans la fondation (figure 2.74). Le phénomène le plus courant est l’érosion régressive qui conduit à la formation d’un ou plusieurs conduits sous l’ouvrage qui remontent d’aval en amont. Ce phénomène est autoaccélérant : plus le chemin de percolation est court, plus le gradient hydraulique augmente. Une fois le phénomène installé, le ou les conduits peuvent s’agrandir par arrachement des matériaux sur les parois.
Le déclenchement d’un phénomène d’érosion régressive se produit lorsqu’il y a une augmentation du gradient hydraulique de sortie. Ceci peut se produire :
· Par augmentation de la chute au droit de l’ouvrage : abaissement du niveau aval ou augmentation du niveau de retenue normale (surcote),
· Par affouillement en aval de l’ouvrage : la cavité créée en aval et sous l’ouvrage peut suffire à raccourcir suffisamment le chemin de percolation pour installer une situation critique,
· Par altération ou disparition d’un dispositif d’étanchéité amont : rideau de palplanches en bois qui s’altère en tête et se désolidarise de l’avant-radier…
Figure 2.74 Illustration du phénomène de renard dans un remblai [5]
Les conséquences de l’érosion interne des matériaux de la fondation pour les structures sont similaires à celles d’un affouillement. Toutes choses égales par ailleurs, l’érosion interne, auto-accélérante, est susceptible d’une évolution plus rapide qu’un pur affouillement.
ULG – ANAST Prof. P.Rigo (Août 2010) 2-77 Aux conséquences sur l’ouvrage proprement dit, s’ajoutent les conséquences relatives aux fuites : difficulté à tenir le bief ou vidange de celui-ci…
Les manifestations de l’érosion interne sont :
· La fissuration et les déplacements des structures,
· Les résurgences en aval et/ou les phénomènes d’aspiration en amont,
· Les fontis (entonnoirs d’effondrement débouchant en surface) ou les affaissements de terrains.
L’observation directe des désordres dus au phénomène d’érosion interne est en général plus difficile que ceux provoqués par les affouillements : ils peuvent s’étendre sous une grande partie de la structure et, sauf à mettre à sec, ils sont le siège d’un écoulement.
Techniques de restauration
Les techniques de restauration doivent viser deux objectifs :
· Constituer ou établir un dispositif d’étanchéité amont ramenant le gradient hydraulique à une valeur admissible,
· Reconstituer la capacité portante de la fondation ou la remplacer par un autre dispositif, éventuellement moins sensible à l’érosion interne.
Dans le cas d’un barrage, l’étanchéité amont est souvent réalisée par un parafouille (rideau de palplanches, bêche encastrée dans le rocher ou voile d’injections).
Les procédés de reconstitution de la capacité portante de la fondation dépendent de l’étendus des désordres et surtout des conditions géotechniques. On peut envisager : des injections, la réalisation de micropieux voire de pieux, le « simple » remplissage par du béton immergé…