Nous avons dressé un panorama des parcs de barrages au monde et en France, au sein desquels les barrages-poids constituent une part majeure ; il est apparu également que les barrages induisaient un risque technologique fort avec des enjeux de sécurité souvent majeurs. Par ailleurs, la réglementation en France en matière de sécurité des ouvrages hydrauliques s’est récemment renforcée, et désormais, les grands barrages doivent faire l’objet d’études de dangers et de revues de sûreté. De fait, l’ingénierie spécialisée, et de façon générale toute la profession du domaine des ouvrages hydrauliques, a besoin de méthodes performantes pour analyser les risques et, notamment, il apparaît important de disposer de méthodes et d’outils pour étudier la sécurité structurale des barrages par une approche fiabiliste.
Actuellement, les pratiques de justification de la stabilité des barrages-poids présentent des hétérogénéités importantes et restent essentiellement dans un format déterministe. Quelques tentatives probabilistes ont été réalisées avec des modélisations plus ou moins complètes, dans lesquelles les variables d’entrée sont évaluées principalement à partir d’un avis d’expert. Or, la richesse des méthodes d’analyse de fiabilité est fortement conditionnée par la pertinence des variables d’entrée, c’est-à-dire la pertinence de la modélisation probabiliste des propriétés des matériaux et des sollicitations. L’évaluation probabiliste des données d’entrée est, de façon générale, délicate en génie civil et cela se vérifie particulièrement dans le domaine des barrages. Ainsi, l’étude bibliographique dans le domaine de la sécurité structurale probabiliste liée aux barrages-poids a mis en évidence les verrous principaux suivants :
- Concernant les propriétés des matériaux, la difficulté est double. D’une part, les essais expérimentaux sur les propriétés physiques et des résistances des matériaux du barrage et de sa fondation sont peu nombreux : en particulier, la résistance à la traction et au cisaillement, qui sont les paramètres qui conditionnent le plus fortement le dimensionnement d’un barrage-poids, font l’objet d’un nombre très limité d’essais expérimentaux. D’autre part, la modélisation probabiliste des propriétés des matériaux doit être en accord avec l’étendue de la zone concernée par les états-limites considérés : par exemple, la variabilité d’une propriété susceptible d’être observée sur une éprouvette testée en laboratoire n’est a priori pas la même que celle correspondant à un volume d’une couche de BCR de plusieurs mètres cubes. Il s’agit donc d’analyser la variabilité des propriétés à l’échelle spatiale adéquate, ce qui accroît les contraintes sur les données disponibles.
- Concernant les sollicitations, la principale action conditionnant la sécurité structurale d’un barrage est l’action de l’eau, qui se décline en une poussée hydrostatique et une action des sous-pressions. Leur intensité est déterminée par le niveau de la retenue et les valeurs maximales atteintes en crue. Dans le domaine des barrages, les crues sont classiquement évaluées dans un contexte probabiliste : une crue de projet, associée à une période de retour, est estimée à partir de la distribution statistique des pluies et des crues maximales annuelles. Dans la pratique de l’ingénierie, on considère que la crue de projet se produit lorsque la retenue se situe à sa cote normale d’exploitation, ce qui constitue une simplification de la réalité.
Ces verrous peuvent se traduire par 3 questions scientifiques :
- Comment produire une modélisation probabiliste des résistances pertinente à l’échelle de l’état-limite étudié, compte tenu de la faible quantité de données expérimentales disponibles sur les propriétés qui intéressent la sécurité structurale ?
- Comment parvenir à une modélisation probabiliste des sollicitations, en particulier de l’action de l’eau ?
- Quels modèles d’états-limites on adopter et quelles méthodes de la fiabilité doit-on utiliser pour la modélisatidoit-on ?
Pour traiter ces problèmes scientifiques, il existe des démarches et méthodes scientifiques pertinentes :
Concernant les résistances
- l’analyse statistique est pertinente dans le cas où l’on dispose d’un échantillon
composé d’un nombre important de mesures (partie II – § 6.2.3) ;
- l’unification de données est une méthode efficace pour représenter sous le même
format des informations obtenues de différentes sources telles que des avis d’expert, des résultats d’essais ou de littérature (partie II – § 6.2.5) ;
- les relations physiques entre différents paramètres constituent une voie pour la
modélisation probabiliste d’un paramètre pour lequel on dispose de peu d’essais expérimentaux (partie II – § 6.2.6) ;
Concernant les sollicitations
- la méthode classique du Gradex constitue une méthode pertinente pour modéliser la
sollicitation hydraulique (partie I – § 3.2.2) ;
- les modèles hydrologiques basés sur des simulations stochastiques d’événements
hydrologiques, tels que le modèle SHYPRE développé par le Cemagref, sont particulièrement intéressants pour la description des phénomènes pluvieux (partie I – § 3.2.2) ;
- l’analyse statistique des mesures du niveau de la retenue constitue une alternative pour la prise en compte de la variabilité du niveau initial de la retenue au moment de l’occurrence de la crue (partie II – § 7.3).
Concernant les états-limites
- les états-limites ont été clairement identifiés dans le travail récent du CFBR
(partie I – § 3.4) ;
- les méthodes classiques d’analyse de fiabilité – SORM, FORM, simulations de Monte
Carlo – semblent s’avérer suffisantes pour la modélisation probabiliste des état-limites (partie I – § 4.34.3 et § 4.4).
Notre thèse vise à proposer une démarche scientifique et des méthodes opérationnelles pour évaluer de façon probabiliste la fiabilité des barrages-poids, en proposant des modélisations pour : (i) les résistances, (ii) les sollicitations et (iii) les états-limites. Cette thèse sera construite selon le logigramme de recherche suivant :
Modélisation probabiliste des
résistances, basée sur :
- l’analyse des échelles de dispersion
- l’analyse statistique
- l’unification des données
- les relations physiques
Modélisation probabiliste des
sollicitations, basée sur :
- les méthodes classiques de l’ingénierie, telle que le Gradex
- un générateur stochastique de crues
- l’analyse statistique des chroniques de remplissage
Modélisation probabiliste des états-limites, basée sur des méthodes classiques d’analyse de fiabilité :
- FORM / SORM
- Simulation de Monte Carlo
Validation : - Cas d’étude Valorisation : - Boîte à méthodes - Recommandations - Outils opérationnels
Figure 5-1 : Logigramme de la démarche générale de thèse. En synthèse, les apports qui sont visés par notre travail de thèse se résument en :
- la proposition de méthodes pour la modélisation probabiliste des résistances, adaptées aux données disponibles ;
- la proposition d’une méthodologie pour la modélisation des actions de l’eau ;
- la proposition de recommandations en conception et exploitation d’un barrage-poids, à partir des renseignements apportés par une analyse de fiabilité ;