Monitoring earth dams and embankments. High performance and high precision geophysical measurements

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1 Monitoring earth dams and embankments. High performance and high precision geophysical measurements MATTIUZZO JEAN-LUC, GRAVELAT SERGE SOBESOL (anciennement SEGG), Savoie Technolac BP 230, F Le Bourget du Lac Cedex This paper describes two new geophysical processes for earth embankment monitoring: the first one named FAST-EM consists in high speed electromagnetism measurements; the second one named PS-SCAN is a detailed geophysical method for the location of leakage in hydraulic embankment. The bursting of an earth embankment is a risk which has been exposed to the glare of publicity in recent years. Drought, successive floods, and alternating floods and drought, are all climatic phenomena that weaken embankments, especially the older ones. Alongside traditional methods of investigation and diagnosis, geophysics offers a range of tools that can make a contribution to monitoring the condition of structures and diagnosing risks. Geophysical methods are commonly used to monitor embankments, especially in recent years, which have seen a clear increase in demands for structural monitoring. Methods using electrical panel or profiling techniques, electromagnetic profiling, geological radar, microgravity and even seismic techniques are all effective, but limited by the length of time required for their implementation, at least during the initial reconnaissance stages. By their very nature, embankments are structures that sometimes extend over great lengths. It is therefore essential, in terms of both monitoring time and price, to develop high performance methods to allow geophysical zoning of embankments, in order to distinguish between high risk and lower risk zones. After high performance monitoring, we need tools for detailed embankment characterisation. These detailed monitoring methods do not have the same imperative of speed. Several methods are likely to be adapted to high performance monitoring: geological radar (unfortunately its performance is very limited in clay and/or humid materials), seismic techniques, particularly using surface waves with a spread pulled along on the ground (experimental programs are in progress), the same applies to thermography and to electromagnetic method SEGG has developed a new high performance electromagnetic measurement tool under the name FAST-EM. FAST-EM is a high performance acquisition and automatic processing system for electromagnetic measurements - mainly EM31 and EM34. This system can be adapted to other types of measurement. The sensors are mounted on a special mobile system drawn by a motorised machine; acquisition, GPS location and processing are automated. Acquisition takes place at speeds of between 2 and 20 kph, depending on the configuration of the terrain, allowing daily monitoring of several km of profile. Tests performed have demonstrated total similitude between FAST-EM measurements and measurements taken by an operator on foot. This is due in particular to the special carrier and system design. The high performance measurements can be used to establish zoning and identify those zones requiring more detailed monitoring. Various methods can be used for detailed monitoring, but three methods seem particularly suitable: the electrical panel for detailed characterisation of embankment materials, the spontaneous potential method (SP) and thermometry in the body of the embankment for characterisation of leaks. These three methods also allow the installation of monitoring devices in situ for automatic monitoring of high risk zones. SEGG is working on the electrical panel and thermometry methods, but it is the SP method that has given rise to the recent development of a new system for precise, reliable detection of leak zones in embankments and dams. The system developed by SEGG offers high quality controlled acquisition, as well as a new method of processing that eliminates the spurious noise which is so considerable in SP and often detracts from

2 the method's performance. This new process is being implemented under the name PS-SCAN. MESURES ELECTROMAGNETIQUES A HAUT RENDEMENT - METHODE FAST-EM Les ouvrages géotechniques linéaires comme les digues et les canaux, les routes et les autoroutes, les lignes ferroviaires, les canalisations et lignes de transport de fluides, d électricité ou de données, traversent parfois des secteurs où les risques géologiques et géotechniques nécessitent la mise en œuvre de méthodologies particulières de reconnaissance impliquant les techniques géophysiques. Ces dernières, toujours associées à des sondages mécaniques, sont adaptées à la détection et à la localisation de diverses anomalies du sous-sol : cavités, vestiges d infrastructure, zones de faible caractéristique mécanique, pollutions,.. Parmi ces techniques, on peut citer principalement la microgravimétrie, le radar géologique, les techniques de résistivité (courant continu) et les techniques de conductivité (électromagnétisme). Parallèlement, les investigations géophysiques se doivent d être rapides, performantes et économiques. Ces dernières années est apparu en géophysique le développement du concept de mesures à haut rendement. Si ce concept ne peut être appliqué, à ce jour, à toutes les méthodes citées, la microgravimétrie ou les méthodes de résistivité par exemple ne s y prêtent guère, il n en est pas de même du radar géologique dont l acquisition sur le terrain peut être très rapide tout en restant performante et des techniques de conductivité par mesures électromagnétiques pour lesquelles SEGG a développé un nouveau procédé innovant qui est décrit ci-après et qui permet de réaliser des mesures électromagnétiques EMXX (31, 38, 34, 61, ) à des cadences jamais atteintes jusque là tout en restant performant. Cette innovation, qui a fait l objet d un dépôt de marque sous le nom FAST-EM, est née d une situation de concurrence sur un grand chantier ferroviaire, situation qui a conduit à une réflexion approfondie pour mettre au point un procédé rapide et performant de mesures électromagnétiques de type EMXX (31, 38, 34, 61, ). Ces mesures conduisent principalement à l établissement de profils et de cartes de conductivité. Elles sont mises en œuvre en général préalablement à toutes autres méthodes afin de localiser rapidement des anomalies du sous-sol qui feront ensuite l objet d investigations plus fines par d autres méthodes géophysiques et par des sondages mécaniques. Les équipements EMXX permettent de mesurer la conductivité du sous-sol, sans contact avec le sol, par un procédé électromagnétique : un champ magnétique primaire est généré par une bobine électrique tenue au dessus de la surface. En se propageant dans le sous-sol, ce champ primaire génère un champ secondaire qui varie en fonction de la conductivité du sous-sol. Une seconde bobine tenue au dessus du sol permet de mesurer le champ secondaire. Equipement EM34 (GEONICS LTD) Une relation univoque relie la conductivité au rapport des amplitudes des champs primaire et secondaire. On en déduit la conductivité du sous-sol au droit des bobines. Classiquement cette mesure nécessite 2 opérateurs, chacun portant une bobine, et l un d entre eux portant le poste de mesure auquel sont reliées les bobines. Une journée de mesure permet de réaliser 100 à 200 mesures soit, au pas de 10 m par exemple, 1 à 2 km de profil. Ce rendement étant relativement faible et les mesures restant discrètes, SEGG a étudié la possibilité de réaliser les mesures en continu à vitesse élevée à partir d un chariot tracté. La première étape a été de vérifier la concordance des résultats lorsque les mesures sont prises de façon discrète en stationnant à chaque point de mesure et lorsque les mesures sont prises de façon continue, en mouvement. Plusieurs profils de mesure ont été réalisés suivant les deux méthodes : nous avons constaté une parfaite similitude des résultats au faible bruit de mesure près. La deuxième étape était de concevoir un chariot de portage du matériel que l on puisse tracter. Le chariot ne devait comporter aucune pièce métallique, être modulaire, léger, facile à monter et à démonter et bien sûr robuste et approprié au tout terrain. Le chariot devait en outre permettre des 2

3 vitesses de déplacement de l ordre de 1 à 10 km/h.le problème du tracteur était secondaire : nous avons prévu d utiliser préférentiellement un véhicule de type quad (Quadricycle Tout Terrain) mais en nous réservant la possibilité d atteler d autres tracteurs, ou simplement un cheval ou un opérateur à pied dans les endroits difficile d accès à un véhicule automobile. Nous avons pris la précaution toutefois de prévoir un timon suffisamment long pour nous affranchir de toute influence du tracteur sur les mesures avec une distance de sécurité de 5 m. Des essais ont en effet montré qu une distance de 3 m était nécessaire entre le quad et l émetteur pour éviter tout effet perturbateur. Compte tenu de la vitesse de déplacement, un système de localisation rapide par mesures GPS différentiel est nécessaire. Enfin le cahier des charges prévoyait non seulement une acquisition continu en déplacement mais aussi un traitement automatique des données et une représentation en temps réel, les mesures géolocalisées devant s afficher sur l écran du micro-ordinateur embarqué afin de permettre une localisation immédiate des anomalies. Le chariot : Une partie de la structure, représentée par deux modules attelés, a été modélisée par éléments finis pour effectuer des calculs de déformations et de contraintes sous sollicitations dynamiques (ornière, dos d âne, ). Ces calculs ont permis d adapter la structure, en particulier les amortisseurs et les liaisons entre tubes pour diminuer les contraintes et les déformations. Par ailleurs la structure a été optimisée pour conserver une rigidité d ensemble permettant un bon alignement des bobines qui doivent rester coplanaires pendant les mesures. L ensemble des contraintes du cahier des charges nous a conduit à choisir un produit particulier constitué par des éléments de tube rond en matériau composite. L assemblage se fait par des rotules et des manchons fixés par une boulonnerie en matériau composite. Un prototype a été fabriqué et a donné satisfaction. A noter qu il est équipé de roues ne comportant aucune partie métallique. Le chariot opérationnel Modélisation par éléments finis Le système de mesure : Le système de mesure s articule autour d un micro-ordinateur auquel sont reliés le poste de mesure et le récepteur DGPS. L acquisition est effectué avec une cadence de 1 seconde ce qui permet une mesure tous les mètres pour une vitesse de l ordre de 4 km/h. Le récepteur DGPS permet soit un positionnement temps réel soit le suivi d une trajectoire prédéfinie et le relèvement de la trajectoire réel. Au fur et à mesure de l acquisition, le fichier des mesures se construit avec les données de positionnement, de conductivité et de phase. Ce système permet de réaliser des acquisitions précises à haut rendement avec des cadences, en situation normale, de l ordre de 10 à 20 km de mesures par jour, soit 10 fois plus que par la méthode traditionnelle. Des cadences plus élevées sont envisagées. La restitution des mesures : Les mesures sont restituées sous forme de profils et de cartes où apparaissent les anomalies de conductivité du sous-sol. L exemple suivant montre l anomalie créée par des réseaux de vestiges souterrains. 3

4 I III IV Mesures avec bobines verticales Mesures avec bobines horizontales V VI VII VIII IX II Conductivités (ms/m) Exemple de cartes de conductivité obtenues par la technique FAST-EM34 Les anomalies «bleues» correspondent à des vestiges d ouvrages souterrains (conductivités faibles, résistivités élevées) 4

5 DETERMINATION DES POTENTIELS D ELECTROFILTRATION PAR LA METHODE PS-SCAN Certaines méthodes géophysiques peuvent permettre de détecter la présence de fuites d eau dans des ouvrages hydrauliques tels que les digues de protection contre les crues, les digues de retenue d eau, les barrages hydroélectriques. Parmi ces méthodes, la méthode des potentiels spontanés offre l intérêt d une mesure directement liée à l existence de fuites. En effet le passage de l eau à travers le diaphragme poreux d un ouvrage de retenue génère, autour de la zone de fuite, des potentiels d électrofiltration d amplitudes relativement importantes. Pour autant la mesure n est pas aisée, en effet le potentiel recherché est plus ou moins masqué par les potentiels spontanés affectant le sol autour de l ouvrage et l ouvrage lui-même. Ces potentiels spontanés proviennent de courants naturels (telluriques) ou anthropiques (industriels) qu il convient de filtrer. Jusqu à ces dernières années, les mesures étaient réalisées sans filtrage particulier ce qui conduisait à de sévères difficultés d acquisition et d interprétation face à des mesures apparemment erratiques. Seules les fuites les plus importantes pouvaient être détectées. Dans de nombreux cas, il était difficile de conclure sur l origine réelle des anomalies détectées, rendant la méthode des potentiels spontanés appliquée à la détection de fuites peu fiable. Par rapport à cet état de fait, SEGG a entamé une réflexion et une recherche avec trois objectifs qui, pris dans l ordre de priorité, sont les suivants : - mettre au point une méthode fiable et précise pour la détection des fuites par la méthode des potentiels spontanés ; - pouvoir automatiser la prise de mesure pour permettre la surveillance continue d un site ; - évaluer les débits de fuite à travers l ouvrage. Actuellement, le premier objectif a été atteint et fait l objet de la présente communication. Les deux objectifs suivants sont à l étude. Mise au point d une méthode fiable et précise pour la détection des fuites par la méthode des potentiels spontanés Nous nous sommes appuyés en partie sur les travaux de R.B. Corwin (USA) pour développer une méthode qui permet de s affranchir des potentiels parasites qui s additionnent et masquent le potentiel d électrofiltration recherché. Les potentiels parasites ont principalement deux causes : - les courants telluriques sont induits par les variations du champ magnétique terrestre (variation de l activité solaire, orages électriques). Ils sont variables avec le temps et leurs amplitudes peuvent être comprises entre quelques mv/km et quelques centaines de mv/km ; - les courants «anthropiques» sont liés à l activité humaine (ligne haute tension, industrie,...). Leur influence peut être limitée dans le temps et dans l espace, comme elle peut se faire sentir longtemps, et sur un vaste domaine spatial. Il n y a aucune règle générale concernant les fréquences et les amplitudes de potentiel générées qui dépendent des sources et du site. On utilise deux dipôles d électrodes (2 électrodes) : - un dipôle de mesure comprenant deux électrodes, l une dite de référence fixe et rejetée à une grande distance (plusieurs centaines de mètres) et l autre dite de mesure mobile sur le parement amont de l ouvrage. Ce dipôle mesure le potentiel total en chaque station de l électrode mobile; 5

6 - un dipôle tellurique comprenant deux électrodes installées dans une zone qui n est pas affectée par les potentiels d électro-filtration dus aux fuites. Ce dipôle mesure exclusivement les potentiels parasites. L orientation du dipôle qui ne doit pas être installé le long d une ligne équipotentielle et la distance entre électrodes sont des paramètres qui revêtent une importance particulière Le potentiel parasite peut se présenter sous les trois formes suivantes : - les amplitudes de variations sont négligeables (de l ordre de 1mV/km) : les mesures du potentiel d électrofiltration peut se faire sans le prendre en compte. Le potentiel d électrofiltration correspond à la différence de potentiel mesurée ; - les amplitudes de variations sont importantes et ne sont pas en phase, autrement dit ces variations perturbent les mesures de manière aléatoire : La valeur du potentiel d électrofiltration est approchée par la moyenne des mesures ; - les amplitudes de variations sont importantes et sont en phase avec le potentiel mesuré aux bornes du dipôle de mesure, autrement dit ces variations se retrouvent, de manière proportionnelle, sur les mesures : dans ce cas précis, lorsque la différence de potentiel du dipôle parasite correspond à sa propre polarisation spontanée, on peut déduire que le bruit parasite est nul sur l ensemble du site. Les variations en phase des mesures permettent d extrapoler ou d interpoler les valeurs pour une différence de potentiel du dipôle parasite égale à sa propre polarisation spontanée. Les valeurs correspondantes seront celles que l on aurait mesurées en l absence de bruit parasite, et donc, celles du potentiel d électrofiltration. Le procédé de traitement mis au point par SEGG permet dans les différents cas cités ci-dessus de déterminer le potentiel d électrofiltration au droit de chaque station de mesure correspondant à la position de l électrode de mesure sur le parement amont de l ouvrage. Logiciel d acquisition et de traitement des mesures 6

7 Géoline 2005 Lyon, France 23rd - 25th, May/Mai 2005 Le matériel de mesure : Le choix du matériel est très important dans la mesure des potentiels. La chaîne de mesurage peut perturber la mesure du fait des fuites de courant dans les câbles, de la polarisation des électrodes, de la dérive thermique des mesures (variation de température), du décalage temporel des mesures. Des électrodes impolarisables spéciales sont utilisées et une procédure de mesure précise doit être mise en œuvre pour éliminer tout artefact. Electrode impolarisable Electrode impolarisable dans son support Recherche de fuite dans la retenue d un barrage. Les zones d anomalie apparaissent en rouge 7

8 Recherche de fuite sur le parement d un barrage Les zones d anomalie se concentrent autour de la prise d eau. Conclusions La technique de mesures de conductivité FAST-EM est une méthode géophysique innovante à haut rendement qui peut être mise en œuvre sur les ouvrages linéaires pour reconnaître rapidement les 15 premiers mètres de sol afin de détecter d éventuelles anomalies telle que des cavités, des vestiges souterrains, des variations de faciès ou de nature géologique. La technique de mesures de potentiels d électro-filtration PS-SCAN est une méthode géophysique innovante de haute résolution pour détecter la présence de fuites le long d ouvrages linéaires hydrauliques comme des digues ou des canaux Ces deux techniques peuvent être associées pour la reconnaissance des digues dans le cadre de la lutte contre les phénomènes d érosion interne qui conduisent au risque de rupture avec ses conséquences dramatiques comme l a montré l actualité de ces dernières années. Mais ces techniques présentent des limites qui sont inhérentes aux principes physiques mis en œuvre, en particulier en matière de profondeur et de taille d anomalie détectable. Il convient donc avant toute application de s assurer par des modélisations ou par l expérience que les anomalies recherchées, compte tenu de leur profondeur et de leur taille, sont bien détectables : c est le rôle premier du géophysicien. Enfin, ces techniques peuvent être associées à d autres techniques géophysiques pour compléter l information ou mieux caractériser les anomalies rencontrées : le radar géologique, la gravimétrie, les méthodes électriques et sismiques font partie de ces méthodes complémentaires. En dernier lieu, des sondages mécaniques de vérification doivent permettre de valider les interprétations géophysiques. FAST-EM est une marque déposée par SEGG PS-SCAN est une marque en cours de dépôt par SOBESOL 8

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