Caractérisation géophysique des digues : techniques à grand rendement, techniques ponctuelles et méthodes émergentes

Transcription

1 Caractérisation géophysique des digues : techniques à grand rendement, techniques ponctuelles et méthodes émergentes Grégory Bièvre 1,2 1 Centre d Études Techniques de l Équipement de Lyon, Laboratoire de Lyon 2 Université de Grenoble, Institut des Sciences de la Terre 27 janvier /25 Grégory Bièvre Caractérisation géophysiques des digues

2 Sommaire Introduction Techniques à grand rendement Conclusion 2/25 Grégory Bièvre Caractérisation géophysiques des digues

3 Introduction L objectif de la géophysique est de retrouver la répartition de champs physiques dans le sol ; Ces champs physiques, naturels ou provoqués, dépendent d un ou plusieurs paramètres caractéristiques des matériaux dont on cherche à déterminer la répartition ; À chaque paramètre physique sensible correspond une technique géophysique ; Les résultats des mesures font l objet d une interprétation géophysique qui aide à construire un modèle géologique (géotechnique, hydrologique, etc.) ; Des sondages d étalonnage sont nécessaires systématiquement pour valider les mesures et les interprétations. 3/25 Grégory Bièvre Caractérisation géophysiques des digues

4 Introduction Méthode Grandeur mesurée Paramètre Origine du champ physique Gravimétrie Champ de pesanteur Masse volumique Naturelle Sismique Temps de trajet Vitesse d'ondes Naturelle ou mécaniques provoquée Résistivité Potentiel électrique Résistivité Provoquée Potentiels Spontanés Potentiel électrique Potentiel Spontané Naturelle Magnétique Champ magnétique Susceptibilité magnétique Naturelle Electromagnétique Champ Résistivité et électromagnétique permittivité Provoquée Radioactivité Evénements Radioactivité des roches Naturelle ou provoquée (D après Lagabrielle, 1991) 4/25 Grégory Bièvre Caractérisation géophysiques des digues

5 Introduction Méthode Grandeur mesurée Paramètre Origine du champ physique Gravimétrie Champ de pesanteur Masse volumique Naturelle Sismique Temps de trajet Vitesse d ondes Naturelle ou mécaniques provoquée Résistivité Potentiel électrique Résistivité Provoquée Potentiels Spontanés Potentiel électrique Potentiel Spontané Naturelle Magnétique Champ magnétique Susceptibilité magnétique Naturelle Electromagnétique Champ Résistivité et électromagnétique permittivité Provoquée Radioactivité Evénements Radioactivité des roches Naturelle ou provoquée (D après Lagabrielle, 1991) 5/25 Grégory Bièvre Caractérisation géophysiques des digues

6 Introduction Grand rendement vs ponctuel? Fonction du linéaire à ausculter ; Les techniques à grand rendement sont utilisées en premier pour fournir une vision approximative de la structure du sous-sol. Elles permettent d ausculter l ensemble du corps de digue en un temps «réduit» ; on obtient la mesure de la variation d un paramètre le long des profils étudiés ; Les techniques ponctuelles sont employées dans un second temps, pour préciser la nature des anomalies détectées : profondeur, taille, etc. 70 Vertical dipole 0 Resistivity (Ohm.m) Horizontal dipole Prof. (m) Résistivité (Ω.m) Distance (m) Distance (m) /25 Grégory Bièvre Caractérisation géophysiques des digues

7 Techniques à grand rendement Méthodes Électromagnétisme basse fréquence en champ proche (Slingram) ; Électromagnétisme basse fréquence en champ lointain (Radio-magnétotellurique) ; Radar géologique ; Traîné de résistivité aquatique (auscultation du sous-sol sous le canal ou la rivière) ou de surface ; (Sismique ondes de surface.) 7/25 Grégory Bièvre Caractérisation géophysiques des digues

8 Électromagnétisme basse fréquence en champ proche (Slingram) ,36m Sol 1 Sol 2 Emetteur Champ EM primaire modifié Champ EM primaire Courants parasites Conducteur Récepteur ChampEM secondaire Réponse de l appareil + - Bobine réceptrice GPS Bobine émettrice 2 σ a = π.f.µ 0.r 2 H s H = 1 (1) p ρ a Espacement des boucles (m) Fréquence d acquisition (khz) Profondeur d exploration (m) Champ vertical Champ horizontal Résolution (m) /25 Grégory Bièvre Caractérisation géophysiques des digues

9 Exemple de mesures : digue de Loire à Sandillon Filtrage 1000 EM31 - Ligne 4 brute Résistivité apparente (ohm.m) avril 2005 HCP VCP Zone 1 Zone 2 Zone 3 10 Barrières métalliques, passage de véhicule, etc Distance (m) Moy. dipôle vertical = ohm.m Moy. dipôle horizontal = 142 ohm.m Distance (m) 9/25 Grégory Bièvre Caractérisation géophysiques des digues

10 Techniques à grand rendement Exemple de mesures : canal de Roanne à Digoin 10/25 Côté fleuve Côté val Digue de canal 4m 3,88 Canal de Roanne à Digoin 2H/3V Remblai routier 5 m 5,02 2H/3V Horizontal dipole Resistivity (Ohm.m) Resistivity (Ohm.m) Vertical dipole Distance (m) 80 Grégory Bièvre Distance (m) Caractérisation géophysiques des digues

11 Avantages - limites Avantages Grand rendement possible : plusieurs centaines de mètres à quelques km par jour. Quelques dizaines de km possibles en mode tracté ; Technique robuste et fiable ; Interprétation principalement qualitative. Limites Méthode principalement qualitative ; Très sensible aux environnements métalliques. 11/25 Grégory Bièvre Caractérisation géophysiques des digues

12 Radar géologique 12/25 Grégory Bièvre Caractérisation géophysiques des digues

13 Exemple de mesures : digue de Loire Distance (m) 70 0 Temps double (ns) 50 Le signal est très rapidement absorbé en profondeur 400 MHz Sandillon Temps double (ns) MHz Nevers Profondeur (m) 13/25 Grégory Bièvre Caractérisation géophysiques des digues

14 Exemple de mesures : canal du Centre à Rémigny Chemin de halage Canal du Centre 5 m d (m) Temps-double (ns) Le signal est très vite absorbé en profondeur MHz digue remblai Stratifications pentées vers l est d (m) Temps-double (ns) Zone bréchique (blocs) Zone riche en argiles MHz digue déblai Passage de faille (F2) Stratifications pentées vers l est 14/25 Grégory Bièvre Caractérisation géophysiques des digues

15 Avantages et limites Avantages : Rapide, grand rendement possible ; Maniable ; Richesse des informations fournies (en cas favorable). Limites : Compromis pénétration-résolution ; Nécessite des sols électriquement résistants ; Nombreux facteurs d influence ; Le traitement des données représente une quantité de travail importante. Il peut éventuellement être source d artefacts. 15/25 Grégory Bièvre Caractérisation géophysiques des digues

16 Méthodes Tomographies de résistivité électrique (ERT) ; Sismique réfraction et tomographies sismiques ; Radar géologique ; Potentiels Spontanés (PS) ; Techniques thermographiques ; (Sismique ondes de surface.) 16/25 Grégory Bièvre Caractérisation géophysiques des digues

17 Techniques à grand rendement Tomographie de résistivité électrique (ERT) 17/25 Grégory Bièvre Caractérisation géophysiques des digues

18 Avantages et limites Avantages : Mesures automatisées ; Technique adaptée à un monitoring temporel (éventuellement à l aide de saumure). Limites : Les terrains à différencier doivent présenter des contrastes électriques suffisants ; Faible rendement (quelques dizaines à centaines de mètres par jour) ; Rend compte en 2D de mesures prises dans un contexte très fortement 3D dont l effet n est pas homogène dans le temps ; Non-unicité de la solution. 18/25 Grégory Bièvre Caractérisation géophysiques des digues

19 Méthodes «émergentes» Sismique en ondes de cisaillement (Vs) ; Sismique en ondes de surface (ondes de Rayleigh, ondes de Love) ; Techniques de corrélation d ondes. 19/25 Grégory Bièvre Caractérisation géophysiques des digues

20 Vitesse des ondes de cisaillement (Vs) Intérêt par rapport à Vp? Pas d influence de l eau ; Très sensible aux variations de densité du milieu ; Meilleure résolution que les ondes P ; Permet d estimer les paramètres dynamiques du milieu. µ = ρ.v 2 s (2) Inconvénients Difficile de générer des ondes S énergétiques ; Non-unicité de la solution. 20/25 Grégory Bièvre Caractérisation géophysiques des digues

21 Exemple de mesures : canal de Roanne à Digoin Resistivity (Ohm.m) Vertical dipole Horizontal dipole Prof. (m) Distance (m) Distance (m) Résistivité (Ω.m) Vs (m/s) Distance (m) 58 21/25 Grégory Bièvre Caractérisation géophysiques des digues

22 Techniques à grand rendement Ondes de surface (MASW, ondes de Love) Depth (m) Temps (s) 22/25 Distance (m) Vs (m/s) Velocity (m/s) Velocity (m/s) Distance (m) 58 Vs (m/s) Frequency (Hz) Frequency (Hz) Misfit value Grégory Bièvre Caractérisation géophysiques des digues 1250

23 Ondes de surface (MASW, ondes de Rayleigh) (Travaux du BRGM) 3/25 Grégory Bièvre Caractérisation géophysiques des digues

24 Ondes de surface (CCASW, ondes de Rayleigh) (Travaux du BRGM) 24/25 Grégory Bièvre Caractérisation géophysiques des digues

25 Le choix des méthodes à employer dépend de plusieurs facteurs : Linéaire à reconnaître ; Nature du corps de digue et/ou du substratum ; Profondeur à atteindre et résolution souhaitées ; Nature de la cible à caractériser. Ces méthodes permettent d implanter au mieux les sondages mécaniques qui permettront de confirmer les anomalies détectées et de procéder aux prélèvements pour essais de laboratoire ; qui fourniront des calibrages afin de monitorer l évolution des paramètres (hydrologiques et/ou mécaniques). 25/25 Grégory Bièvre Caractérisation géophysiques des digues