Les barrages de Malpasset et de Saint Cassien.

Transcription

1 Les barrages de Malpasset et de Saint Cassien.

2 Un peu de géologie pour commencer...

3 Histoire géologique simplifiée du Massif du Tanneron 1: état initial : socle hercynien métamorphique Bois du Prigonnet Accident Grimaud-Joyeuse Massif du Rouet Faille de Foncounille Gorges de Pennafort Endre Phase d extension 2 : mise en place de lentilles de tonalite (350 MA) couverture de rhyolite faille gneiss tonalite tonalite faille granite gneiss 3 : intrusion de granite (325MA) 4 : couverture par la lave (rhyolite) des volcans de l Esterel (300 MA)

4 Carte géologique de l emplacement du barrage de Malpasset Le barrage est implanté sur le socle métamorphique du Tanneron formé de gneiss et dans le rift du Reyran.Le fond de la cuvette du Reyran est occupé par des dépôts houillers du Carbonifère. Le gneiss est résistants à la compression dont se prête parfaitement à l implantation d un barrage voûte qui a besoin d appuis compacts. Le rift induit un réseau de failles majeures présent sur toute la longueur du Reyran. Le gneiss a un comportement très cassant en extension réseau de failles. Sous la pression hydrostatique de la retenue du barrage, ces failles provoquent des circulations d eau produisant sous-pressions donc des forces capables d agir sur la stabilité du barrage et qui ont provoqué la ruine de l ouvrage. Il aurait fallu injecter ces failles pour stopper les circulations d eau. Barrage Barrage parfaitement situé au milieu du massif de gneiss. 500 mètres gneiss (couleur orange) du socle métamorphique du Tanneron, remplissage sédimentaire du Carbonifère avec niveau de charbon, 1ères coulées volcaniques de rhyolite de l Estérel en orange.

5 Les roches sédimentaires Les roches sédimentaires proviennent de dépôts généralement en fonds marins: produits de l érosion ou par les organismes marins Ca CO3 calcite.

6 Roches volcaniques effusives: rhyolite La rhyolite est la roche de l Esterel. Sa couleur rouge l a fait dénommer le porphyre rouge. C est une roche provenant des laves acides émises par les volcans de l Esterel au Permien C est une roche acide, donc riche en quartz. C est une roche magmatique effusive. Caractéristique :roche à grains fins. Photo gauche : rhyolite A5 + filon de quartz Col des 3 Termes. Esterel.

7 Roche plutonique: granite, esterellite, Ce sont des roches plutoniques: refroidissement lent. Caractéristique: roches avec de gros cristaux Le granite est une roche acide, donc riche en silice Esterellite et tonalite sont des roches basiques. Utilisées pour les autoroutes ( bruit et résistance ) Carrière du Petit Caous. 10 cm 10 cm Carrière du Caous (St Raphaël )

8 Roche volcanique effusive: le basalte Carrière de basalte du Reyran Le basalte est une roche volcanique basique. C est une roche effusive a grains fins. Utilisée pour le ballaste des chemins de fer.

9 Roche métamorphique: le gneiss Le gneiss est une roche métamorphique ayant subi un métamorphisme assez fort Si elle n est pas altérée, c est une roche très dure en raison du métamorphisme intense, mais qui peut se briser en couches. Photos MM.

10 Litage caractéristique du gneiss Biotite Feldspath plagioclase Quartz Biotite On observe: - un litage peu visible - des zones sombres très micacées riches en biotite ( mica noir ) - des zones claires à petits plagioclases globuleux

11 Malpasset: un barrage voûte ultra mince Superbe barrage construit par le Conseil Général du Var. La conception par le bureau d études Coyne et Bellier était remarquable : ouvrage en voûte mince d une hauteur de 60 mètres, son arc se déployait en crête sur près de 225 m. L épaisseur de la voûte au sommet de l édifice ne dépassait pas 1,50 mètres, ce qui en faisait le barrage le plus mince d Europe. Au début de l'hiver 1959, les pluies torrentielles remplissent pour la première fois le barrage, 5 années après sa mise en service. Lorsque celui-ci cède brutalement le 2 décembre 1959 à 21 H 13, près de 50 millions de mètres cubes d'eau déferlent dans la vallée, ravageant campagnes et villages jusqu'à la mer et faisant plus de 400 victimes. C'est la plus grande catastrophe de ce genre qui ait jamais touché la France. "De tous les ouvrages construits de main d'homme, les barrages sont les plus meurtriers". Ces mots sont ceux du constructeur du barrage de Malpasset, A. COYNE, dont la compétence était mondialement reconnue et la qualité de sa construction saluée par toute la communauté scientifique. Il était reconnu comme un expert mondial des barrages-voûtes. Il avait construit de très grands ouvrages de part le monde, dont un bien connu en France, le barrage de Tignes. Dans cet article, on donne une explication sur le phénomène géologique réel qui a amené la ruine de l ouvrage. Phénomène discernable sur le terrain par une simple observation à la portée d un géologue amateur. On explicite également la chaîne des dysfonctionnements.

12 Malpasset : un barrage-voûte l = 1, 5 m Barrage-voûte V = 50 Mm3 H = 60 m L = 6, 78 m Eau infiltrée générant les sous-pressions Faille verticale Forces consécutives aux sous-pressions Faille horizontale Un barrage-voûte a la forme d une coque qui renvoie les efforts sur les appuis du massif rocheux. Les appuis travaillent donc en compression. Il est à noter que la résistance du barrage est conditionnée par le fait que les forces résultantes sont contenues à l intérieur de la coque. Si elles passent à l aval il y a éventrement, à l amont le barrage se referme comme un livre. La présence de failles favorise l infiltration d eau à la pression hydrostatique. Ces infiltrations génèrent des forces perpendiculaires aux parois de la faille. Lorsque la pression est suffisante (hauteur d eau dans la retenue), elles peuvent être capables d alléger le barrage et le faire basculer. C est le cas général des sous-pressions. Le risque de basculement est donc directement proportionnel à la hauteur de remplissage de la retenue. D où l importance vitale de surveiller le remplissage et d avoir les moyens d agir pour stopper la montée de l eau en cas de problème.

13 St Cassien: un barrage de poids en terre Barrage composé d une digue en remblais, avec noyau central étanche année de construction 1965, longueur en crête: 210m, hauteur au dessus du talweg: 66 m, épaisseur max: 380 m, épaisseur en crête: 10 m, capacité 60 Mm3, Fondations voile d étanchéité vertical sous le barrage de 7000 m2 par sondages de profondeur 30 m espacés de 2,5 m réseau de drainage de 35 drains espacés de 10m. Organes d évacuation des crues a RN: 20m3/s, PHE: 870 m3/s, si effacement de la digue annexe: 1500m3/s

14 Causes de rupture de barrages. Causes externes effondrement de terrain, tremblements de terre Causes internes consécutives à la nature de construction barrages terre: submersion par une crue, renards, affouillements barrages voûte: rupture d appui barrages poids: sous pressions Surveillance des barrages Drainage Mouvements et déplacements :topographie, pendules, Contraintes: témoins sonores, Surveillance à la construction Le barrage étant destiné a supporter des efforts importants, il est nécessaire de suivre le remplissage et vérifier à tout moment si les contraintes réelles correspondent aux calculs. Pour cela il faut avoir les moyens de maîtriser la montée du plan d eau, de la stopper si une période d observation est nécessaire et éventuellement de vider si des travaux se révèlent nécessaires. Il faut donc disposer d un système de vannes capable d évacuer le débit de crue ce qui n existait pas à Malpasset..

15 Le barrage de Malpasset problème industriel: alimenter Fréjus 2 solutions techniques radicalement différentes à 2000 ans d écart. captage d une source permanente par un aqueduc stockage de l eau intermittente au prix d un barrage de 60 mètres de haut. Cette dernière solution s avéra catastrophique en raison d une chaîne de dysfonctionnements impressionnante. Mise à jour du 22 avril 2010.

16 Intersection de failles Végétation clairsemée : roche dure Croupe massive, roche couleur jaune clair Failles verticales Failles horizontales Torrent à sec

17 Des efforts en extension provenant des sous-pressions interstitielles vont expulser les blocs. Le massif est découpé en blocs indépendants par des failles profondes et qui se recoupent. Le massif a perdu sa cohésion : c est l analogie avec une palette de parpaings. Quelles peuvent être les conséquences si on implante un barrage voûte? Il faut avoir une réflexion de technicien en fonctionnement d un barrage et une réflexion de géologue puis en faire la synthèse. Un barrage-voûte travaille en compression sur ses appuis. Malpasset le géologue n a pas vu que les failles de surface qui paraissent anodines avaient en fait pour conséquence la décohésion de l appui et le risque de le faire travailler en extension par les sous-pressions interstitielles. C était la synthèse à faire à Malpasset entre le géologue et le technicien. La solution est bien connue et peu coûteuse : bloquer les circulation d eau par des injections.

18 Malpasset : le réseau de failles visibles en surface failles 1 et 2 faille 3 Pendage surface d appui maximum

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20 Rive droite 1 2 On remarque la rupture de l appui. Probablement par l énergie cinétique de l eau après la rupture en RG. En RD amont le réseau de failles est dense et bien visible. Les failles 1 et 2 sont trop éloignées de l appui pour désolidariser le bloc. La faille 1 recoupe la fondation mais elle forme un angle trop important pour agir comme un vérin.

21 Après la rupture. On observe que la culée RD a résisté.

22 La vanne de vidange de fond. On observe que la fondation est toujours en place.

23 Barrage de Saint Cassien

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25 Digue annexe Évacuateur de crue Piézométres Parement aval en remblais Parement amont en enrochements

26 Carte de l onde de submersion de St Cassien. (PPI de décembre 2005).

27 Le canal de Fréjus Longueur: 40 km, 481m de dénivelé, relief particulièrement tourmenté, 20 gros ouvrages d art, débit de m3/j ( 0,57 m3/s ) On notera la section du canal dont l étanchéité est assuré par un enduit à base de chaux et de poterie pilée très finement. L épaisseur de la calcite déposée sur les parois a permis déterminer la durée d utilisation: 450 ans. Ironie de l histoire: l alimentation en eau de Fréjus est assurée par une canalisation de gros diamètre empruntant en partie le tracé de l ancien canal.

28 Aperçut des techniques topographiques à l époque romaine Le niveau: la groma La visée: la chorobate Les angles: la dioptra

29 Géologie: le rift du Reyran Un rift est une cassure de la croûte en extension, ce qui génère un système de failles normales parallèles au rift. Le rift du Reyran a néanmoins suffisamment évolué pour arriver à la phase volcanique qui a donné le massif volcanique de l Esterel. Carbonifère, importante sédimentation Blocs basculés Le système de failles normales parallèles est bien visible en RD du Reyran.

30 Le métamorphisme: comment ça marche Actions thermo - mécanique Sédiments. Diagenèse 200 C Notion de niveau structural. Définit le comportement des roches. Niveau supérieur( de 0 à 4km): cisaillement et failles. Schistosité. Niveau moyen ( de 4 à 8km): flexion avec couches de même épaisseur Niveau inférieur ( de 8 à 10 km) : fluage des roches. Foliation. Si p > 10 km: début anatexie Pression température ) Forces et température importantes. Schistosité: feuilletage dû à la pression tectonique et début de la recristallisation des minéraux. Le feuilletage est perpendiculaire à la contrainte. Ex: les ardoises 2 ) Forces et température très importantes. Foliation: différentiation des minéraux par migration. Apparition de couches sinueuses de couleurs différentes. Ex: le gneiss. métamorphisme 800 C Attention: ne pas confondre schistosité et stratification. Au-delà: Si les contraintes thermiques et physiques augmentent encore, on arrive à l anatexie ( fusion partielle ) puis à la fusion totale. Photos: schiste du Cap Sicié et gneiss de la Madone de Fenestre.

31 Le métamorphisme: comment ça marche Actions chimiques Pression ( k bars ) 3 BP Diagramme pression / température Le carbone: C graphite diamant 1500 C 3000 C Température La nature des minéraux permet de reconstituer l histoire des roches et des terrains. Transformation des minéraux La réorganisation des atomes en fonction de la température et de la pression est un phénomène fondamental. Transformation des minéraux: Exemple : le carbone. P et T élevées diamant P basse, T moyenne graphite C est la structure cristalline qui est modifiée: diamant: cubique graphite: hexagonale en plans parallèles avec liaisons faibles entre les plans (exemple de la mine de crayon ). La formule chimique reste la même: C Décodage d une roche métamorphique complexe: Micaschiste à minéraux ( Col du Canadel ). mica: des silicates sont transformés en mica blanc cf photo ( structure cristalline en feuillets, température < à 500 ). schiste: la roche est parvenue à l état de schiste ( niveau structural moyen ). On observe des feuillets, couches etc. minéraux: d autres silicates complexes avec du Fe Mg etc se sont transformés en staurotide ( structure cristalline monoclinique ), en grenats ( structure cristalline cubique ), en disthène etc

32 Les résultats du métamorphisme: séquences et faciès La transformation des roches s appelle le métamorphisme. Les résultats sont d une infinie variété. On peut les classer de multiples façons, par exemple en fonction de la roche de départ avant transformation ou en fonction des minéraux présents après transformation. Classement suivant la nature de la roche de départ ( roche mère ). Notion de séquence. Roche mère Argile Importance du métamorphisme Faible Moyen Fort Schistes Gneiss Leptynite s Une séquence est composée de toutes les roches obtenues à partir d une roche mère et en fonction du degré de métamorphisme. Exemples: séquence pélitique à partir de l argile, séquence carbonatée à partir du calcaire, etc Classement suivant la nature des minéraux présents dans la roche finale. Notion de faciès Chaque minéral a une zone de { P, T } où il est stable. On défini ainsi différentes zones caractéristiques de certains minéraux: les faciès.. P kb 12 - Si présence de minéraux ferromagnésiens, Éclogites Si présence de glaucophane ( silicate de couleur bleue ) Schistes bleus ( exemple: ND des Anges Si présence de chlorite Schistes verts Si métamorphisme de contact Cornéennes 700 T Intérêt des faciès et séquences: ces données permettent de reconstituer l histoire des roches en sachant de quoi elles sont parties, par où elles sont passées et pendant combien de temps. C est l histoire de notre planète.

33 Structure cristallographique d une roche vue en lame mince. 10 µm

34 Les roches Classification des roches magmatiques en fonction de la teneur en silice et de la nature des feldspaths acide basique feldspath riche en potassium orthose Zone des roches acides granite, rhyolite, trachyte etc riche en silice quartz Feldspaths avec K, Na, Ca Riche en Na: albite Zone des roches basiques basalte, gabbro esterellite, tonalite etc feldspath riche en calcium Plagioclase anorthite ultra basique Zone des roches de grande profondeur riches en Mg et Fe péridotites pauvre en silice feldspathoïdes