REPORT FINALE Evaluation de la vulnérabilité des retenues d altitude vis-àvis de l aléa sismique Action 2.3 S. MERCKLE, G.VEYLON, A. DELVALLEE Irstea V. DE BIAGI Politecnico di Torino
Sommaire de la présentation : 1. Aléa sismique réglementaire en Italie et en France Étude de sensibilité Etude d un ouvrage réel 3. Principaux enseignements, mise en perspective
1. Aléa sismique réglementaire en Italie et en France : application d un même principe Les barrages sont répartis en 4 classes d importance. Le niveau d exigence en matière de dimensionnement, d auscultation,... est proportionnel à l importance de l ouvrage. Du point de vue de l aléa sismique, cela conduit à adapter la période de retour de l événement considéré à la classe de l ouvrage. Classe de barrage France Période de retour associée (ans) Classe de barrage Italie Période de retour associée (ans) A 5 Stratégique 2475 B 2 5 Graves conséquences grands barrages 2475 C 1 Graves conséquences barrages moyens 146 D 5 Importance normale 975 Période de retour de l aléa sismique pris en compte pour l évaluation de la sécurité (ELU / SLC) des barrages en France et en Italie.
1. Aléa sismique réglementaire en Italie et en France : carte de définition de l aléa «régional» L aléa sismique est défini sur le territoire national en Italie, grille de points paramètre du spectre de réponse pour T jusqu à 2 475 ans Carte d iso-accélération avec une probabilité de dépassement de 1% en 5 ans (T = 475 ans). Carte d iso-accélération avec une probabilité de dépassement de 1% en 5 ans (T = 475 ans) Zoom sur le Nord-Ouest de l Italie
1. Aléa sismique réglementaire en Italie et en France : carte de définition de l aléa «régional» L aléa sismique est défini sur le territoire national en France métropolitaine 4 zones de sismicité, découpage communal paramètre du spectre de réponse pour T jusqu à 5 ans Carte d iso-accélération avec une probabilité de dépassement de 1% en 5 ans (T = 475 ans). Carte d iso-accélération avec une probabilité de dépassement de 1% en 5 ans (T = 475 ans) Zoom sur le Nord-Ouest de l Italie
1. Aléa sismique réglementaire en Italie et en France : application d un même principe Localisation du barrage Sismicité régionale Effetsde site (Géotechnique, Topographique) Classed importancedu barrage Périodede retour T SES Sollicitation sismique : - Accélération maximale -Spectre de réponse
1. Aléa sismique réglementaire en Italie et en France : comparaisons en sites frontaliers Observation d ensemble : pour T = 2 475 ans, les valeurs d accélérations maximale au rocher sont dans l intervalle [,19 g ;,3 g ] en Italie [,19 g ;,28 g ] en France Comparaisons à l échelle communale : Comparaison Italie France CLAVIERE a g = 1,88 m/s² Spectre réponse [3] LIMONE PIEMONTE a g = 2,51 m/s² Spectre réponse [2] MONTGENEVRE a g = 2,8 m/s² Spectre réponse [1] MODANE Spectre [4] a g = 1,9 m/s² TENDE a g = 2,8 m/s² Spectre réponse [1] Accélération (m/s2) 8 7 6 5 4 3 2 1 [1] Tende - Montgenèvre (Fr.)_T=2475 ans [2] Limone Piemonte (It.)_T=2475 ans [3] Clavière (It.)_T=2475 ans [4] Modane (Fr.)_T=2475 ans.5 1 1.5 2 Période (s)
Spécificités des retenues d altitude : La hauteur maximale des remblais est généralement inférieure à 2 m ; Les pentes mises en œuvre sont généralement comprises entre 1V/3H et 1V/2H (voire parfois plus raides) ; Une large majorité d ouvrages est fondée sur une fondation résistante (moraine ou rocher) ; Les matériaux des remblais sont constitués majoritairement de moraines et de schistes.
Stabilité du remblai sous sollicitation sismique : Méthodes de calcul [1/3] Méthode pseudo-statique 2 3 Résultat : Facteur de Sécurité FS > ou < 1?
Méthodes de calcul [2/3] 1 8 6 4 2 Méthode dynamique simplifiée (Seed et Makdisi).5 1 1.5 1. Choix d un cercle de glissement à la profondeur «y», caractérisé par son accélération critique k y (tq. FS=1). 2. Prise en compte du comportement vibratoire du remblai, évolution des propriétés G et D en fonction de la distorsion (amplification de l accélération, utilisation de formules et abaques) Evaluation de l accélération maxi en crête [ü max ], et à la profondeur «y» [k max ].
Méthodes de calcul [2/3] Méthode dynamique simplifiée (Seed et Makdisi) 3. Le ratio : éé éé donne accès aux déplacements permanents à la profondeur «y». déplacements acceptables? Cf. critères de performance à fixer ex. : déplacement < 1/3 revanche
Méthodes de calcul [3/3] Méthode dynamique temporelle Calcul aux éléments finis Calcul du champ de contraintes initiales Analyse dynamique temporelle Analyse de Newmark avec déformations en cercle de glissement Utilisation des accélérogrammes spécifiques à la zone, générés par l ISTerre Modèle linéaire équivalent, utilisation des courbes de Seed & Makdisi ou de la littérature pour le comportement du remblai tenseur des contraintes dans le remblai, pour chaque pas de temps t i de l accélérogramme utilisé X-Acceleration -,3 - -,25 g -,25 - -,2 g -,2 - -,15 g -,15 - -,1 g -,1 - -,5 g -,5 - -4,1633363e-17 g -,5 g,5 -,1 g,1 -,15 g
Méthodes de calcul [3/3] Méthode dynamique temporelle : Calcul aux E.F. Calcul du champ de contraintes initiales Analyse dynamique temporelle Analyse de Newmark avec déformations en cercle de glissement Post-traitement : analyse de Newmark déplacements acceptables? 1,8 Factor of Safety vs. Average Acceleration Slip Surface 1844 1,5 Average Acceleration vs. Time,6 Deformation vs. Time 1,6 1,5 Factor of Safety 1,4 1,2 1,8,6 k y =,29 g -1,5,4,1,2,3,4,5,6,7,8,9 1 2 4 6 8 1 12 14 16 Average Acceleration (g) Time (sec) Average Acceleration (g),5 -,5-1 k y =,29 g Deformation (m),4,3,2,1 2 4 6 8 1 12 14 16 Time (sec)
Démarche suivie Etude de sensibilité pour obtenir et comparer les résultats des différentes méthodes de calcul sur diverses configurations représentatives des retenues d altitude : { géométrie (H, pente) } { propriétés des matériaux (c, ϕ, G max ) } { aléa sismique région alpine T=5 ans, zone 4} Etude d un ouvrage réel, pour confronter nos hypothèses à des caractéristiques mesurées
vis-àvis de l aléa sismique Elevation 2 1 Etude de sensibilité 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 55 6 65 7 75 8 85 9 95 1 15 Distance 2 1 Elevation Combinaison Hauteur (m) Pente (V / H) c' (kpa) phi' ( ) 1 2 1/3 25 2 2 1/3 1 25 3 2 1/3 35 4 2 1/3 3 5 2 1/3 5 25 6 2 1/2,5 25 7 15 1/3 25 8 1 1/3 25 9 2 1/2 35 1 1 1/2 35 11 15 1/2 35 11 combinaisons (H, pente, c, ϕ ) 11 calculs pseudo-statique x 3 G max (V s 3-4-5 m/s) 33 calculs Seed et Makdisi x 7 accélérogrammes 231 calculs dynamiques temporels
Résultats des calculs dynamique temporels 1.4 1.3 1.2 1.1 1.9.8.7.6.5.4.3.2.1 Calculs dynamiques - Déplacements du remblai aval (m) dans les différentes configurations étudiées H2_P3_C_Phi25 H2_P3_C1_Phi25 H2_P3_C_Phi35 H2_P3_C_Phi3 H2_P3_C5_Phi25 H2_P2,5_C_Phi25 H15_P3_C_Phi25 H1_P3_C_Phi25 H2_P2_C_Phi35 H1_P2_C_Phi35 H15_P2_C_Phi35 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 H2_P3_C_Phi25_G5 H2_P3_C_Phi25_G3 H2_P3_C_Phi25_G18 H2_P3_C1_Phi25_G5 H2_P3_C1_Phi25_G3 H2_P3_C1_Phi25_G18 H2_P3_C_Phi35_G5 H2_P3_C_Phi35_G3 H2_P3_C_Phi35_G18 H2_P3_C_Phi3_G5 H2_P3_C_Phi3_G3 H2_P3_C_Phi3_G18 H2_P3_C5_Phi25_G5 H2_P3_C5_Phi25_G3 H2_P3_C5_Phi25_G18 H2_P2,5_C_Phi25_G5 H2_P2,5_C_Phi25_G3 H2_P2,5_C_Phi25_G18 H15_P3_C_Phi25_G5 H15_P3_C_Phi25_G3 H15_P3_C_Phi25_G18 H1_P3_C_Phi25_G5 H1_P3_C_Phi25_G3 H1_P3_C_Phi25_G18 H2_P2_C_Phi35_G5 H2_P2_C_Phi35_G3 H2_P2_C_Phi35_G18 H1_P2_C_Phi35_G5 H1_P2_C_Phi35_G3 H1_P2_C_Phi35_G18 H15_P2_C_Phi35_G5 H15_P2_C_Phi35_G3 H15_P2_C_Phi35_G18
Résultats des calculs dynamique temporels Influence de - l angle de frottement - la cohésion Déplacement (m) 1.8.6.4.2 H=2m _ P=1/3 _ C= G=5 G=3 G=18 Déplacement (m) 1.8.6.4.2 H=2m _ P=1/3 _ Phi=25 5 1 15 Cohésion(kPa) G=5 G=3 2 25 3 35 4 Angle de frottement phi ( ) G=18 Les déplacements prévus se réduisent assez rapidement lorsque l on s écarte des valeurs médiocres (pessimistes) de {c ; ϕ }
Résultats des calculs dynamique temporels Influence de - la hauteur de remblai - la pente Déplacement(m) Influence de la hauteur _ Pente = 1/2 - c = - Phi = 35.4.3.2.1 Déplacement(m) Influence de la pente _ Remblai H=2 m _ c = kpa _ Phi = 35.4.3.2.1 Pente 1/3 Pente 1/2 15 2 25 3 Angle ( ) de la recharge aval du remblai 5 1 15 2 25 Hauteur (m) Les déplacements prévus se réduisent assez rapidement lorsque l on adoucit la pente ou que l on diminue la hauteur de remblai
Résultats des calculs dynamique temporels Influence de la valeur de G max Déplacement (m) H15_P2_C_Phi35.3.25.2.15.1.5 1 2 3 4 5 6 Module de cisaillement initial Gmax 6756_2617_H15_P2_C_Phi35_G5 676_2617_H15_P2_C_Phi35_G5 6791_2621_H15_P2_C_Phi35_G5 6799_2621_H15_P2_C_Phi35_G5 682_2621_H15_P2_C_Phi35_G5 14683_1997114_H15_P2_C_Phi35_G5 16352_28529_H15_P2_C_Phi35_G5 Le module de cisaillement en petites déformations (G max ) a une influence significative sur les déplacements prévus. RQ: Paramètre mesurable in-situ, une fois l ouvrage réalisé. Importance du compactage
Comparaison des méthodes : Pseudo.statique vs Dynamique Moyenne calcul dynamique (m) 1.9.8.7.6.5.4.3.2.1 Gmax=18MPa Gmax=3MPa Gmax=5MPa Résultats pseudo-statique FS > 1 1 > FS >,8,8> FS Résultats dynamique Déplacements faibles(< 15 cm) Déplacements moyens(< 3 cm) Déplacements importants.6.7.8.9 1 1.1 1.2 1.3 FS Pseudo-Statique (k=,24) Pour une même valeur de FS en pseudo-statique, la variabilité des déplacements observée est liée à l amplification +/- importante, gouvernée par (H, G max ) qui influencent la période propre fondamentale du remblai Ceci souligne l apport des méthodes dynamiques / pseudo-statique
Comparaison des méthodes : Seed et Makdisi vs Dynamique Déplacement_ Calcul dynamique temporel(m) 1.9.8.7.6.5.4.3.2.1 Gmax=5 MPa Gmax=3 MPa Gmax=18 MPa Droite Y = 3.X..1.2.3.4.5.6.7.8.9 1. Déplacement Seed & Makdisi (m) Pour les configurations ici étudiées, les déplacements annoncés par la méthode dynamique temporelle sont supérieurs à ceux obtenus par S&M, selon un facteur multiplicatif compris entre 1 et 3. Toutefois, - la méthode de S&M reste utilisable, eu égard au niveau de précision de cette méthode relativement simplifiée ; - cette sous-estimation des résultats peut être compensée en se référant dans les abaques aux courbes hautes plutôt qu aux courbes moyennes
Etude d un ouvrage réel : barrage de classe B en zone 4 Analyse des données de projet et de suivi de chantier Campagne de mesures in-situ (essais pénétrométriques, campagne géophysique sismique : sismique réfraction, MASW)
Etude d un ouvrage réel : barrage de classe B en zone 4 Validation des hypothèses faites pour le calcul aux EF : d homogénéité du remblai sur sa hauteur de contraste de V S (et contraste d impédance mécanique) entre le remblai et sa fondation
3. Principaux enseignements, mise en perspective Influence attendue de certains paramètres : H, pente, c, ϕ Influence de paramètres moins triviaux : G max, courbe G/G max (γ) La variabilité des résultats de la méthode dynamique : traduit l influence de la variabilité du contenu fréquentiel de signaux utilisés. La dispersion croit avec la valeur moyenne du déplacement. Notre étude de sensibilité constitue une approche majorante : Aléa correspondant à T = 5 ans Modélisation avec frontières rigides : ne permet pas d amortissement radiatif Mécanisme de glissement étudié ici : Ne considère pas les éventuelles déformations liées aux tassements N a pas abordé la question de la stabilité de la couche de protection sur le DEG qui en glissant, pourrait déchirer le DEG et conduire à une saturation du remblai.
Merci pour votre attention. Grazie per l'attenzione.