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Wikibardig:Echelles et Déroulement des études géologiques et géotechniques

De Wikigeotech

Sommaire

Echelles des études géologiques

L’étude géologique est réalisée à différentes échelles pour différents objectifs.


A l’échelle du bassin-versant, elle permet d’indiquer l’aptitude à l’écoulement.


A l’échelle de la cuvette et ses abords, elle a pour but de :

- situer les zones d’emprunts de matériaux nécessaires à la construction ;

- analyser l’étanchéité de la cuvette : analyse des possibilités de fuite (i) par infiltration sur place au travers d’une couche poreuse ou imperméable insuffisamment développée reposant sur une assise perméable ; (ii) si la cuvette baigne une assise perméable ou des discontinuités (failles, schistosités, stratification, karst…) qui ont des points bas hors du bassin-versant ; (iii) si les assises dans lesquelles se développe la cuvette sont imperméables ou avec seule possibilité d’exutoire, le cours d’eau en aval du site (risque de contournement de l’ouvrage et des travaux d’étanchéité) ;

- définir les risques d’instabilités des versants : glissements anciens, amorces de glissements, secteurs dont la stabilité naturelle peut être compromise par les terrassements de chantier, la mise en eau ou les vidanges ultérieures. Sont étudiés : la nature des matériaux, leur disposition par rapport à la pente, la présence d’eau souterraine imbibant les matériaux et exerçant des sous-pressions ;

- analyser les apports solides principalement par l’étude des atterrissements naturels dans le lit du cours d’eau et la définition de leur origine dans le bassin versant. Des études plus fines peuvent être envisagées : mesures de turbidité, marquage d’alluvions, mise en place de pièges à matériaux…. Cette étude a pour but d’apprécier les risques d’engravement.


A l’échelle du site du barrage : elle vise à définir les conditions de fondation :

- pour la couverture de terrain : estimation de l’épaisseur, appréciation des propriétés géotechniques et hydrauliques. Souvent, l’épaisseur et la nature de ces terrains et de la zone altérée du substratum est telle que leur enlèvement n’est pas souhaitable ou ne peut être envisagé, notamment dans le cas de barrages de faible hauteur. L’ouvrage peut alors être fondé sur des terrains qui peuvent être sujets à des tassements différentiels. L’étude des terrains de couverture doit s’appuyer sur des reconnaissances pouvant aller de l’ouverture de quelques puits et tranchées superficielles jusqu’à une campagne complète de forages profonds et études géophysiques ;

- pour le substratum et sa zone d’altération : lorsque la couverture est d’épaisseur relativement faible, de mauvaise qualité ou inexistante, l’ouvrage sera fondé sur le substratum qui souvent pose moins de problème que les formations récentes. De tels sites se prêtent bien à des ouvrages en béton si le substratum est rocheux. L’étude vise à définir l’importance de la couche altérée ou décomprimée, celle-ci devant être enlevée ou subir un traitement particulier pour l’imperméabiliser ou la consolider. Elle doit mettre en évidence les accidents (failles, fractures, réseau de fissures) pouvant constituer de plans de discontinuité mécanique ou des zones de circulations d’eau privilégiées impliquant des risques de fuites ou sous-pressions. La photo-interprétation est un outil intéressant de détection de tels accidents. Elle est complétée par des investigations géophysiques calées sur quelques sondages et par des sondages accompagnés de mesures mécaniques, essais dilatométriques, diagraphies et essais de type Lugeon. Le creusement de tranchées, puits ou galeries peut être nécessaire.

Déroulement et objectifs des études géologiques et géotechniques

Plusieurs phases s’enchaînent lors d’un projet de barrage. Elles sont définies dans la norme NF P 94 500.

Etude géotechnique préalable (mission G1 NF P 94 500), phase Etude de Site (ES)

L’Etude de Site comprend une enquête documentaire, visant à rassembler les informations disponibles sur le site, ainsi qu’une visite de terrain (site et environnement). L’étude documentaire est basée sur les cartes géologiques existantes , études antérieures sur la région du site, histoire géologique du secteur (localisation et description d’affleurements, de gisements fossilifères, existence de cavités…).


L’ES a pour but de déterminer les grandes lignes de la géologie du site avant toute mise en œuvre de moyens de reconnaissance plus lourds. Son rôle est multiple :

- replacer le site dans son contexte géologique local et régional ;

- déceler d’éventuelles conditions géologiques rédhibitoires visibles immédiatement ;

- orienter la suite des études, et en particulier définir et implanter les travaux de reconnaissance ultérieurs ;

- éventuellement, affiner l’implantation du barrage en tenant compte de détails géomorphologiques ou autres.


L’aboutissement de cette première reconnaissance de terrain est l’établissement d’un diagnostic préliminaire (parfois dit de préfaisabilité) sur l’opportunité d’engager des études plus détaillées. Le site est alors classé en favorable, défavorable ou douteux.

Cette phase utilise différents moyens de reconnaissance.

Etude géotechnique préalable (mission G1 NF P 94 500), phase Principes Généraux de Construction (PGC)

Cette phase met en œuvre un ensemble d’études et d’investigations plus poussées afin :

- de confirmer l’absence de conditions géologiques ou géotechniques rédhibitoires pouvant invalider le diagnostic antérieur ;

- de préciser le contexte géologique de l’aménagement envisagé ;

- d’affiner progressivement la définition du type de barrage le mieux adapté à ce contexte et son implantation exacte ;

- de préciser, dans le cas d’un barrage en remblai, quel pourrait être le meilleur emplacement de l’évacuateur de crue ;

- d’orienter et de définir les reconnaissances qui seront nécessaires aux phases ultérieures du projet (AVP – Avant Projet).

Elle est associée à des études foncières, environnementales, économiques et d’aménagement local.

Au cours de cette étape, doivent être reconnues les caractéristiques essentielles du site et décelés, dans toute la mesure du possible, les problèmes importants pouvant amener à un diagnostic défavorable. S'il existe généralement une solution technique aux problèmes rencontrés, son coût peut être parfois disproportionné avec l'intérêt économique de l'ouvrage et en condamner la réalisation.

L’étude pourra comporter les étapes suivantes mettant en œuvre différents moyens de reconnaissance  :

- Visite approfondie du site et cartographie ;

- Etudes hydrogéologique et structurale ;

- Tranchées de reconnaissance à la pelle hydraulique ;

- Forages ;

- Topographie ;

- Interprétation et rédaction du rapport final.

L’interprétation des observations faites lors des visites de terrain et dans les diverses tranchées, ou forages réalisés, nécessite la construction de profils géologiques dont le nombre et l’emplacement sont à adapter à chaque cas d’espèce (généralement, un profil selon chaque axe envisagé pour le barrage, assorti de coupes perpendiculaires ou obliques à cet axe pour traduire la constitution géologique de la fondation ; des coupes dans les zones d’emprunt de matériaux du site prospectées peuvent aussi être dessinées). Le diagnostic final est ensuite porté sous forme d’un rapport passant en revue les différents problèmes pouvant se présenter sur un site de barrage, de la cuvette de retenue aux matériaux disponibles à proximité du site.

Les conclusions de l’étude préalable portent sur deux aspects importants :

- le choix du type (éventuellement des types) de barrage le (ou les) mieux adapté(s) au contexte géologique mis en évidence par l’étude, avec une attention particulière apportée à la valeur de la fondation, et en tenant aussi compte des disponibilités en matériaux utilisables sur le site

- La définition précise des campagnes de travaux de reconnaissance à entreprendre lors des phases ultérieures d’étude. Elle permet une continuité dans la progression des investigations, en prévoyant les moyens nécessaires pour répondre aux questions soulevées ou combler les lacunes d’observation subsistant à l’issue de l’étude préalable.


Dans cette étape si nécessaire les différentes variantes envisageables en revue sont passées en revue en chiffrant de manière approchée, mais réaliste, le coût de chacune.

Etude géotechnique de conception (G2), phase Avant Projet

Le but de l’Avant Projet est de définir les grandes lignes de l’ouvrage, répondant aux besoins exprimés par le client et adapté à son contexte.

Les étapes suivantes, impliquant différents moyens de reconnaissance, sont mises en œuvre pour aboutir à un AP :

- Reconnaissances détaillées de terrain

- Interprétations des reconnaissances

- Essais géotechniques et de laboratoire

- Synthèse.


Un rapport final établi après réalisation de toutes les étapes précédentes, comprend :

- une synthèse de toutes les études géologiques entreprises depuis le début des études ;

- la synthèse géotechnique évoquée ci-dessus;

- la définition des reconnaissances d’AP (Avant Projet) (forages carottés, prélèvements intacts ou remaniés, géophysique, essais géotechniques en laboratoire et in situ...) ;

- le choix argumenté du type d’ouvrage le mieux adapté au site ;

- une esquisse préliminaire du barrage (zonage, pentes, ancrage, purge...) et un avis sur le traitement de la fondation et le cas échéant de la cuvette.

Etude géotechnique de conception (G2), phase Projet

Sauf cas particulier, la géologie est déjà bien connue à ce stade, et seules des reconnaissances ponctuelles sont généralement nécessaires. Cependant, en cas de modification significative de l’implantation du barrage (ou du seul axe de l’organe d’étanchéité) depuis les reconnaissances d’Avant Projet, de nouveaux forages carottés avec essais d’eau sont nécessaires sur le nouvel emplacement. C’est en revanche à ce stade des études que la plus grande partie des études géotechniques proprement dites (mécanique des sols ou des roches selon le cas) est généralement réalisée et nécessaire : prélèvements d’échantillons et réalisation d’essais de laboratoire .

Moyens de reconnaissance

Moyens mis en œuvre au cours de l’Etude géotechnique préalable mission (G1 NF P 94 500), phase Etude de Site (ES)

Sur la base d’un examen des cartes géologiques existantes, et de l’observation de photographies aériennes et/ou satellites, la visite de l’ES comporte a minima un parcours de la zone d’implantation du barrage et de tout ou partie de la cuvette de retenue. Elle peut s’étoffer d’une cartographie géologique à une échelle adaptée, du lever de coupes lithostratigraphiques avec prise d’échantillons et de mesures (pendages). L’utilité de la photogéologie réside notamment dans la possibilité qu'elle offre de mettre en évidence des structures non directement observables sur le terrain, grâce à l’intégration de multiples détails que permet le recul de la prise de vue aérienne, et parfois des traits géomorphologiques de grande ampleur difficilement visibles au sol ou masqués (végétation...). L’examen des photographies aériennes fournit aussi des indications sur le couvert végétal et l’occupation des sols dans le bassin versant. L’examen de photographies aériennes multi-échelles et multi-dates peut être profitable, les indices étant parfois masqués par la végétation ou l’évolution de surface. Elles se révèlent utiles pour les études hydrologiques et l’analyse des transports solides du cours d’eau.

Moyens mis en œuvre au cours de l’étude géotechnique préalable (mission G1 NF P 94 500), phase Principes Généraux de Construction

Visite approfondie du site et cartographie

Si nécessaire, elle complète et affine la visite de site réalisée lors de la phase précédente. Parmi les observations à réaliser, une attention particulière doit être apportée à la détection de phénomènes d’instabilité, tant au niveau du site de barrage proprement dit, que dans et autour de la cuvette de retenue (glissements de terrains, coulées de solifluxion, chutes de blocs, talus, parois rocheuses ou versants entiers instables ). La présence d’instabilités de grande ampleur constitue généralement une circonstance très défavorable pour les barrages.

Etudes hydrogéologique et structurale

Ces études sommaires sont réalisées au cours de la visite approfondie du site et peuvent conduire, selon les cas, soit à une cartographie particulière, soit à de simples renseignements sur la carte géologique d’ensemble.

Pour l’hydrogéologie, on procède généralement à un inventaire des puits, sources, résurgences… Les résultats de l’étude hydrogéologique peuvent dépendre assez fortement de la saison de sa réalisation et de la pluviométrie des mois ou des années antérieures. Les conséquences sur le projet doivent donc en être tirées avec précaution, en s’assurant notamment que les cas les plus défavorables ont bien été identifiés et envisagés.

L’étude structurale consiste en un relevé des principaux traits structuraux du site (pendages, directions et densité des discontinuités, accidents faillés importants, structures plissées...). Elle permet d’étayer le diagnostic pour ce qui concerne la valeur mécanique et les conditions d’étanchéité de la fondation. Ce diagnostic oriente parfois le choix du type d’ouvrage le mieux adapté et contribue, en général, à la définition et à l’implantation des travaux de reconnaissance ultérieurs.

Tranchées de reconnaissance à la pelle mécanique

Les tranchées à la pelle mécanique concernent les reconnaissances du site où seront implantés l’ouvrage, les zones d’emprunt dans le cas d’un barrage en terre et éventuellement le diagnostic d’étanchéité de la cuvette. Elles permettent d’obtenir à faible coût, dans un laps de temps réduit, une importante quantité d’informations : levé des horizons traversés, prélèvements d’échantillons remaniés ou intacts des différents horizons, niveau d’apparition d’eau. Il convient en particulier de vérifier s’il n’existe pas de lit fossile du cours d’eau, décalé du lit actuel par les divagations de celui-ci ou par l’intervention humaine.

DSC06849.JPG DSC06851.JPG(Photos S. Nicaise)

Ces tranchées peuvent donner lieu à des essais de perméabilité lorsqu’il est opportun d’estimer sommairement le coefficient de perméabilité des terrains de fondation (essais de type LEFRANC par exemple).

Forages

P1010021.JPG Les forages permettent d’étendre les investigations dans tous les types de terrains, à des profondeurs plus importantes que celles permises par les tranchées à la pelle. Les sondages destructifs permettent de reconnaître les terrains en profondeur, et de les qualifier par des diagraphies ou essais. Les sondages carottés, plus coûteux, permettent de reconnaître les terrains de manière plus fiable et de prélever des échantillons intacts ; ils peuvent également être complétés par des diagraphies pour affiner la reconnaissance. L’enregistrement des paramètres de forage donne un renseignement en continu sur la nature des terrains traversés.

Les forages doivent être accompagnés d’essais d’eau (type LEFRANC ,gravitaire, en terrains meubles  ; type LUGEON , en pression, en terrains rocheux), notamment sur l’axe des organes d’étanchéité.

(Photo S. Nicaise)

Topographie

Le nivellement des tranchées et surtout des forages est indispensable afin de permettre de bonnes corrélations entre leurs coupes respectives.

Moyens mis en œuvre au cours de l’Etude géotechnique de conception (G2), phase Avant Projet

Reconnaissances détaillées de terrain

Les reconnaissances pratiquées sont généralement les suivantes :

- lever topographique détaillé  : c’est généralement lors de cette phase d’étude que sont réalisés les levers topographiques du site de barrage et de la cuvette de retenue. Tous les sondages et tranchées réalisés dans la fondation de l’ouvrage étudié et dans la cuvette doivent être reportés sur les plans détaillés.

- tranchées à la pelle sur le site : cette technique est souvent utilisée au stade des reconnaissances d’avant-projet pour compléter les investigations, éclaircir d’éventuelles zones d’ombre, étudier une ou plusieurs variantes d’implantation du barrage et s’il y a lieu de l’évacuateur de crues.

- géophysique  : les fondations rocheuses font à ce stade l’objet de reconnaissances par sismique réfraction ou par petite sismique ;

- forages carottés  : ils sont très généralement pratiqués à ce stade des études, essentiellement sur l’axe du barrage (et/ou celui de l’organe d’étanchéité), plus rarement dans la cuvette de retenue ou sur les gîtes de matériaux (étude de problèmes particuliers, couverture importante, reconnaissance d’emprunts sur de grandes épaisseurs ou de carrières d’enrochements...) ;

- prospection détaillée des zones d’emprunt (cas des barrages en remblai), avec prélèvements d’échantillons  : elle consiste en des tranchées à la pelle selon une maille plus serrée que lors des premières investigations, avec prise d’échantillons remaniés ;

- reconnaissance des gîtes d’agrégats pour béton (classique ou BCR) : ils sont reconnus à la pelle comme pour les zones d’emprunt ; quant à la prospection de carrières potentielles, elle comprend l’étude des niveaux rocheux concernés (nature pétrographique, étude structurale, densité de fracturation, épaisseur de découverte), assortie si nécessaire de forages carottés, et de géophysique ;

- essais in situ, notamment pénétromètre : ils complètent les données acquises par les autres méthodes de reconnaissance, et permettent de définir des valeurs mécaniques caractéristiques. Ils sont un moyen intéressant et peu coûteux pour interpoler les résultats entre deux forages ou les investigations géophysiques. Selon les conditions du site, des pénétromètres dynamiques ou statiques (Cone Penetration Test – CPT) pourront être utilisés.

Interprétation des reconnaissances

Le géologue établit selon l’importance de l’ouvrage envisagé, la nature géologique du site et les problèmes rencontrés, en tant que de besoin les documents suivants : coupes géologiques, profils de perméabilité et de fracturation, diagrammes structuraux.

Essais géotechniques en laboratoire

Une partie plus ou moins importante des essais nécessaires est réalisée à ce stade d’étude en fonction des différents critères (taille de l’ouvrage, contraintes budgétaires ou foncières, habitudes du bureau d’études...).

Synthèse géotechnique

Elle est établie sur la base des comptes rendus d’essais en laboratoire, de reconnaissances et de mesures in situ, et s’attache à distinguer des familles de matériaux homogènes, tant en fondation que dans les zones d’emprunt, en indiquant pour chacune les fourchettes de valeur des différents paramètres mesurés.

Les premiers calculs de stabilité peuvent être réalisés à partir de cette synthèse et permettent de définir le(s) profil(s) probable(s) pour les barrages en terre, le niveau de fondation pour les autres types de barrages. La synthèse géotechnique doit aussi comporter un diagnostic sur la disponibilité en matériaux du site, selon le type de barrage envisagé, et attirer éventuellement l’attention sur la nécessité de prospecter de nouvelles zones d’emprunt avant le début des travaux.

Moyens mis en œuvre au cours de l’Etude géotechnique de conception (G2), phase Projet

Les études géologique et géotechnique de Projet comprennent tout ou partie des éléments suivants, de manière très variable selon les caractéristiques de chaque ouvrage (importance, complexité, type de barrage...) :

-Reconnaissance complémentaire éventuelle de la fondation du barrage et des ouvrages annexes (en particulier : fondation des ouvrages annexes tels qu’évacuateur de crues, galeries de vidange, de dérivation, de visite, tour de prise, barrages secondaires s’ils n’étaient pas envisagés lors de l’AP), notamment en cas de terrains peu consistants, de changement d’implantation, ou de reconnaissances antérieures insuffisantes (problèmes fonciers par exemple) : tranchées à la pelle, sondages carottés avec essais d’eau et/ou prélèvement d’échantillons « intacts », essais in-situ (pénétromètre...) ;

- Reconnaissance détaillée des zones d’emprunt de matériaux par tranchées à la pelle, avec prélèvements pour essais en laboratoire ;

- Essais géotechniques en laboratoire (mécanique des sols et/ou des roches ) sur échantillons intacts et remaniés, de la fondation et des emprunts ;

- Analyses chimiques, radiométriques, sur les matériaux d’emprunt ou sur des terrains de fondation.

- Synthèse géotechnique (et géologique le cas échéant) de la fondation et des matériaux d’emprunt, débouchant sur la réalisation de calculs de stabilité permettant de définir le profil du barrage (en terre) ou le niveau de fondation des ouvrages rigides.

- Choix définitif des axes (ouvrages principal et annexes, étanchéité), du type d’ouvrage, de ses matériaux constitutifs.

- Définition précise de la nature et de la forme des organes d’étanchéité, du zonage du barrage le cas échéant, des casiers d’emprunt, des conditions de mise en œuvre des matériaux, des dispositifs d’auscultation de la fondation et du barrage.

- Recommandations pour la conduite des travaux et le suivi de l’ouvrage en service : précautions à prendre, notamment pour la stabilité des versants et talus d’excavations en cours de travaux et lors de vidanges de la retenue ; maîtrise de la teneur en eau pour l’édification de barrages en remblai ; points d’arrêt nécessitant une réception par le géologue avant poursuite des travaux ; dispositions de détail à arrêter en fonction des observations faites lors des travaux...

Rappel des liens accessibles sur cette page :


Références

CFBR (Comité Français des Grands Barrages), 2002. Petits barrages : recommandations pour la conception, la réalisation et le suivi. Coordination Gérard Degoutte. Cemagref Editions-2° édition.

Ministère de l’Agriculture, 1977- Technique des Barrages en Aménagement Rural, Paris, 326 p., réédition 1989.

NF P 94-500 du 30 novembre 2013: missions d’ingénierie géotechniques, classification et spécifications

CFBR (Comité Français des Grands Barrages), 2015. Recommandations pour la justification de la stabilité des barrages et des digues en remblai. Guidelines for the justification of embankment dams and levees.

http://www.barrages-cfbr.eu/Recommandations.html


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