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Wikibardig:Zones inondées par la rupture du barrage.
Sommaire |
La rupture d’un barrage entraine la libération de l’eau stockée, à l’amont, dans la retenue. La zone située à l’aval de l’ouvrage est alors inondée de manière plus ou moins importante selon son éloignement de l’ouvrage, le volume de la retenue, la hauteur du barrage, le type de rupture (partielle, totale) ,…
Rupture : Causes et conséquences
Les origines de la rupture d’un barrage sont multiples (dysfonctionnement des ouvrages et dispositifs d’évacuation, mécanisme de dégradation comme l’érosion externe ou interne …) et souvent liées à un élément « déclencheur » externe à l’ouvrage tel que un séisme, une crue exceptionnelle, le premier remplissage, une maintenance insuffisante.
Mécanismes de rupture selon le type de barrage
Les mécanismes de rupture sont différents selon le type du barrage :
- Surverse ;
- Erosion interne dans le remblai ou en fondation ;
- Glissement du talus amont ou aval et potentiellement de la fondation.
Barrages poids (béton et maçonnerie)
- Cisaillement (glissement, renversement) dans :
- Le corps de l’ouvrage ;
- A l’interface barrage/fondation ;
- En fondation.
- Cisaillement dans la fondation.
Caractéristiques générales d’une onde de submersion
Une rupture de barrage entraîne la formation d'une onde de submersion se traduisant par une élévation brutale du niveau de l'eau à l'aval pouvant avoir des impacts dévastateurs sur les personnes, les biens et l’environnement.
La carte du risque représente les zones menacées par l'onde de submersion qui résulterait d'une rupture de l'ouvrage. Obligatoire pour les grands barrages, cette carte fournit, dès le projet de construction, les caractéristiques de l'onde de submersion en tout point de la vallée : hauteur et vitesse de l'eau, délai de passage de l'onde, etc. Les enjeux et les points sensibles (hôpitaux, écoles, etc.) y figurent également.
L'onde de submersion est divisée en 3 zones, depuis le barrage vers l'aval :
- la zone de proximité immédiate : dommages importants et étendue justifiée par des temps d'arrivée du flot incompatibles avec les délais de diffusion de l'alerte auprès des populations voisines par les pouvoirs publics, en vue de leur mise en sécurité ;
- la zone d'inondation spécifique : elle s'arrête en un point où l'élévation du niveau des eaux est de l'ordre de celui des plus fortes crues connues ;
- la zone d'inondation : l'élévation du niveau des eaux est comparable à une inondation naturelle.
Dans le Plan Particulier d’Intervention (PPI) ou plan d’alerte des mesures spécifiques sont prévues pour les zones de proximité immédiate et d'inondation spécifique.
Calcul de l’onde de submersion
Le calcul de l’onde de submersion est nécessaire pour appréhender les risques à l’aval et rédiger le PPI, qui est obligatoire pour les grands barrages (plus de 20 mètres de haut et 15 millions de m3). Pour les ouvrages de moindre importance, aucune disposition d’alerte spécifique n'est obligatoire mais, par exemple au sein de l’étude de danger de l’ouvrage, il importe de déterminer les zones susceptibles d'être submergées (et les caractéristiques de l'onde dans ces zones) afin de pouvoir juger si la sécurité publique est en cause et éventuellement prévoir des dispositions particulières.
Pour la détermination des zones submergées, les moyens de calcul modernes ont permis d'apporter des réponses diversifiées. Les méthodes de calcul sont, en général, constituées de 2 étapes séparées :
- la simulation du phénomène de rupture de l'ouvrage qui permet d'obtenir l'hydrogramme au droit du barrage ;
- la simulation de la propagation de l'onde dans la vallée à l'aval qui donnera, en général, en tout point, les caractéristiques suivantes : la hauteur d'eau maximale, la vitesse maximale et le temps d'arrivée de l'onde.
En ce qui concerne la première étape de rupture de l’ouvrage ou plus exactement l'obtention de l' hydrogramme au droit du barrage, les méthodes sont très diverses. On peut distinguer :
- a) celles qui supposent une rupture instantanée (totale ou partielle) de l'ouvrage avec soit utilisation d'une formule simplifiée, soit calcul de ligne d'eau ;
- b) celles qui supposent une rupture progressive de l'ouvrage avec soit variation linéaire des caractéristiques de la brèche, soit utilisation d'un modèle d'érosion ;
- c) celles qui partent d'une analyse statistique des ruptures réellement observées pour obtenir une relation entre le débit de pointe au droit du barrage et différentes caractéristiques du barrage ou de la retenue (en général, hauteur du barrage et volume de la retenue).
Logiciel de calcul
INRAE a développé trois logiciels de calcul pour estimer l’importance de l’onde de submersion:
- CASTOR, logiciel qui vise à donner un ordre de grandeur des niveaux atteints dans la vallée afin d'estimer rapidement si le danger est réel. Le logiciel effectue un calcul simplifié mais donne aussi des renseignements complémentaires tels que le débit de pointe au barrage, le débit maximal du flot, la vitesse maximale ainsi que le temps d'arrivée de l'onde.
Le logiciel CastorDigue développé pour les ruptures de digues effectue des calculs similaires et peut fournir, en outre, un hydrogramme de rupture.
- RUBAR 3 , logiciel qui est utilisé pour le calcul d'onde de rupture de barrage dans le cadre de l'établissement des plans d'alerte réglementairement exigés en FRANCE pour les grands barrages. En matière de propagation d’onde, le logiciel permet de simuler la propagation d'une onde issue soit d'une rupture instantanée de barrage (on partira d'un "mur d'eau"), soit d'une rupture progressive (pour laquelle l'hydrogramme au droit du barrage est soit calculé directement par Rubar 3 si la retenue et le barrage sont décrits au sein du modèle, soit calculé par d'autres logiciels tels CastorDigue d'INRAE qui inclut un modèle d’érosion simplifié permettant de simuler l’ouverture progressive d’une brèche dans un remblai en terre). La version de Rubar 3 avec transport sédimentaire RubarBE permet une approche plus complète en simulant l’évolution topographique du fonds de la vallée en même temps que la propagation de l’onde.
- RUBAR 20 , logiciel bidimensionnel qui reprend les avancées apportées par le logiciel unidimensionnel Rubar 3 mais permet, en plus, de traiter les situations où l’écoulement devient complexe. Son couplage avec Rubar 3 permet de traiter aisément toutes les configurations. Il dispose également d’une version (Rubar 20 TS) qui permet de simuler l’évolution des fonds en cours de calcul.
https://riverhydraulics.inrae.fr/outils/modelisation-numerique/modelisation-2d-rubar20ts/
Exemples de ruptures
| Au niveau mondial, entre 1959 et 1987, 30 accidents de rupture de barrages ont été recensés, faisant 18 000 victimes.
La plupart des ruptures intéressent des barrages jeunes. Celles-ci surviennent le plus fréquemment au cours des dix premières années (70 %) et plus spécialement pendant la première année (au cours du premier remplissage). Le taux de rupture des barrages en remblai est d’environ deux fois plus élevé que celui des barrages en béton ou en maçonnerie. Le pourcentage de ruptures a décru au cours des quatre dernières décennies. 2,2 % des barrages construits avant 1950 se sont rompus. Le taux de rupture relatif aux barrages construits depuis 1951 est inférieur à 0,5 %. Ce sont les barrages construits au cours de la décennie 1910-1920 qui ont subi le taux de rupture le plus élevé. (Source Site du CFBR) |
Exemples de ruptures en France
Les ruptures de grands barrages sont heureusement extrêmement rares en France. Deux cas ont marqué l’histoire : la rupture du barrage de Bouzey (Loire), barrage en maçonnerie en 1895 et la rupture du barrage de Malpasset (83), barrage voûte, en 1959. Ces deux ruptures ont entraîné la mort de 540 personnes, soit immédiatement après la rupture ou dans les jours suivant du fait des conditions sanitaires) ainsi que des dégâts matériels considérables sur les bâtiments, terres agricoles... . Il s’agit d’accidents majeurs en termes de rupture de barrage. Ils ont mené à des recherches pour une meilleure connaissance des phénomènes ainsi qu’à la création d’organismes techniques et de règlementations spécifiques.
Barrage du Bouzey
Le barrage du Bouzey était, à l’origine, un barrage en maçonnerie destiné à la constitution d'une réserve d’eau pour l'alimentation du canal de navigation des Vosges anciennement appelé Canal de l’Est. La construction du barrage s’est déroulée de 1878 à 1881.
En mars 1884, le barrage glisse (partiellement) sur sa fondation vers l’aval, sur 35 cm et sur une longueur de 135m.
Suite à ce glissement, des travaux de renforcement par l’aval sont entrepris. Création de puisards dans la partie centrale et création d’une butée de pied.
Le 27 avril 1895, alors que la retenue est sensiblement pleine, une brèche subhorizontale de 170 m de longueur s’ouvre brutalement dans le corps du barrage, à une hauteur moyenne de 10 m environ sous le niveau du plan d’eau. Une onde de submersion est générée et ravage l’aval du site.
Schéma de rupture du barrage de Bouzey (INRAE – G2DR)
Cette rupture a conduit Maurice Lévy à édicter, vers 1900, des règles de calcul de stabilité tenant compte des sous pressions, ce qui a été un progrès décisif pour lutter contre ce mécanisme.
Le barrage a été, par la suite réhabilité et consolidé.
Barrage de Malpasset
Le barrage de Malpasset était un barrage voûte de 66,5 m de hauteur construit entre 1952 et 1954, sur la rivière Reyran et la commune de Fréjus dans le var. La rupture du barrage a eu lieu le 2 décembre 1959, causant 423 victimes. A la suite de cette catastrophe, le Comité Technique Permanent des Barrages et Ouvrages Hydraulique sera créé, et une réglementation détaillée sur les ouvrages hydrauliques sera mise en place.
Exemples de ruptures dans le monde
Barrage de Saint Francis
Le barrage de Saint-Francis est un ouvrage-poids en béton, de hauteur 62,50 m. Il été construit entre 1924 et 1926, il est légèrement arqué. Le parement amont est subvertical. Le fruit moyen des parements est de 0,75 H/1V.
Le barrage est fondé en rive gauche, vallée et moitié de la rive droite sur des schistes, souvent fortement cisaillés parallèlement à la pente gauche. En haut de rive droite, il est fondé sur des conglomérats rougeâtres. Il n’y a pas de drainage de rives. Il n’y a pas de système d’étanchéité et de drainage en fondation, (bêche, rideau d’injection, forages, puits de décompression).
La rupture s’est produite au premier remplissage le 12 mars 1928. La retenue est pleine depuis une semaine. De faibles fuites sont constatées dans le corps du barrage, mais les écoulements en fondation sont plus importants. Ces écoulements s’intensifient rapidement quelques heures avant la rupture. Cette catastrophe a fait 431 victimes.
Les conclusions de expertises post rupture mettent toutes en avant les fondations défectueuses caractérisées par :
- en rive gauche, un paléo-glissement, qui a été réactivé lors de la rupture et, semble-t-il, avant la rupture proprement dite ;
- En rive droite présence de conglomérats gypsifères, possiblement sensibles à des phénomènes de contraction sous submersion.
(Source : Deroo L., Jimenez B., 2011.)
Des ruptures ont affecté des barrages poids dans le monde dont les exemples cités ci dessous :
- Barrage de Puentes, Espagne, 50 m de hauteur, retenue de 52 hm3 la rupture s’est produite en 1802 : 608 victimes ;
- Barrage d’Austin, USA, 15 m de hauteur, retenue de 1 hm3, la rupture s’est produite en 1911 : 78 victimes ;
- Barrage de Tigra, Inde, 25 m de hauteur, larupture es intervenue en 1917 lors d’une crue ;
- Barrage de Chikkahole, Inde, 30 m de hauteur la rupture est intervenue en 1972 lors d’une crue ;
- Barrage de Camara, Brésil, barrage en BCR, de hauteur 50 m. La rupture est intervenue en 2004 lors du premier remplissage.
Barrage de Teton (USA)
Le barrage de Teton est un barrage en remblai construit entre 1972 et 1976, sur la rivière Teton, dans l’état de l’Idaho aux Etat Unis. Sa hauteur est de 93 m, le volume de la retenue est de 356 hm3 . La rupture est survenue lors de la première mise en eau le 5 juin 1976. Le bilan fait état de 11 morts, et de la perte de 13 000 têtes de bétail.
Le scénario de la rupture s’est déroulé sur 5 heures :
Une première fuite de 50 l/s est apparue à 7H en rive droite. A 7H30 une source d’eau chargée (400 l/s à 600 l/s) est observée 50 m plus bas. A 9H10 le débit de cette source s’élève à 1,1 m3/s, une gouttière d’érosion apparaît. A 10 H30 le débit de la première fuite est de 0,5 m3/s, la gouttière d’érosion s’accroît. A 10h40 l’ordre d’évacuation est donné à l’aval. A 11h57 la rupture est complète.
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La première photo a été prise à 10H45, la dernière, à 10H57 (Rupture totale).
L’érosion interne dans la clé d’étanchéité de l’appui rive droite est la cause de la rupture. Les différentes composantes du scénario sont :
- défaut du traitement par injection du rocher (très fissuré) ;
- mauvaise réalisation du noyau dans la clé d’étanchéité (21 m de profondeur remplie avec les matériaux du noyau) : les parois raides entrainent un transfert de charge qui conduit à appliquer sur les silts de fond de tranchée une contrainte totale trop faible cela conduit à un claquage hydraulique dont la conséquence sont des écoulements violents dans les joints les plus larges du rocher fissuré ;
- absence de parades au développement de fissures et fuites.
Des ruptures ont affecté d’autres barrages en remblai dans le monde :
- 1864: le réservoir de Dale Dyke en Grande-Bretagne inonde la ville de Sheffield.
Barrage de Vajont (Italie)
Construit de 1956 à 1959 et mis en eau en 1960, le Barrage de Vajont se situe dans la province de Pordenone (PN), dans la région du Frioul-Vénétie-Julienne, au pied du mont Toc, le long du cours du torrent Vajont.
Il s’agit d’un barrage voûte en béton en double courbure de 261 m de haut pour une capacité de rétention de 169 millions de m³. A l’époque, c’est le barrage le plus haut du monde.
Au soir du 9 octobre, un énorme glissement de terrain (260 millions de m3) d’une vitesse estimée à 90 km/h s’est produit dans la retenue
L’éboulement comble quasi instantanément le lac. Deux vagues de 25 millions de m3d'eau chacune se propagent en aval et en amont du lac de retenue. Une vague de plus de 150 mètres de haut franchit le barrage et s’engouffre dans la gorge en direction de Longarone.
A l’aval de l’ouvrage, l’onde générée par la rupture a détruit plusieurs villes et villages dont la ville de Longarone. De nombreux petits villages situés à proximité, à l’amont du lac, sont atteints par la vague « amont ». Le bilan de la catastrophe fait état de 1900 à 2100 victimes décédées.
Le barrage n'a pratiquement pas été endommagé ; seules les installations annexes (salle de contrôle, équipements...) ont été détruites.
Les causes de la rupture résultent de la conjonction de plusieurs facteurs défavorables confirmés par les investigations post-accident :
- une configuration géologique complexe du site avec une particularité du versant septentrional du mont Toc présentant notamment une surface de glissement en forme de « chaise » selon un plan de litage courbé,
- les variations de niveau du lac de retenue,
- la pluviosité. Les fortes pluies de la semaine précédant l’accident auraient alourdi le terrain et partiellement lubrifié le plan de glissement.
Un accident du type de ce qui s’est produit à Vajont en 1963 est inédit en France et reste extrêmement rare dans le monde.
Le barrage, est, depuis la catastrophe désaffecté.
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 Barrage de Vajont : état du coteau après le glissement.
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| Barrage de Vajont |
Pour plus de détail on consultera la fiche extraite de la base ARIA consacré à cette catastrophe.
https://www.aria.developpement-durable.gouv.fr/fiche_detaillee/23607-2/
Des ruptures ont affecté d’autres barrages voûte dans le monde :
- Barrage de Gleno, Italie, Barrage multi voutes, 55 m de hauteur , retenue de 8 hm3 ,la rupture s’est produite en 1923 : 356 victimes ;
Références
http://www.paca.developpement-durable.gouv.fr/
Base de données ARIA (Analyse, Recherche et Information sur les Accidents): https://www.aria.developpement-durable.gouv.fr/
Carvajal C., 2015. Cours polytech Clermont Ferrand - Les métiers d’ingénieur Génie Civil des barrages.
CIGB/ICOLD, 2000. Bulletin 117 – Le barrage poids un barrage d’avenir. Synthèses et recommandations.
Deroo L., Jimenez B., 2011. Notes sur l’accidentologie des barrages-poids, Notes on Gravity dams accidentology, exposé au colloque technique du CFBR (Comité Français des Barrages et Réservoirs) « pratique des Etudes De Dangers (EDD) ». Lyon novembre 2011.
El Kadi AbderrazzaKk, K., Paquier, A. - 2011. Applicability of sediment transport capacity formulas to dam-break flows over movable beds. Journal of Hydraulic Engineering-ASCE, vol. 137, n° 2, p. 209-221
Grataloup, D., Touileb, B., Vacherat P., 2013. Diagnostic de sureté et programme de réhabilitation du barrage réservoir de Bouzey, exposé au colloque technique du CFBR (Comité français des barrages et réservoirs), « modernisation barrages ».
Mercklé S., 2012. Cours ENGEES (École Nationale du Génie de l'Eau et de l'Environnement de Strasbourg) – Pathologies et modes de rupture des barrages.
Mercklé S., 2012. Cours ENGEES (École Nationale du Génie de l'Eau et de l'Environnement de Strasbourg) – Dimensionnement et construction barrages en béton.
Paquier A., Robin O., 1995 - Une méthode simple pour le calcul des ondes de rupture de barrage. Houille Blanche n°8, Pages 29-34.
Paquier, A. - 2007. Testing a simplified breach model on impact project test cases. 32nd congress of IAHR, Venice, ITA, Juillet 2007. 8 p.
Paquier, A., Goutal, N. - 2016. Dam and levee failures: an overview of flood wave propagation modeling. Houille Blanche, n° 1, p. 5-12.
Paquier, A., Bazin, P. - 2012. Coupling 1-D and 2-D models for simulating floods: definition of the exchange terms. Simhydro 2012 12/09/2012-14/09/2012, Sophia Antipolis - Nice, FRA. SimHydro 2012 :New trends in simulation. Gourbesville, P. (Eds). 8 p.
Paquier, A. - 2015. Comparison of three methods assessing the inundation caused by the erosion of an embankment. Houille Blanche, n° 4, p. 32-38.
Renzoni, J., Paquier, A., Cogoluègnes, A. - 2005. Un outil d'estimation rapide du risque d'inondation à l'aval d'une digue. Méthodes et premières étapes de validation. Ingénieries - E A T, n° Spécial Sécurité des digues fluviales et de navigation, p. 47-53.
Pour plus d'information sur l'auteur : INRAE - UMR RECOVER - Equipe G2DR
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