interaction entre les écoulements d`eau et le - Infoterre

MINISTÈRE DE L'INDUSTRIE ET DE LA RECHERCHE
BUREAU DE RECHERCHES GÉOLOGIQUES ET MINIÈRES
SERVICE GÉOLOGIQUE NATIONAL
B.P. 6009 - 45018 Orléans Cedex - Tél.: [phone]
INTERACTION ENTRE LES ÉCOULEMENTS D'EAU
ET LE COMPORTEMENT MÉCANIQUE DES MASSIFS
DE SOLS OU DE ROCHES
par
C. LOUIS - J.-L DESSENNE - B. FEUGA
Département géologie de l'aménagement
Division géotechnique
B.P. 6009 - 45018 Orléans Cedex - Tél.: [phone]
76 SGN 285 AMEAoût
1976

PREAMBULE
Ce rapport est l'adaptation française d'un texte paru en anglais
dans les comptes rendus du Symposium NMSR [Numerical Methods in Soil or Rock
Mechanics] organisé en septembre 1-975 par l'Université de Karlsruhe (RFA],
et publié également dans une version un peu différente sous forme de rapport
méthodologique (76 SGN 285 AME].
Ce travail méthodologique a été réalisé sur fonds propres du
Département géologie de l'aménagement (crédits du ministère de l'Industrie
et de la Recherche].

SOMMAIRE
Pages
RESUME
1 - INTRODUCTION 1
2 - EXEMPLES PRATIQUES 1
3 - CARACTERISTIQUES HYDRAULIQUES DU MILIEU 7
4 - LOIS D'ECOULEMENT DE L'EAU DANS LES MASSIFS ROCHEUX 11
4.1 - Cas des milieux poreux 11
4.2 - Cas des milieux fracturés 11
5 - DETERMINATION DES CARACTERISTIQUES HYDRAULIQUES DU MILIEU .... 15
6 - SIMULATION DES PHENOMENES HYDRAULIQUES OU MECANIQUES 18
7 - ACTION MECANIQUE DE L'EAU SUR LE MASSIF 19
8 - PRINCIPE DU COUPLAGE DES MODELES HYDRAULIQUE ET MECANIQUE .... 22
9 - VARIATIONS DES CARACTERISTIQUES HYDRAULIQUES DES ROCHES OU
DES SOLS 25
9.1 - Observations préliminaires 25
9.2 - Relation entre perméabilité et état de contrainte 25
9.3 - Relation entre perméabilité et température 27
10 - EXEMPLE PRATIQUE 27
11 - CONCLUSION 34
BIBLIOGRAPHIE 35

RESUME
De nombreux problèmes de géotechnique doivent être résolus en
tenant compte de la présence de l'eau dans les massifs (sols et roches].
C'est le cas non seulement pour l'étude de barrages, mais également pour
l'analyse du comportement d'excavations souterraines ou de surface, de
talus, etc., réalisés en milieux aquifères. Après avoir rappelé les lois
régissant les effets mécaniques dus aux écoulements d'eau dans les massifs, les
auteurs montrent par quels moyens ces effets peuvent être pris en compte dans
les modèles mathématiques destinés à simuler les comportements mécaniques des
massifs (méthode des éléments finis). L'approche numérique fait appel à un
couplage de modèles hydrauliques et mécaniques. Ce couplage peut être réalisé
pour des massifs à géométrie fixe (c'est-à-dire à perméabilité constante) ou
encore à géométrie variable avec des perméabilités fonction de l'état de
contraintes. Dans ce dernier cas, la solution s'obtient par des simulations
hydrauliques et mécaniques successives.
Les erreurs très fréquentes, relevées dans la littérature, concernant
la prise en compte du rôle de l'eau dans la méthode des éléments finis, appel-
lent une mise en garde. En s'appuyant sur des exemples pratiques (barrage sur
l'Arnon, Cher), il est montré que de telles erreurs peuvent avoir une influ-
ence très importante sur les résultats et donc sur les conclusions des études.

1 - INTRODUCTION
L'eau est fréquemment présente dans les massifs constituant
l'écorce terrestre. En plus de ses effets physico-chimiques, elle joue un
rôle capital sur le comportement mécanique du milieu. Les écoulements d'eau
se traduisent par des poussées hydrostatiques et des forces d'écoulement qui
doivent être prises en compte dans les études de problèmes géotechniques.
De même, la présence d'eau conditionne l'état d'équilibre inter-
granulaire aussi bien dans les pores que dans les fissures ou fractures des
massifs. Une interaction étroite intervient entre les phénomènes mécaniques
et hydrauliques : l'écoulement conditionne l'état de contrainte qui lui-même
influence les caractéristiques hydrauliques du milieu. L'état de contrainte
régit en effet les variations de la géométrie des discontinuités dans les mi-
lieux fissurés ou de l'espace intergranulaire dans les sols ou les milieux
poreux en général.
L'expérience, entre autres dans les domaines du génie civil, minier
ou pétrolier montre l'importance que revêt cette interaction "écoulement -
état de contrainte". De nombreux exemples pratiques peuvent à ce sujet être
évoqués [paragraphe 2).
De nombreux problèmes de géotechnique doivent donc être résolus en
tenant compte de la présence de l'eau dans les massifs (sols et roches). C'est
le cas non seulement pour l'étude de barrages, mais également pour l'analyse
du comportement d'excavations souterraines ou de surface, de talus, etc.,
réalisés en milieux aquifères. Il importe à ce sujet de connaître les lois
régissant les effets mécaniques dus aux écoulements d'eau dans les massifs et
de définir les moyens par lesquels ces effets peuvent être pris en compte dans
les calculs, en ayant recours, par exemple, à des modèles mathématiques destinés
à simuler le comportement mécanique des massifs (méthode des éléments finis).
L'approche numérique fait appel à un couplage de modèles hydrauliques et méca-
niques. Ce couplage peut être réalisé pour des massifs à géométrie fixe (c'est-
à-dire à perméabilité constante) ou encore à géométrie variable avec des
perméabilités fonction de l'état des contraintes. Dans ce dernier cas, la
solution s'obtient par des simulations hydrauliques et mécaniques successives.
Les erreurs très fréquentes, relevées dans la littérature, con-
cernant la prise en compte du rôle de l'eau dans la méthode des éléments
finis, appellent une mise en garde. En s'appuyant sur des exemples pratiques
(barrage sur l'Arnon, Cher) il est montré que de telles erreurs peuvent avoir
une influence très importante sur les résultats et donc sur les conclusions
des études.
2 - EXEMPLES PRATIQUES
De nombreux exemples pratiques (parfois historiques) permettent
d'illustrer l'importance du rôle de l'eau sur le comportement des massifs.
De plus en plus en effet, il est imposé au constructeur de réaliser
des aménagements en milieux aquifères. Le comportement des appuis d'ouvrages
ou encore des massifs traversés par des souterrains est donc lié aux phénomènes