Les barrages de Malpasset et de Saint Cassien.

Les barrages de Malpasset et de Saint Cassien.
Un peu de géologie pour commencer.............
Histoire géologique simplifiée du Massif du Tanneron
1: état initial : socle
hercynien métamorphique
Massif du Rouet
Bois du Prigonnet
Faille de
Foncounille
Accident Grimaud-Joyeuse
Gorges de
Pennafort
Endre
Phase d’extension
2 : mise en place de lentilles
de tonalite (350 MA)
3 : intrusion de granite
(325MA)
4 : couverture par la lave
(rhyolite) des volcans de
l’Esterel (300 MA)
couverture
de rhyolite
faille
gneiss
tonalite
tonalite
granite
faille
gneiss
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 parfaitement situé au milieu du
massif de gneiss.
Barrage
500 mètres
gneiss
(couleur
orange)
métamorphique du Tanneron,
remplissage sédimentaire
avec niveau de charbon,
du
socle
du Carbonifère
1ères coulées volcaniques de rhyolite de
l’Estérel en orange.
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.
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.
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 )
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.
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.
Litage caractéristique
du gneiss
Biotite
Feldspath plagioclase
Quartz
On observe:
- un litage peu visible
- des zones sombres très micacées riches en biotite ( mica noir )
- des zones claires à petits plagioclases globuleux
Biotite
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.
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
Forces
consécutives aux
sous-pressions
Faille verticale
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.
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
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..
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.
http://www.geologierandonneurs.fr/pdfcours/Malpasset.pdf
Mise à jour du 22 avril 2010.
Intersection de failles
Végétation clairsemée :
roche dure
Croupe massive, roche
couleur jaune clair
Failles verticales
Failles horizontales
Torrent à sec
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.
Malpasset : le réseau de failles visibles en surface
1
2
failles 1 et 2
faille 3
Pendage
surface d’appui maximum
3
3
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.
Après la rupture.
On observe que la culée RD a résisté.
La vanne de vidange de fond. On observe que la fondation est toujours en place.
Barrage de Saint Cassien
Digue annexe
Évacuateur de
crue
Piézométres
Parement aval en
remblais
Parement amont
en enrochements
Carte de l’onde de submersion de St Cassien. (PPI de décembre 2005).
Le canal de Fréjus
Longueur: 40 km,
481m de dénivelé,
relief particulièrement tourmenté,
20 gros ouvrages d’art,
débit de 50000 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.
Aperçut des techniques topographiques à l’époque romaine
Le niveau: la groma
La visée: la chorobate
Les angles: la dioptra
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.
Le métamorphisme: comment ça marche
Actions thermo - mécanique
Notion de niveau structural.
Sédiments.
Diagenèse
200°C
Pression température
1
2
1 ) 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
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
800°C
Au-delà: Si les contraintes thermiques et
physiques augmentent encore, on arrive à
l’ anatexie ( fusion partielle ) puis à la
fusion totale.
Attention: ne pas confondre
schistosité et stratification.
Photos: schiste du Cap Sicié et
gneiss de la Madone de Fenestre.
Le métamorphisme: comment ça marche
Diagramme pression / température
Pression ( k bars )
Le carbone:
3
Actions chimiques
Transformation des minéraux
La réorganisation des atomes en fonction
de la température et de la pression est un
phénomène fondamental.
C
diamant
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
graphite
BP
1500°C
3000 °C
Température
La nature des minéraux permet de reconstituer l’histoire
des roches et des terrains.
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
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
en fonction des minéraux présents
après transformation.
Argile
Importance du métamorphisme
Faible
Moyen
Schistes
Gneiss
Fort
Leptynite
s
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..
Si présence de minéraux ferromagnésiens,
ou
Une séquence est composée de toutes
les roches obtenues à partir d’une roche
mère et en fonction du degré de
métamorphisme.
Classement suivant la nature de la roche de départ
( roche mère ). Notion de séquence.
Roche mère
avant transformation
Exemples:
séquence pélitique à partir de l’argile,
séquence carbonatée à partir du
calcaire, etc
P kb
12 -
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°
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.
T°
Structure cristallographique d’une roche vue en lame mince.
10 µ m
Les roches
Classification des roches magmatiques en fonction
de la teneur en silice et de la nature des feldspaths
acide
riche en silice
quartz
Zone des roches acides
ultra basique
basique
granite, rhyolite,
trachyte etc
Zone des roches basiques
basalte, gabbro
esterellite, tonalite
etc
feldspath
riche en potassium
orthose
Feldspaths avec K, Na, Ca
Riche en Na: albite
Zone des roches de grande profondeur
riches en Mg et Fe
péridotites
pauvre en silice
feldspathoïdes
feldspath
riche en calcium
Plagioclase
anorthite