Différents mécanismes de rupture de digues

Les plaines inondables de la Loire moyenne sont protégées par un système de digues, appelées sur ce fleuve : levées. Des enjeux s’y concentrent, en terme d’économie mais aussi en terme de vies humaines. Si des inondations similaires à celle de 1856, plus forte crue de Loire répertoriée, se répétaient aujourd’hui, ce ne sont pas moins de 300 000 personnes qui seraient menacées. L’entretien et la surveillance de ces ouvrages, présent sur plusieurs centaines de kilomètres constituent un enjeu de sécurité publique. Parmi les différents secteurs de digues, ceux où la Loire coule en pied préoccupent particulièrement les gestionnaires. Ainsi, depuis les années 1970, les zones présentant des indices de fragilité ont été renforcées.

Alors qu’un état des lieux de toutes les digues où la Loire coule en pied est en cours de réalisation, il a paru intéressant d’analyser l’évolution des différents renforcements. Le retour d’expérience des renforcements de digue en contact avec le lit mineur, fait l’objet de ce présent rapport de stage. Effectué au Laboratoire Régional des Ponts et Chaussées de Blois, ce stage d’une durée de neuf semaines s’inscrit dans la deuxième année de l’Institut Universitaire Professionnalisant « génie de l’environnement option Ingénierie des Milieux Aquatiques et des COrridors Fluviaux » (I.U.P. I.MA.C.O.F, université de Tours).

Différents mécanismes de rupture de digues

Cette étude ne s’intéresse qu’aux digues en remblai (terre). La partie qui suit, nécessaire à la compréhension des renforcements de digues est fortement inspirée par l’ouvrage : Surveillance, entretien et diagnostic des digues de protection contre les inondations (Mériaux et al, 2004), ouvrage du Cemagref faisant actuellement référence en France.

La surverse

La surverse, débordement de l’eau au-dessus de la digue, conduit généralement et rapidement à la brèche par érosion régressive du talus coté val de la crête (fig.1 bis). La surverse est due à un phénomène externe : la crue d’un niveau supérieur à l’événement de référence qui a servi au dimensionnement de la hauteur de la digue. Pour la Loire, la crue de 1856 est l’événement de référence. La surverse peut aussi se produire lorsque l’eau du val rejoint le fleuve en franchissant à nouveau la digue (surverse par retour). Les surverses ont souvent lieu au niveau des points bas du profil en long des levées. Afin de limiter ce risque de submersion, les banquettes, ou rehausses, présentes sur l’ensemble des crêtes des levées ont été construites pour élever le niveau des digues. Actuellement, la cote du sommet des digues semble suffisante pour empêcher ce phénomène. La prévention de la surverse étant du ressort du dimensionnement originel de l’ouvrage, aucun renforcement ne prend spécifiquement en compte ce risque.

Les érosions externes et les affouillements

Les talus de digues côté fleuve, en particulier lorsque le cours d’eau jouxte directement la levée, subissent en crue les effets des courants hydrauliques qui peuvent provoquer des érosions à leur base (fig.1 bis). Il en résulte un raidissement de la pente locale qui, associé à la saturation en eau des matériaux, entraîne alors des glissements favorisant à leur tour les perturbations hydrauliques (vortex et érosions). Par glissements successifs du talus côté fleuve de la levée, on peut ainsi aboutir à l’ouverture d’une brèche. Les facteurs de sensibilité à ce type de dégradation sont de trois ordres :
-La vitesse moyenne de l’eau le long du talus de la levée.
-Les perturbations hydrauliques locales (arbres, piles ou toute construction sur le parement coté fleuve mais aussi courbes prononcées dans l’axe de la digue).
-Nature et état de la protection du talus coté fleuve.
Le changement de nature de la protection (passage d’une zone de perré à une zone enherbée) constitue un fort facteur de vulnérabilité. Sur les secteurs en contact direct avec le lit mineur, ce risque est important. C’est pourquoi des renforcements en pied de digues, côté val, ont été réalisés.

Erosion interne (ou renard hydraulique)

En crue, les hétérogénéités de perméabilité peuvent être à l’origine de zones de circulation préférentielle de l’eau. Selon la charge hydraulique (différence du niveau d’eau entre le côté val et côté fleuve) et la nature des matériaux, on peut obtenir localement le gradient hydraulique critique qui provoque l’érosion interne du sol. Créant progressivement un conduit le long duquel gradient et vitesse augmente rapidement avec le temps. L’amplification du phénomène peut aller jusqu’à la création d’une galerie à travers la digue (renard hydraulique), puis d’une brèche par effondrement (fig.1 bis). Les facteurs de sensibilité à ce type de dégradation sont de deux ordres :
-Les excavations ou les galeries dans la levée réduisant la longueur du chemin hydraulique entre le coté fleuve et le coté val. (Terriers d’animaux fouisseurs et conduits racinaires d’arbres mort mais aussi constructions et canalisations).
-La mauvaise étanchéité à la jonction entre le remblais et ouvrages transversaux. Les constructions réalisées dans les digues sont incontestablement les principaux facteurs de risque On peut rattacher les phénomènes de fontis observables dans le cas d’effondrement karstique. Les renforcements coté val mais aussi ceux réalisés dans le corps de digue ont parmi leurs objectifs celui de limiter ce risque.

Rupture d’ensemble des digues en remblai 

Un profil de digue étroit avec des pentes de talus fortes (33°) ainsi qu’une piézométrie élevée dans la digue liée à l’absence de drainage et à la présence de couches hétérogènes sont deux éléments favorisant ce risque. Il faut ajouter à cela la faible compacité ou la présence d’une couche argileuse sous-consolidée au niveau des fondations. Ces trois facteurs sont potentiellement réunis dans les zones d’anciennes brèches dont la réparation n’a pas toujours été menée dans les meilleures conditions. Lors d’une décrue rapide, la rupture du talus coté rivière peut aussi se produire. Ce phénomène, lié aux sous-pressions qui se développent pendant la période de hautes eaux, concerne surtout des talus de digues constitués de matériaux argileux et dont les pentes sont raides ou les perrés sont trop étanches (revêtement de pierres recouvrant la moitié supérieure du talus côté fleuve). Un rechargement en remblai de la digue et/ou la mise en place d’un rideau de palplanches dans le corps de digue sont préconisés afin de garantir une bonne stabilité de l’ensemble des levées en crue mais aussi en décrue.

Suivant la géométrie, le lieu et le type de rupture craint, le gestionnaire opte pour tel ou tel renforcement. Les renforcements récents, réalisés en pied, ont comme objectifs de limiter les risques d’érosion externe, d’affouillement mais aussi celui de rupture d’ensemble (butée de pied servant de contrefort à la décrue). La connaissance des contraintes du milieu sur les levées est nécessaire pour le choix a effectué.

Contraintes du milieu sur les digues

Contraintes subies par l’ensemble des levées

Contraintes hydrostatiques s’exerçant sur un remblai en terre.
En crue, la différence de niveau d’eau rehausse la cote de la ligne de saturation en eau à l’intérieur de la digue et crée une circulation d’eau interne du fleuve vers l’aval induisant des zones de circulation préférentielle. La vitesse de l’écoulement des eaux infiltrées dans la digue est telle qu’elle entraîne les matériaux, créant un trou dans la digue La présence d’arbres et d’animaux fouisseurs accélère ce phénomène. Le risque de stabilité d’ensemble et celui d’érosion interne sont favorisés.

Effondrement karstique
Particularité de la Loire moyenne, des effondrements karstiques peuvent affecter la solidité des digues. La Loire coule dans la région d’Orléans sur un substratum karstique (calcaire de Beauce). Cette couche comporte une multitude de cavités creusées par l’eau (origine des pertes de la Loire alimentant le Loiret). Il arrive que certaines cavités s’effondrent, se traduisant par un affaissement localisé du sol. Il est possible qu’une digue s’affaisse lorsqu’un effondrement karstique se produit sous l’ouvrage (Jargeau, 2003). Ce phénomène naturel imprévisible déstabilise la digue qui n’assure plus son rôle de protection. Lorsqu’il survient, un confortement doit être réalisé rapidement sur l’ouvrage. Aucun renforcement n’est adapté spécifiquement à ce phénomène qui ne peut être anticipé.

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Table des matières

Remerciements
Sommaire
Résumé
Summary
Introduction
Partie 1 : Généralités
Partie 2 : Matériel et Méthodologie
Partie 3 : Résultats
Partie 4 : Discussion
Conclusion
Bibliographie
Table des matières
Table des Figures
Annexes

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