Mémoire de Projet de Fin d’Etudeseprints2.insa-strasbourg.fr/497/1/Mémoire_final_de_PFE.pdf ·...

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Auteur : MARCEL Romain

INSA STRASBOURG

Département Génie Civil 5e année

Option Aménagement du Territoire

Tuteur entreprise : TOP Guillaume

Docteur en Génie civil

SOGREAH Consultant

Tuteur INSA : CASSARD Alain

Mémoire de Projet de Fin d’Etudes Spécialité Génie Civil

Proposition d’une méthodologie de diagnostic du risq ue de ruine des piles de barrages manuels

JUIN 2009

Proposition d’une méthodologie de diagnostic du risque de ruine des piles de barrages manuels SOGREAH – Agence de Paris

Romain MARCEL Mémoire de PFE INSA STRASBOURG GC5 Juin 2009 Tuteur INSA : M. Alain CASSARD Tuteur SOGREAH : M. TOP Guillaume

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Remerciements

Chez SOGREAH tout d’abord, je tiens particulièrement à exprimer ma reconnaissance à : M. TOP Guillaume, ingénieur expert en génie civil et tuteur entreprise de stage, pour m’avoir proposé un sujet d’étude profitable aussi bien pour ma formation que pour l’entreprise mais également pour avoir su me guider tout au long du stage et de la rédaction du mémoire. Mme CANDELON Christine, responsable du pôle Ouvrage et Aménagement Fluviaux de l’agence de SOGREAH Paris, qui m’a permis de réaliser ce stage dans d’excellentes conditions au sein du pôle. M. HERBRETEAU Benjamin, ingénieur d’affaire, pour sa compétence, son implication et sa disponibilité. Et un remerciement général à l’ensemble du personnel de l’agence pour son aide et sa sympathie. A l’INSA, je voudrais remercier : M. CASSARD Alain, tuteur INSA, qui m’a suivi tout au long du stage par le biais de correspondances régulières et recommandations précieuses. Mme MOUHOUBI Saïda, responsable du département Génie Civil, qui a autorisé le déroulement d’un stage formateur et riche en enseignements techniques.



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Résumé Le projet de fin d’étude vise à élaborer une méthodologie de diagnostic de l’état des piles en maçonnerie des barrages mobiles (ou barrages manuels). Ce diagnostic se fait en positionnant l’ouvrage par rapport à un état de ruine. Le risque de ruine se traduit par un état de vulnérabilité, cet état étant défini et déterminé par la quantité et les propriétés des désordres rencontrés non seulement sur la pile maçonnée, mais également sur les éléments annexes ayant une influence directe sur elle (radier, sol, organes métalliques de vantellerie). Ce rapport est donc un document explicatif de l’élaboration de la méthode. Ce projet s’inscrit dans le cadre du marché « Réhabilitation des ouvrages de navigation - Seine amont et aval » commandé par Voies Navigables de France (VNF). La méthodologie est en effet établie afin d’être appliquée aux barrages mobiles vieillissants sur l’Yonne. Malgré le manque de bibliographie à ce sujet, il est primordial d’être conscient des enjeux liés à l’entretien, la réparation et l’amélioration de ces ouvrages. Le présent rapport s’affaire à mettre au point un outil qui permettra d’évaluer l’état d’une pile maçonnée de barrage, celle-ci étant la plus touchée par les effets du vieillissement d’une part, et les désordres structurels d’autre part. En couplant des analyses bibliographiques et fonctionnelles, tout en portant un regard critique sur un travail présentant forcément des limites vu le manque de référence dans le domaine, la méthodologie doit nous amener à réaliser une cotation des ouvrages. Cette cotation va être le point de départ des opérations à entreprendre pour remédier aux problèmes rencontrés. Mots-clefs : Barrage manuel, Risque, Ruine, Diagnostic, Maîtrise d’œuvre, Vulnérabilité, Auscultations complémentaires, Réhabilitation, Pathologie, Maçonnerie, Pile.

Abstract

The present work consists in the development of a methodology to rate the fix of the movable dams built in masonry. Analysing the damages recurring on the central pier and its environment, a diagnosis can be made by rating the level of risk. The level is related to the weakness of the pier: the more the pier will be weak, the more the risk will be important, the ultimate state of this weakness is the failure state. On one hand, this report is an explicative work showing how the methodology is developed. On the other hand, the efficiency of the methodology is tested on real dams piers built in masonry. This work is a part of a national project aiming at repairing and improving fluvial elements on the Seine River and its influents, managed by the French Waterways Company (VNF). The methodology is to be applied on ageing movable dams on the Yonne River. Movable dams are critical to maintain waterways. Although the lack of bibliography, it’s necessary to consider more precisely these structures regarding the stakes associated.

Keywords: Movable Dams, Risk, Failure, Diagnosis, Project Management, Vulnerability, Complementary Monitoring, Rehabilitation, Pathology, Masonry, Pier.



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SOMMAIRE

1. Introduction .................................... ................................................................... 8

2. Présentation de SOGREAH ......................... ..................................................... 9 2.1. L’agence de Paris ................................................................................................................................ 9

2.1.1. Organisation............................................................................................................................... 9 2.1.2. L’équipe ..................................................................................................................................... 9

2.2. SOGREAH en France et à l’international.......................................................................................... 10

3. Contexte........................................ ................................................................... 11 3.1. Définition du sujet de stage ............................................................................................................... 11 3.2. Présentation de la mission associée ................................................................................................... 11 3.3. Le fonctionnement des barrages mobiles........................................................................................... 12

3.3.1. Le principe ............................................................................................................................... 12 3.3.2. les barrages à clapets................................................................................................................ 12 3.3.3. les barrages à hausses Chanoines............................................................................................. 13 3.3.4. les barrages à aiguilles ............................................................................................................. 14

4. Problématique et état de l’existant ............. ................................................... 15 4.1. Définition du problème posé ............................................................................................................. 15

4.1.1. Les objectifs du Diagnostic...................................................................................................... 15 4.1.2. Définition de la ruine ............................................................................................................... 15 4.1.3. Définition du risque ................................................................................................................. 15 4.1.4. Définition de la vulnérabilité ................................................................................................... 16

4.2. ETAT DE L’ART : Les méthodes d’aide au diagnostic.................................................................... 16 4.2.1. Démarche IQOA (Image de la Qualité des Ouvrages d’Art) par le SETRA............................16 4.2.2. Démarche IQOA par le Ministère de l’économie, des finances et de l’industrie ..................... 17 4.2.3. Méthode des Visites Simplifiées Comparées (VSC)................................................................ 18 4.2.4. Méthode départementale (MD) ................................................................................................ 19 4.2.5. Méthode AMDE (Analyse des Modes de Défaillance et leurs effets) appliquée aux barrages : Méthode de la sûreté de fonctionnement..................................................................................................... 20

4.3. Repositionnement du problème posé................................................................................................. 22

5. Proposition et élaboration d’une méthode de diag nostic ........................... 23 5.1. Introduction à l’analyse des pathologies............................................................................................ 23 5.2. Les désordres liés à la dégradation des matériaux ............................................................................. 23

5.2.1. Fissuration et fractures. ............................................................................................................ 23 5.2.2. Disjointoiement- Descellement de pierres – Chute de Blocs. .................................................. 25 5.2.3. Dégradation de la pierre. .......................................................................................................... 26 5.2.4. Bombement ou gonflement (pile ou fond du puits). ................................................................ 26 5.2.5. Percolations.............................................................................................................................. 27 5.2.6. Pathologie chimique................................................................................................................. 28

5.3. Les désordres d’ordre structurel ........................................................................................................ 28 5.3.1. Généralités. .............................................................................................................................. 28 5.3.2. L’affouillement. ....................................................................................................................... 29 5.3.3. Le tassement............................................................................................................................. 31

5.4. Mécanismes et gravités...................................................................................................................... 31 5.5. Evaluation de l’état............................................................................................................................ 34

5.5.1. Gravité des désordres : ............................................................................................................. 34



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5.5.2. Prise en compte de l’incertitude :............................................................................................. 35 5.6. Modélisation numérique sous PLAXIS 8.0 ....................................................................................... 36

5.6.2. Eléments pour la modélisation ................................................................................................. 37 5.6.3. Protocole de modélisation........................................................................................................ 40 5.6.4. Les phases de calcul ................................................................................................................. 41 5.6.5. Résultats de la modélisation..................................................................................................... 41 5.6.6. Influence de la rigidité des interfaces....................................................................................... 44 5.6.7. Influence du poids volumique.................................................................................................. 46 5.6.8. Bilan de l’étude de sensibilité .................................................................................................. 47

6. Application sur les piles centrales des barrages manuels de l’Yonne ...... 49 6.1. Diagnostic visuel des piles de barrage............................................................................................... 49

6.1.1. Compte –rendu des désordres .................................................................................................. 49 6.1.2. Analyse des désordres et degré de préoccupation .................................................................... 51 6.1.3. Bilan sur les 12 piles ................................................................................................................ 54

6.2. Inspections complémentaires............................................................................................................. 58 6.2.1. Présentation.............................................................................................................................. 58 6.2.2. Auscultation et suivi topographique......................................................................................... 58 6.2.3. Auscultation géotechnique ....................................................................................................... 59 6.2.4. Auscultation géophysique ........................................................................................................ 61 6.2.5. Utilité des auscultations ........................................................................................................... 62

6.3. Opérations de maintenance (degré de préoccupation 5 et 4) ............................................................. 63 6.3.1. Maintenance préventive (entretien).......................................................................................... 63 6.3.2. Le rejointoiement (maintenance corrective)............................................................................. 64 6.3.3. Protection superficielle par béton projeté (maintenance corrective) ........................................ 66 6.3.4. Maintenance du radier immergé............................................................................................... 67

6.4. Solutions de réhabilitation pour les degrés de préoccupation 3 et 2.................................................. 68 6.4.1. Remplacement ou reconstruction du matériau ......................................................................... 68 6.4.2. Injection des maçonneries ........................................................................................................ 69 6.4.3. Epinglage, acier passif ............................................................................................................. 71 6.4.4. Comblement des cavités dans la fondation, injection et rideau parafouille ............................. 72 6.4.5. Renforcement par micro-pieux ................................................................................................ 74

6.5. Rempiètement devant la structure pour les degrés de préoccupation 1 ............................................. 76 6.5.1. Béton armé coffré ou projeté.................................................................................................... 76 6.5.2. Rideau de palplanches métalliques .......................................................................................... 77

6.6. Bilan des solutions et estimation financière ...................................................................................... 78

7. Conclusion......................................... .............................................................. 79

Bibliographie ...................................... .................................................................... 81

Annexe 1 : Organigramme............................................................................................................................... 82 Annexe 2 : catalogue de désordres pour IQOA ............................................................................................... 83 Annexe 3 : Schémas fonctionnels de dégradation............................................................................................ 84 Annexe 4 : Fiche informatique d’évaluation de l’état...................................................................................... 88 Annexe 5 : résultats PLAXIS........................................................................................................................... 89 Annexe 6 : Planning du travail méthodologique réalisé pour l’élaboration de l’outil de diagnostic................ 96 Annexe 7 : démarche de la méthode de diagnostic du risque de ruine............................................................. 97



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Liste des Figures

Figure 1 : organigramme du pôle OAF de SOGREAH Paris................................................................................... 9

Figure 2 : répartition du chiffre d'affaires par activités........................................................................................... 10

Figure 3 : chiffre d'affaire du groupe (en millions d'euros)..................................................................................... 10

Figure 4 : schéma de principe d'une pile centrale de barrage manuel .................................................................. 12

Figure 5 : Coupe et illustration d’un barrage clapet............................................................................................... 13

Figure 6 : coupe et illustration d’un barrage à hausses......................................................................................... 13

Figure 7 : coupe et illustration d’un barrage à aiguilles ......................................................................................... 14

Figure 8 : quantification de la gravité par le SETRA.............................................................................................. 17

Figure 9 : extrait d'un catalogue de désordres (Méthode IQOA par la ministère de l'industrie)............................. 18

Figure 10 : principe schématisé de la méthode VSC ............................................................................................ 19

Figure 11 : principe schématisé de la méthode départementale........................................................................... 20

Figure 12 : exemple de milieux extérieurs interagissant avec l'aménagement...................................................... 21

Figure 13 : Analyse des modes de défaillance appliquée à un barrage écrêteur.................................................. 21

Figure 14 : exemple de résultat d'une analyse quantitative sur un barrage en remblai......................................... 21

Figure 15 : exemple de fissuration verticale sur une pile maçonnée..................................................................... 24

Figure 16 : Degré de fissuration en fonction de l'indice de continuité ................................................................... 25

Figure 17 : exemple de descellements et perte de blocs ...................................................................................... 25

Figure 18 : exemple d'éclatement de la pierre ...................................................................................................... 26

Figure 19 : exemple de bombement du parement vertical .................................................................................... 27

Figure 20 : schéma descriptif de l'affouillement local autour d'une pile cylindrique............................................... 29

Figure 21 : exemple d'un affouillement observé sous la pile du barrage de Villeperrot......................................... 29

Figure 22 : schéma fonctionnel des relations entre systèmes et environnement .................................................. 33

Figure 23 : modélisation de la structure sous PLAXIS .......................................................................................... 40

Figure 24 : profil des écoulements sous PLAXIS .................................................................................................. 40

Figure 25 : déplacements...................................................................................................................................... 42

Figure 26 : contraintes de cisaillement.................................................................................................................. 42

Figure 27 : répartition des contraintes de cisaillement verticales et horizontales.................................................. 42

Figure 28 : allure de la déformée (*500)................................................................................................................ 43

Figure 29 : sens et importance des déformations (selon la taille de flèche).......................................................... 43

Figure 30 : allure des résultats de l'étude paramétrique ....................................................................................... 44

Figure 31 : déplacement du couronnement au cours des phases de dégradation................................................ 45

Figure 32 : contraintes de cisaillement en pied de pile au cours des phases de dégradation............................... 45

Figure 33 : déplacement du couronnement au cours des phases de dégradation................................................ 46

Figure 34 : contraintes de cisaillement en pied de pile au cours des phases de dégradation............................... 47

Figure 35 : exemple de disjointoiement (pile de l’Ile Brûlée) ................................................................................. 49

Figure 36 : Exemple de la perte de blocs (pile de Champfleury)........................................................................... 49

Figure 37 : Exemple d'une fuite d'eau dans le puits d'accès au mécanisme de manœuvre des hausses (pile des Dûmonts) .............................................................................................................................................................. 49

Figure 38 : exemple d'un décrochement du couronnement vers l'aval (présence d'un dévers sur la pile de Bassou)................................................................................................................................................................. 50

Figure 39 : exemple d'une fissuration horizontale entre pierres (pile de Pêchoir) ................................................. 50

Figure 40 : exemple d'affouillement du radier en aval du pied de pile (pile de Villeneuve) ................................... 50

Figure 41 : exemple d'épaufrure et disjointoiement (pile de Pêchoir).................................................................... 51



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Figure 42 : exemple de cavités dans la pierre et présence d'embâcle (pile d'Epineau) ........................................ 51

Figure 43 : schéma fonctionnel de dégradation de la pile des Dûmonts ............................................................... 53

Figure 44 : implantation des points pour l'auscultation et le suivi topographique .................................................. 59

Figure 45 : implantation de principe des essais géotechniques ............................................................................ 61

Figure 46 : vue en coupe d’une pile maçonnée..................................................................................................... 62

Figure 47 : implantation de principe des essais géophysiques ............................................................................. 62

Figure 48 : exemple d'embâcle sur le barrage de l'Ile brulée ................................................................................ 63

Figure 49 : exemple de descellements nécessitant un rejointoiement .................................................................. 64

Figure 50 : type de joints à proscrire ..................................................................................................................... 65

Figure 51 : type de joints à exécuter ..................................................................................................................... 65

Figure 52 : exemple de descellement et chute de blocs nécessitant une projection béton ................................... 66

Figure 53 : illustration d'une projection béton par voie humide ............................................................................. 67

Figure 54 : exemple de zone peu accessible présentant des chutes de blocs...................................................... 69

Figure 55 : illustration du procédé d'injection ........................................................................................................ 70

Figure 56 : exemple d'une pompe à injection (dimension : 130*62*30 cm, masse : 60 kg)................................... 71

Figure 57 : principe d’implantation des aciers passifs ........................................................................................... 71

Figure 58 : modélisation PLAXIS des pathologies concernées par le procédé ..................................................... 72

Figure 59 : Implantation de principe des cannes d’injection.................................................................................. 73

Figure 60 : centrale mobile d'injection................................................................................................................... 73

Figure 61 : étapes pour la réalisation du scellement d'un micropieu..................................................................... 75

Figure 62 : principe d’implantation de micropieux dans la structure...................................................................... 75

Figure 63 : illustration d'une foreuse BBAS standard (source : DRILLING) .......................................................... 76

Liste des Tableaux

Tableau 1 : informations générales sur les ouvrages............................................................................................ 11 Tableau 2 : Propriétés des méthodes existantes .................................................................................................. 22 Tableau 3 : classes de gravité des désordres....................................................................................................... 35 Tableau 4 : gestion de l'incertitude........................................................................................................................ 36 Tableau 5 : bilan de l'étude paramétrique ............................................................................................................. 47 Tableau 6 : bilan des désordres sur la pile des Dûmonts...................................................................................... 51 Tableau 7 : report des désordres de la pile des Dûmonts..................................................................................... 52 Tableau 8 : levée de l'incertitude pour l'ouvrage des Dûmonts ............................................................................. 54 Tableau 9 : Bilan de l'état des 12 piles de barrage ............................................................................................... 54 Tableau 10 : bilan de l'état des 12 piles de barrage (en pourcentage de dégradation)......................................... 56 Tableau 11 : Moyens à mettre en œuvre pour lever l'incertitude .......................................................................... 57 Tableau 12 : investigations complémentaires à mener ......................................................................................... 57 Tableau 13 : Choix de la technique de maintenance et/ou réhabilitation .............................................................. 78



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1. Introduction Le présent mémoire a pour objectif d’exposer le travail réalisé tout au long du Projet de Fin d’Etudes, dont l’intitulé du sujet est : « Proposition d’une méthodologie de diagnostic du risque de ruine des piles de barrages manuels »

Ce mémoire aura pour but d’expliquer le cheminement du travail pour l’établissement d’un outil de diagnostic, et de montrer l’efficacité de cet outil en l’appliquant à des ouvrages existants. Le sujet du stage est associé à un projet lancé par SOGREAH Paris dans le cadre d’un marché à bon de commande avec Voies Navigables de France (VNF). Ce marché s’intitulant « Réhabilitation des ouvrages de navigation - Seine amont et aval » concerne les ouvrages hydrauliques de la Seine et ses affluents. Pour la restauration et la modernisation de son réseau, VNF Seine a donc fait appel à SOGREAH pour assister sa maîtrise d’œuvre à réhabilitation, voire rénovation, des ouvrages de navigation du bassin de la Seine. On dénombre environ 360 barrages mobiles en France, et leur présence est déterminante pour la circulation des biens et des personnes par voie fluviale. Au sein du pôle « Ouvrages et Aménagements Fluviaux » de l’agence de SOGREAH Paris, le projet consiste en l’élaboration d’une méthodologie complète d’évaluation de l’état des piles maçonnées des barrages manuels et de l’appliquer à 12 ouvrages sur l’Yonne. Le diagnostic du risque de ruine va consister à positionner l’ouvrage par rapport à la rupture en lui associant un indice de vulnérabilité, ou indice de risque. Ce travail s’appuie sur les résultats de deux campagnes d’inspections visuelles par SOGREAH réalisées en mai 2008 et mars 2009, ainsi que sur les résultats d’inspections subaquatiques. Par ailleurs, le logiciel PLAXIS, élément de la méthodologie, est utilisé afin de préciser et justifier certains points de l’analyse. Une première partie nous permet de présenter le contexte de travail, les secteurs d’activités de SOGREAH et les attentes de l’entreprise par rapport au projet. Nous présentons ainsi la mission de maîtrise d’œuvre de SOGREAH auprès de Voies Navigables de France, et nous définissons le sujet, en présentant ses objectifs et ses limites. En parallèle, le principe de fonctionnement des barrages mobiles est expliqué. Ensuite les résultats de la recherche et l’analyse de l’existant sont exposés. Nous réalisons ainsi une approche critique sur les méthodes de diagnostic existantes. Cette approche nous permettra de dégager les points à intégrer dans la mise au point d’une méthode pour les piles de barrages manuels. En tenant compte de cette analyse, et pour lancer le travail d’élaboration d’une méthode de diagnostic, nous effectuerons une étude des pathologies récurrentes des piles maçonnées et leur environnement. A l’issue de ce travail, une analyse fonctionnelle vient compléter les résultats obtenus, ceci dans le but de définir des mécanismes de dégradation au sein de la pile, sa fondation et la vantellerie, sous l’action de l’eau et du sol. C’est l’interprétation de ces mécanismes qui va nou s permettre de classer les ouvrages selon un degré de préoccupation. Nous expliquons ensuite le fonctionnement de la méthode de diagnostic mise au point. En outre, la méthode intègrera une classification des désordres, puis un moyen de cotation des ouvrages selon leur état de vulnérabilité mais aussi selon une incertitude due au manque d’information. En parallèle à l’élaboration d’une méthode de diagnostic, un travail de modélisation numérique vient justifier certaines conclusions quant aux paramètres de dégradation déterminants. La pertinence de la méthode est par ailleurs vérifiée en l’appliquant à 12 barrages sur l’Yonne, le premier objectif étant de classer les ouvrages selon leur état de vulnérabilité. Sur la base de ces résultats, les opérations à réaliser sont définies, expliquées et critiquées. Ces opérations sont de deux types. En premier lieu il s’agit d’effectuer des auscultations complémentaires (topographiques, géotechniques, géophysiques), puis il convient ensuite de préconiser les travaux nécessaires à la maintenance et la réhabilitation des piles en maçonnerie.



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2. Présentation de SOGREAH 2.1. L’agence de Paris 2.1.1. Organisation

L’agence de SOGREAH Paris (basée à Arcueil, 94) assure également la direction des agences de Lille et de La Réunion.

L’agence elle-même est divisée en deux pôles : • Le pôle Ouvrages et Aménagements Fluviaux (OAF), en charge des projets sur les ouvrages

hydrauliques (barrages, écluses…) et les aménagements des cours d’eau (berges, digues…). • Le pôle Hydraulique Urbaine (URB), en charge des projets sur l’assainissement et l’eau

potable.

Un organigramme de l’agence de SOGREAH Paris est joint en Annexe 1 : Organigramme.

Le projet de fin d’étude s’effectue au sein du pôle Ouvrages et Aménagements Fluviaux, spécialisé dans le génie civil et la géotechnique. Le pôle réalise principalement les travaux suivants :

• Aménagement des rivières : digues, protections en enrochement, seuils, « recalibrage ». • Ouvrages hydrauliques : écluses, barrages poids, barrages mobiles, en remblai, réservoirs. • Voies navigables : Le trafic fluvial a enregistré, au cours de ces dernières années, une

importante augmentation qui a poussé les états à rénover leurs installations anciennes et à ouvrir de nouvelles voies navigables. Le pôle OAF participe activement à ce redéploiement.

• Gestion des risques : risques liés à l’eau (inondations), prévention et évaluation des vulnérabilités, mise en place de mesures de réduction du risque.

2.1.2. L’équipe L’équipe du Pôle OAF s’organise ainsi

Figure 1 : organigramme du pôle OAF de SOGREAH Pari s



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2.2. SOGREAH en France et à l’international L'Eau et l'Environnement sont les secteurs majeurs d'intervention de SOGREAH tant en France qu'à l’international. Le groupe SOGREAH, grâce à plusieurs opérations de croissance externe, a toutefois connu un fort développement d'activité en Aménagement de la Ville et du Territoire, principalement sur le marché national. Dernièrement, le secteur Maritime s’est par ailleurs développé notamment auprès des clients industriels. De plus, au travers de tous ces métiers, SOGREAH possède une spécialisation transversale dans la conception et la réalisation d'Ouvrages d'infrastructures, par le biais de ses experts en génie civil. Enfin, la Gestion des Risques, qu'ils soient naturels ou industriels, reste également un point fort de l'offre de SOGREAH. La répartition du chiffre d’affaire par secteur d’activité permet d’illustrer cette polyvalence :

Figure 2 : répartition du chiffre d'affaires par ac tivités Sur la base de ses domaines de compétence, SOGREAH peut ainsi intervenir comme :

• conseil du maître d'ouvrage pour ses projets d'aménagement du territoire, • maître d'œuvre pour des projets d'infrastructures, • expert technique ou assistant technique, • auditeur et évaluateur de projets, de sites ou de politiques publiques, • bureau d'études pour la conception et la réalisation d'aménagements, • laboratoire d'essai et de recherche, • diffuseur de progiciels ou de technologies innovantes brevetées, • organisme de formation.

L'activité en France, fortement décentralisée, est réalisée par un réseau d'agences qui développent des services de proximité pour les collectivités territoriales et s'appuient, lorsque c'est nécessaire, sur des centres d'expertise regroupés dans les pôles géographiques principaux du groupe. Les interventions sont de nature et de taille très diverses, de la journée de conseil à la maîtrise d'œuvre complète. Le groupe est présent dans plus de 50 pays et a des références dans plus de 150 pays. Les clients principaux sont publics et les projets financés par les grands organismes internationaux prédominent mais le nombre de projets privés est en fort développement.

Figure 3 : chiffre d'affaire du groupe (en millions d'euros)



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3. Contexte 3.1. Définition du sujet de stage VNF possède de nombreux barrages manuels. Il s’agit de barrages s’appuyant sur des piles maçonnées et vieillissantes. Ces ouvrages, dont la construction remonte à la fin du XIXe siècle, sont encore en exploitation et sont des points stratégiques en termes de maintien de la navigation, de protection des biens et des personnes. Les barrages sont sujets à beaucoup d’interrogations en ce qui concerne leur stabilité. Suite à des inspections visuelles et subaquatiques, c’est l’état des piles maçonnées de l’ouvrage qui inquiète le plus. La réalisation d’une méthode d’analyse et d’évaluation des risques de dégradation et de ruine est nécessaire, afin de pouvoir programmer les travaux à effectuer. L’appréciation de la stabilité et la vulnérabilité d’un barrage est complexe au regard de :

� L’ancienneté des ouvrages, � des références rares dans ce domaine, � de la nature très variable des sollicitations � de la pertinence des investigations en fonction des résultats attendus et des coûts.

L’objectif est de proposer une démarche pour diagnostiquer l’état de résistance du génie civil des piles de barrages en fonction de leur niveau de connaissance, en y associant un indice de vulnérabilité.

3.2. Présentation de la mission associée Les ouvrages concernés par la présente mission sont les barrages de même génération, tous localisés dans l’Yonne, et décrits de l’amont vers l’aval dans le Tableau 1.

L’opération consiste en l’établissement du diagnostic du génie civil des piles centrales maçonnées des 12 barrages mobiles, afin de juger de leur état. La réalisation de cet objectif se fera à partir de données visuelles, issues des visites réalisées par SOGREAH sur chacun des sites, et sur la base des inspections subaquatiques complémentaires réalisées par l’entreprise BAULAND T.P.

Les informations générales concernant les ouvrages inspectés sont recensées dans le tableau suivant (voir le paragraphe 3.3 pour la description des types de barrages) :

Tableau 1 : informations générales sur les ouvrages N° de l’ouvrage Nom de l'ouvrage Point kilométrique Type de passe Type de déversoir

1 L'Ile Brûlée 2,500 Hausses Aiguilles 2 Les Dûmonts 4,273 Hausses Aiguilles 3 Monéteau 7,545 Hausses Aiguilles 4 Bassou 16,980 Hausses Aiguilles 5 Epineau 24,830 Hausses Aiguilles 6 Pêchoir 28,690 Hausses Aiguilles 7 Villeneuve 50,515 Clapets Hausses 8 Etigny 56,043 Hausses Clapets 9 Rosoy 60,545 Clapets Hausses

10 Saint-Bond 65,253 Hausses Hausses 11 Villeperrot 74,486 Hausses & clapets Clapets 12 Champfleury 80,185 Clapets Hausses

Les piles centrales sont des ouvrages poids dont la structure externe est constituée de pierres maçonnées empilées et jointoyées entre elles. La pa rtie centrale des piles est constituée d’un matériau de remplissage hétérogène de moellons et m ortier.



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Une pile peut se schématiser ainsi :

Figure 4 : schéma de principe d'une pile centrale d e barrage manuel

3.3. Le fonctionnement des barrages mobiles

3.3.1. Le principe Les barrages mobiles sont des ouvrages transversaux mis en place pour opposer un obstacle à l’écoulement d’une rivière, de façon à contrôler le niveau d’eau à l’amont selon un cahier des charges précis établi d’après les fonctions que l’ouvrage doit remplir (navigation , débits réservés, soutien des nappes phréatiques...). Leur rôle mécanique essentiel est donc de résister à la poussée de l’eau. Ce sont des ouvrages-poids, en ce sens que c’est par la mobilisation des forces de frottement sur la fondation que ce poids induit, qu’ils peuvent remplir leur rôle. L’action de l’eau, qui s’exerce en général principalement sur les organes mobiles de bouchure (vantellerie), est reportée sur les piles. Celles-ci transmettent au sol, par l’intermédiaire de leur radier, des efforts horizontaux et verticaux. Les premiers sont donc repris par frottement tandis que les seconds sollicitent la capacité portante du sol.

Depuis l’aménagement des rivières canalisées pour la navigation fluviale vers 1830 et pendant toute la fin du XIXe siècle, de nombreux types de bouchures ont été inventés. Leur rôle est de créer un barrage à fermeture mobile de faible hauteur, manœuvrable par l’homme. Trois types de fermetures, au principe de fonctionnement différent, se retrouvent sur l’Yonne et les barrages étudiés :

• Les barrages à vannes-clapets, • Les barrages à hausses Chanoines, • Les barrages à fermettes et à aiguilles.

3.3.2. les barrages à clapets

Ce sont les plus récents et les plus courants des types de barrages. Ils sont constitués d’un volet métallique et d’un clapet, plus haut que la retenue d’eau que l'on veut obtenir et le plus large possible, qui pivote sur le fond, c'est-à-dire sur le radier. Les vannes-clapets sont des panneaux obturant la



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totalité de la hauteur d’eau, sur une longueur pouvant aller jusqu’à typiquement 70m. Elles permettent par leur manœuvre de prendre toutes les positions voulues en altitude, avec une précision centimétrique, et sont facilement automatisables. Les barrages à vannes-clapets peuvent ainsi être équipés de motoréducteurs voire de vérins hydrauliques.

Figure 5 : Coupe et illustration d’un barrage clape t

Le corps de clapet est articulé sur des charnières ou pivots scellés dans le radier. Ce type de vanne a comme inconvénient d’avoir des pièces de rotation immergées, donc de nécessiter à chaque fois l’installation d’un batardeau de maintenance.

3.3.3. les barrages à hausses Chanoines Les hausses sont des panneaux métalliques ou en bois, de 1 à 3 m de large, qui obturent la rivière sur toute leur hauteur. Elles sont articulées en leur milieu environ et appuyées sur des chevalets eux-mêmes articulés sur le radier. Cet ensemble est maintenu en place par un arc-boutant bloqué sur un heurtoir. Ce type de barrage a pris le nom de son créateur, Chanoine. Manuellement, le couchage des hausses est obtenu par le ripage d’une barre à talons qui vient pousser latéralement les arcs-boutants, généralement les uns après les autres, qui échappent alors aux heurtoirs. La poussée de l’eau amont fait coucher les hausses et les chevalets. La levée des hausses est effectuée, les unes après les autres, depuis une embarcation arrimée aux berges, en les tirant en tête contre le courant de manière à replacer les arcs-boutants face aux heurtoirs, la forme des pièces supportant les heurtoirs étant conçue à cet effet.

Figure 6 : coupe et illustration d’un barrage à hau sses

Il convient de préciser que ce type de hausses est mécanisable par des vérins attachés au chevalet. On parle alors de hausses Aubert.



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3.3.4. les barrages à aiguilles Les aiguilles sont des éléments métalliques (style poutrelle) qui s’appuient en bas sur la maçonnerie (radier) et en haut sur la passerelle d’accès à la pile centrale. Chaque élément obture donc la rivière sur toute la hauteur de la chute et sur sa largeur individuelle (8 à 15 cm). Ces nombreux éléments doivent être manipulés les uns après les autres, le relevage et l'abattage sont donc des opérations longues et pénibles. Ce type de barrage est mécanisable en plaçant un motoréducteur pour aider au levage. Son principe est le seul qui permette, sans moyens lourds, la mise en place d’une bouchure de secours dans un courant important. Son exploitation, souvent dangereuse, nécessite d’importants moyens en personnel et impose des consignes de sécurité très strictes.

Figure 7 : coupe et illustration d’un barrage à aig uilles

3.4. Définition d’un diagnostic Selon l’article 19 - Décret N° 93-1268 du 29 Novemb re 1993 relatif aux missions de maîtrise d’œuvre confiées par des maîtres d’ouvrages publics à des prestataires de droit privé : « Les études de diagnostic, dans le cas d’une opération de réutilisation ou de réhabilitation, permettent de renseigner le maître de l’ouvrage sur l’état de l’ouvrage et sur la faisabilité de l’opération et ont pour objet : a) D’établir un état des lieux ; b) De procéder à une analyse technique sur la résistance de la structure et sur les équipements

techniques ; c) De permettre d’établir un programme fonctionnel d’utilisation de l’ouvrage ; d) De proposer éventuellement, des méthodes de réparation ou de confortement assorties de délais

de réalisation et de mise en œuvre. Le maître d’œuvre préconise, éventuellement, des études complémentaires d’investigation des existants. »



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4. Problématique et état de l’existant 4.1. Définition du problème posé L’intitulé du sujet intègre des notions qui sont à définir. Les termes « risque », « ruine » et « Diagnostic » ont des sens qui peuvent différer selon le contexte et il convient de préciser le sens de ces mots pour la suite du travail. 4.1.1. Les objectifs du Diagnostic Compte tenu des attentes de VNF, la mission doit suivre le cheminement suivant :

• Recensement et interprétation des désordres, • Positionnement de l’état de l’ouvrage par rapport à un état limite de ruine et proposition

d’investigations complémentaires, • Définition des travaux de confortement en fonction du degré de préoccupation évalué.

En nous positionnant par rapport aux définitions officielles de la loi MOP (Maîtrise d’Ouvrage Publique), trois composantes de mission interviennent donc :

• Le pré diagnostic : Analyse détaillée des désordres avec leurs relations de causes à effets, • Le diagnostic phase 1 : Compte-rendu de l’état des ouvrages et proposition d’investigations

complémentaires, • Le diagnostic phase 2 : Proposition des solutions de confortement.

4.1.2. Définition de la ruine

« Mise hors service par la réalisation de n’importe quel état limite. » (Source : Mécanique des matériaux, C. Massonet et S.Cescotto)

Pour ce type d’ouvrage les états-limites sont relatifs à :

• La stabilité externe (glissement, tassement du sol support…), • La stabilité interne (résistance des maçonneries).

Les causes de ruine peuvent être diverses :

• Techniques : vices de conception, de construction ou de matériaux, vieillissement des installations,

• Naturelles : séismes, crues exceptionnelles, glissements de terrain (soit de l'ouvrage lui-même, soit des terrains entourant la retenue et provoquant un déversement sur le barrage),

• Humaines : insuffisance des études préalables et du contrôle d'exécution, erreurs d'exploitation, de surveillance et d'entretien, malveillance.

Le présent travail concernera exclusivement les causes techniques, les autres causes devant faire entrer en jeu des paramètres et des probabilités sur lesquelles nous ne disposons pas d’informations, vu la particularité du sujet. 4.1.3. Définition du risque « Perte potentielle, identifiée et quantifiable (conséquences), inhérente à une situation ou une activité,

associée à la probabilité de l’occurrence d’un événement ou d’une série d’événements » (Source : wikipedia)

Toutefois, le peu de travaux déjà réalisés sur les barrages maçonnés ne nous permet pas de déterminer la probabilité d’occurrence des évènements à risque (une crue par exemple). Ainsi nous



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ne considèrerons pas « d’évènement » mais un état de dégradation variable (cause technique) soumis à des sollicitations constantes. On entendra donc par risque, un état de vulnérabilité (voir 4.1.4) associé à la notion d’incertitude qui est liée au fait que l’on manque de données. On cherche ainsi à mesurer le risque, mal évaluable, du fait notamment de l'absence de statistiques passées fiables. Ce risque est ainsi dû :

• A la pile et son état de vulnérabilité (selon les pathologies constatées), • A l’environnement de la pile et son état méconnu (incertitude liée au manque d’information).

4.1.4. Définition de la vulnérabilité En gestion des risques, la vulnérabilité d’un système est le point faible de ce système pouvant être défini par :

• Un objet de risque : ressource qui est en risque, pouvant appartenir aux trois classes techniques, naturelles ou humaines.

• Des causes : facteurs de risque ou périls, dont la survenance prive l'organisation d'une ressource partiellement ou totalement, de façon provisoire ou définitive.

• Des conséquences : impact potentiel. Il s'agit de façon générale de l'impact sur l'atteinte des objectifs fondamentaux de l'organisation.

La finalité du travail sera d’identifier les causes et les conséquences d’un disfonctionnement d’une ressource, ceci afin de conclure sur un indice de vulnérabilité. On parlera donc d’un état qui tend vers la ruine, après dégradation et affaiblissement. 4.2. ETAT DE L’ART : Les méthodes d’aide au diagnos tic Dans ce qui suit, nous allons nous pencher sur les méthodes qui permettent de réaliser le diagnostic des ouvrages hydrauliques. Cette partie va permettre de juger dans quelle mesure ces méthodes sont-elles transposables à notre cas d’étude. Nous positionnerons ces méthodes par rapport aux objectifs de la mission et aux définitions établies précédemment. 4.2.1. Démarche IQOA (Image de la Qualité des Ouvrages d’Art) par le SETRA

4.2.1.1. Description

La démarche IQOA est une méthode de classification des ouvrages destinée à fournir un indicateur sur l’état moyen d’un ensemble d’ouvrages, à partir d’une évaluation de chacun. La classification de l’ouvrage résulte d’une analyse de son état, faite à partir d’une inspection visuelle. Les résultats sont consignés dans des catalogues de désordres qui permettent l’évaluation de l’état de l’ouvrage. Gérées par le SETRA, l’ensemble des données recueillies par lQOA est traduit par un classement de l’état des ouvrages d’art allant de 1 (ouvrages en bon état apparent) à 3 (ouvrages dont la structure est altérée et nécessite des travaux de réparation, sans caractère d’urgence). Un classement 3U est attribué aux ouvrages dont la structure est gravement altérée et nécessite des travaux de réparation urgents liés à leur insuffisance de capacité portante ou à la rapidité d’évolution des désordres. La cotation s’effectue selon le schéma suivant :



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Figure 8 : quantification de la gravité par le SETR A

Parmi les différents catalogues, celui concernant les piles de pont en maçonnerie est celui qui se rapporte le plus à notre problématique. Un extrait de ce catalogue est joint en Annexe 2 : catalogue de désordres pour IQOA. 4.2.1.2. Limites de la méthode La méthode IQOA gérée par le SETRA est utilisable par un large public du fait de son listage exhaustif des désordres récurrents sur les ouvrages, du plus bénins au plus préjudiciables pour la structure et les personnes. La notion de risque est présente (avec la mention « S ») ainsi que le notion de ruine (mention « U »). Toutefois Les catalogues proposent un classement qu'il convient de ne pas reprendre sans réflexion. La gravité d'un désordre dépend en général de la présence de désordres complémentaires permettant de formuler un diagnostic qui, seul, permet de juger de la cotation de l'ouvrage ou de la partie d'ouvrage concernée. Au final les principaux éléments manquants pour l’application à notre cas sont :

• Un classement des désordres selon une relation de cause à effet (mécanisme de dégradation),

• La proposition de solution et d’investigations complémentaires, • La notion d’incertitude.

4.2.2. Démarche IQOA par le Ministère de l’économie, des finances et de l’industrie 4.2.2.1. Description Cette méthode recense tous les désordres récurrents sur les ouvrages en maçonnerie, et leur associe un indice de gravité ainsi que les causes probables et les modes de réparation possibles. C’est sur ce dernier point que la méthode mise au point par l e ministère diffère de celle élaborée par le SETRA. 6 classes de gravité sont définies comme suit :

• La classe B : Défauts à priori sans conséquences importantes autre qu’esthétiques, • La classe C : Défauts qui indiquent que l’évolution risque de se faire anormalement, • La classe D : Défauts qui signalent une évolution : • La classe E : Défauts qui traduisent une modification du comportement de la structure ou

partie de structure, • La classe F : Défauts qui traduisent la proximité d’un état limite de service de tout ou partie de

l’ouvrage et nécessitant une restriction de l’usage de l’ouvrage ou une mise hors service.



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Chaque désordre recensé, selon sa configuration, son étendue et la présence d’autres désordres, est généralement associé à une plage d’indice de gravité (ex : C à E). Nous présentons ci-après un extrait de fiche analytique pour le diagnostic et le confortement des ouvrages en maçonnerie (les modes de réparation étant tabulés)

Figure 9 : extrait d'un catalogue de désordres (Mét hode IQOA par la ministère de l'industrie)

4.2.2.2. Limites de la méthode Cette méthode IQOA gérée par le ministère de l’économie et des finances complète la précédente en ajoutant les solutions de confortement à appliquée en fonction des désordres. Au final les principaux éléments manquants pour l’application à notre cas sont :

• Un classement des désordres selon une relation de cause à effet (mécanisme de dégradation),

• La proposition d’investigations complémentaires, • La notion d’incertitude.

4.2.3. Méthode des Visites Simplifiées Comparées (VSC) 4.2.3.1. Description La méthode VSC laisse chaque gestionnaire maître de sa stratégie et de sa politique de gestion, en fonction de ses choix et de ses critères de priorité. Elle requiert une implication forte du maître d’ouvrage pour bien configurer la méthode par rapport à son patrimoine. Le gestionnaire pourra évaluer chaque ouvrage par attribution de deux indices : un indice d’état (IE) et un indice stratégique (IS) . L’indice d’état (IE) traduit l’état global de l’ouvrage selon deux composantes :

• Un indice d’état mécanique (IEm) de 1 à 4 (bon état) attribué par un spécialiste, cet indice découle d’observations visuelles révélatrices ou indicatrices de désordres significatifs d’un défaut structurel,



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• Un indice d’état d’usage (IEu) de 1 à n relevant de la responsabilité du gestionnaire, cet indice évalue la capacité de l’ouvrage à assurer sa fonction d’usage, notamment en termes de sécurité, de confort des usagers mais aussi de respect des normes.

De ces deux indices, découle l’indice d’état qui est rattaché à divers types d’actions : immédiates (mise en sécurité), curatives (à court terme), préventives (à moyen et long termes). L’indice stratégique (IS), établi par le gestionnaire, reflète l’importance de l’ouvrage au sein du patrimoine sur la base de critères tels que les enjeux financiers, les impacts sur la vie quotidienne, etc.

Figure 10 : principe schématisé de la méthode VSC

4.2.3.2. Limites de la méthode La méthode VSC fait la synthèse de trois analyses indépendantes : une expertise technique adaptée au patrimoine étudié, un examen avisé de ses fonctions d’usage, une approche stratégique de la place des ouvrages dans le patrimoine. A partir d’une structuration pertinente du patrimoine, elle permet d’acquérir une vision synthétique et d’ensemble des caractéristiques et de l’état des ouvrages, de faire remonter les problèmes de sécurité publique et aboutit à une programmation optimisée de la maintenance du patrimoine. Cependant cette méthode est valable à condition de bénéficier de la compétence d’un expert (pour la partie technique) et d’une forte implication du maître d’ouvrage dont le jugement va avoir une influence sur l’évaluation de l’état. Au final les principaux éléments manquants pour l’application à notre cas sont :

• L’analyse des désordres (relations de cause à effet), • La proposition d’investigations complémentaires, • La notion d’incertitude.

4.2.4. Méthode départementale (MD) 4.2.4.1. Description La méthode MD est une méthode d’utilisation pour alléger le travail du gestionnaire. Outre la surveillance des ouvrages et l’évaluation de leur état, elle intègre leur importance technique et socioéconomique, propose une aide à la programmation des actions de maintenance et fournit le principe d’outils macro-économiques d’aide à la définition d’une politique budgétaire. L’évaluation de l’état apparent des ouvrages s’effectue en deux étapes :

• Surveillance des ouvrages : Elle débouche sur un constat répertoriant les défauts et désordres de chaque ouvrage et identifie les ouvrages dégradés,



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• Classification des ouvrages de 1 (bon état) à 8 selon leur état apparent réalisée par les services ouvrages d’art après exploitation des résultats de la surveillance.

Pour aider le maître d’ouvrage et le gestionnaire à élaborer la programmation des actions de maintenance du patrimoine, cette méthode considère deux indices :

• L’indice de priorité socio-économique (ISE) : du ressort du maître d’ouvrage, il reflète les intérêts stratégiques, politique, économique, social, culturel que présente chaque ouvrage pour la collectivité mais aussi les orientations souhaitées par le maître d’ouvrage,

• L’indice de priorité technique (IT) : attribué par un ingénieur spécialisé en pathologie d’ouvrages, il permet d’établir un ordre de priorité de réparation pour les ouvrages nécessitant des interventions à court ou moyen terme.

Figure 11 : principe schématisé de la méthode dépar tementale

4.2.4.2. Limites de la méthode La Méthode Départementale considère divers aspects de la gestion des ouvrages (surveillance, évaluation de l’état, indice de priorité). La cotation technique de cette méthode est soumise exclusivement à l’appréciation d’un expert, elle se base sur une cotation peut être trop exhaustive (8 classes) pour des barrages mobiles, et ne peut être réalisée de manière formelle sur la base d’un catalogue de désordres par exemple. Cette méthode permet uniquement la planification d’une maintenance et n’intègre pas la notion de vulnérabilité et ruine (l’ouvrage ne présentera pas de risque de ruine étant donné la maintenance régulière préconisée par la méthode). Au final les principaux éléments manquants pour l’application à notre cas sont :

• L’analyse des désordres (relations de cause à effet), • La possibilité de se baser sur un constat visuel ponctuel, • La proposition de réparations et d’investigations complémentaires, • La notion du risque.

4.2.5. Méthode AMDE (Analyse des Modes de Défaillance et leurs effets)

appliquée aux barrages : Méthode de la sûreté de fonctionnement 4.2.5.1. Description Mise au point par le CEMAGREF, cette démarche comporte quatre étapes :



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• Etape 1 : l’analyse fonctionnelle de l’aménagement hydraulique. Une analyse externe va permettre d’obtenir les fonctions principales d’action du système et de contrainte. Une analyse interne étudie la structure en la découpant en ouvrages de génie civil homogènes, et en étudiant leurs interactions.

Figure 12 : exemple de milieux extérieurs interagis sant avec l'aménagement

• Etape 2 : La modélisation de la sûreté de fonctionnement de l’aménagement, comprenant

l’analyse et la modélisation des modes de défaillance. Pour cette étape, la méthode AMDE est utilisée ainsi qu’une représentation des scénarios par la méthode des arbres d’évènements.

Figure 13 : Analyse des modes de défaillance appliq uée à un barrage écrêteur

• Etape 3 : Une évaluation quantitative de la mesure de la sûreté de fonctionnement des

ouvrages. Il est couplé, d’une part, des mesures déclaratives issues de l’analyse physique des mécanismes et de l’expertise, d’autre part, des mesures quantitatives probabilistes.

Figure 14 : exemple de résultat d'une analyse quant itative sur un barrage en remblai

• Etape 4 : La synthèse, comprenant les scénarios les plus critiques, les ouvrages les plus

vulnérables associés à une probabilité de défaillance, et les conclusions sous forme de propositions visant à améliorer la sûreté de fonctionnement de l’aménagement.

4.2.5.2. Limites de la méthode La méthode de Sûreté de Fonctionnement est très rigoureuse. L’approche mathématique permet d’obtenir des résultats relativement justes et justifiables. Toutefois, certaines évaluations introduisent des probabilités subjectives issues du jugement expert. Ainsi, même si les ordres de grandeur restent corrects, ces mesures peuvent difficilement être extraites du contexte de l’étude. Au final les principaux éléments manquants pour l’application à notre cas sont :

• Les données probabilistes concernant les barrages mobiles, • La proposition d’investigations complémentaires.



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4.3. Repositionnement du problème posé Parmi les 5 méthodes étudiées, nous constatons qu’elles peuvent se distinguer en 2 types de diagnostic :

• Le diagnostic qui permet une évaluation rapide et parfois subjective de l’état, associé à une programmation de travaux : méthodes IQOA, VSC et MD.

• Une analyse de sûreté et de risque, qui réalise une étude probabiliste et donc peu subjective. Nous résumons dans le tableau ci après les fonctions assurées par chacune des méthodes.

IQOA

(SETRA) IQOA

(Minefi) VSC MD AMDE constat visuel ponctuel Données

nécessaires constat visuel durable (surveillance) cause des désordres Eléments de

Prediagnostic effets des désordres (mécanisme) indice technique, mécanique

indice stratégique, économique indice de confort et sécurité

Eléments de Diagnostic phase

1 Proposition d'investigations surveillance et prévention maintenance et entretien

Eléments de diagnostic phase

2 réparation Vulnérabilité

Ruine Prise en compte

du risque Incertitude (ou probabilité)

Tableau 2 : Propriétés des méthodes existantes Au final, en considérant les points forts et les points faibles des méthodes existantes, voici les idées qu’il faudra intégrer dans une méthode de diagnostic des barrages mobiles, et plus particulièrement des piles maçonnées :

• Méthode se basant sur un constat visuel rapide, • Analyse fonctionnelle de l’environnement de l’ouvrage et des systèmes constituant l’ouvrage, • Etude des relations de causes à effets entre les pathologies des différents systèmes ainsi que

leur influence sur la stabilité de l’ouvrage, • Classement des pathologies par indice de gravité selon l’avancement de la pathologie et

l’influence sur l’ouvrage, • Associer, à chaque désordre, une incertitude quant à son évolution et détectabilité, et définir

les moyens pour lever l’incertitude (investigations complémentaires), • Mise au point d’un plan d’investigation et de confortement en fonction du degré de

préoccupation. Notre méthode se situe donc à « mi-chemin » entre u n diagnostic rapide, et une analyse du risque. L’analyse du risque étant une méthode trop précise, nous allons la simplifier et l’appliquer aux piles de barrages manuels en réalisant un diagnostic du risque de ruine.



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5. Proposition et élaboration d’une méthode de diag nostic Cette partie présente la méthodologie employée pour mettre au point l’outil de diagnostic du risque de ruine des piles de barrages. Le travail aboutira à la définition de classes de vulnérabilité, selon un degré de préoccupation et une incertitude. Par ailleurs, les propositions d’opérations (suivi, investigations, maintenance, réhabilitation) se feront dans le paragraphe 6, en application aux 12 barrages de l’Yonne.

5.1. Introduction à l’analyse des pathologies Dans ce qui suit, nous allons expliquer et évaluer les types de désordres sur les piles de barrages, en tentant d’expliquer leurs causes, les paramètres qui sont entrés en jeu et enfin leurs conséquences sur le comportement et la stabilité l’ouvrage. Il existe deux causes de dégradation ou de ruine des ouvrages maçonnés en milieu aquatique :

� Les problèmes liés à la dégradation des matériaux constituant la maçonnerie. Ces matériaux évoluent dans le temps sous des sollicitations aussi bien mécaniques que physico-chimiques. Ces dégradations sont principalement dues à l’agressivité du milieu aquatique (érosion). La cause majeure pouvant affecter gravement les ouvrages fluviaux en maçonnerie est l'altération, voir la décomposition, des mortiers par action de l'eau.

� Les problèmes structurels liés aux actions mécaniques sur l’ouvrage. Il peut s’agir d’actions

directes sur l’ouvrage (charges de service, effet du batillage). Mais il peut également s’agir de forces qui résultent de modifications dans l’environnement de l’ouvrage (dragage, terrassement, remblaiement). Ces dégradations sont généralement fonctions des caractéristiques géotechniques des matériaux situés sous l’ouvrage et sa zone d’influence, ainsi que des conditions hydrauliques autour de la pile.

Ces deux grands modes de dégradation ne sont pas indépendants. En effet une maçonnerie au mortier dégradé, déjà localement affectée, sera moins apte à supporter de nouvelles sollicitations mécaniques. Par ailleurs, un ouvrage fissuré par affaissements sera plus sensible à l’action physico-chimique de l’eau en permettant son infiltration. 5.2. Les désordres liés à la dégradation des matéri aux 5.2.1. Fissuration et fractures. 5.2.1.1. Description du phénomène

Il existe deux types de fissures :

• les fissures de décollement entre différentes natures de matériaux qui correspondent le plus souvent à un état vieillissant.

• les fissures de rupture qui peuvent être traversantes (ou partielles) et qui correspondent à une sollicitation excessive.

Les fissures permettent l’infiltration d’eau dans l’ouvrage et mettent en cause sa stabilité en affaiblissant progressivement sa résistance mécanique. Les fissures dont l’écartement est de l’ordre centimétrique sont appelées des fractures .



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5.2.1.2. Causes de la pathologie Voici les types de fissures couramment relevés et leurs causes probables :

� Fissures obliques et verticales : dues à un tassement différentiel au niveau de la fondation ou à un affouillement qui ont entraîné un phénomène d’affaissement.

� Fissures ou fractures horizontales dans le parement : dues à une poussée excessive de l’eau,

ou à une altération chimique et physique du mortier.

� Fissures parallèles au couronnement (qui entraînent un désalignement de la maçonnerie et un décrochement du couronnement vers l’aval) : due à un affouillement, une fuite de matériaux par le parement (perte de blocs) ou un grand glissement.

� Fissures entre les pierres de taille : due à l’effet du vieillissement, des infiltrations d’eau qui

entraînent l’altération par érosion, par réaction chimique éventuelle ou par évaporation.

Figure 15 : exemple de fissuration verticale sur un e pile maçonnée

5.2.1.3. Moyens d’évaluation Les paramètres permettant de mesurer la gravité de la fissuration sont :

- l’orientation (verticale, horizontale, oblique) ; - la forme (rectiligne, courbe) ; - l’emplacement ; - l’importance (nombre, longueur, largeur, profondeur) ; - Particularités (effet secondaires d’éclatement, pénétration, tache) ; - L’évolution dans le temps (fissures mortes ou vivantes). Ce suivi se fait par relevés

topographiques et témoins visuels. Au-delà de ces moyens de quantification visuelle, il est possible de quantifier le phénomène de fissuration par des analyses physiques plus poussées, en se basant sur les données d’une inspection géophysique par exemple (voir en 6.2.4 p 61). En effet, la fissuration et la porosité sont étroitement liées : l’état de fissuration d’un matériau peut se quantifier par sa porosité. C’est l’indice de continuité du matériau qui caractérise la porosité :

Où Vp est la vitesse réelle de propagation du son, et Vp* la vitesse de propagation calculée à partir de la composition minéralogique (connue à l’issue d’inspections géotechniques, cf. paragraphe 6.2.3 p59) Le degré de fissuration peut ainsi être déterminé en fonction de l’indice de continuité IC du matériau :



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Figure 16 : Degré de fissuration en fonction de l'i ndice de continuité

La porosité va également influencer la circulation de l’eau au sein du matériau. Cette circulation se quantifie par la conductivité hydraulique ou perméabilité. La perméabilité d’un matériau est entièrement déterminée par l’importance de sa porosité, et donc de son degré de fissuration. 5.2.2. Disjointoiement- Descellement de pierres – Chute de Blocs. 5.2.2.1. Description du phénomène Dans le cas d’un descellement, il y a suppression totale de la liaison mécanique entre les éléments. Il pourra par suite y avoir un désalignement de la maçonnerie voire un déchaussement total des pierres de taille.

Figure 17 : exemple de descellements et perte de bl ocs

5.2.2.2. Causes de la pathologie

Le descellement est la conséquence du disjointoiement, de l’érosion, de la végétation parasite, et de la dégradation des pierres en profondeur (Voir aussi les pathologies chimiques en 5.2.6). 5.2.2.3. Moyens d’évaluation

Le déchaussement total des pierres de taille est préjudiciable dans la mesure où la partie interne massive de la pile, celle qui assure sa stabilité, n’est plus protégée et s’expose aux attaques de l’environnement aquatique. Le disjointoiement est le signe avant-coureur d’un éventuel descellement. La perte des blocs est le signe d’un descellement très avancé et préjudiciable pour la structure.

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5.2.3. Dégradation de la pierre. 5.2.3.1. Description du phénomène

La pierre de taille peut se présenter sous des formes diverses. Le désordre peut se traduire sous forme de désagrégement de la pierre sans surcreusement, sous forme d’épaufrures (dégradation avec surcreusement), d’éclatement (signe d’une perte soudaine du matériau de la pierre), voire de fissuration au sein de la pierre (plus rare et non observé lors des inspections visuelles).

Figure 18 : exemple d'éclatement de la pierre

5.2.3.2. Causes de la pathologie Les agents entraînant l'altération des pierres sont de plusieurs origines : - l'environnement organique. De nombreux organismes vivants peuvent attaquer la pierre (et a fortiori les joints de la maçonnerie). Il peut s'agir de bactéries ou de végétaux tels que les algues, lichens ou mousses. - l'environnement climatique. En France la durée des périodes de gel, la fréquence des cycles gel-dégel et l'amplitude des variations de températures ne sont pas telles que leur incidence en soit déterminante sur l'altération de la pierre. Ces éléments interviennent plutôt comme des paramètres aggravants que déterminants. - l'environnement fluvial. Il s'agit surtout de l'action mécanique des vagues qui, outre une dislocation de la maçonnerie, peut provoquer une usure de la pierre notamment par abrasion en raison de la présence possible d'éléments solides dans l'eau : sables, galets et embâcles, ou encore les chocs direct de bateaux. La présence de composés chimiques expansifs peut également aggraver le phénomène de dégradation (voir paragraphe sur les pathologies chimiques).

5.2.3.3. Moyens d’évaluation Les différentes formes d’altération de la pierre sont un indice de gravité de ce type de désordre. Le désagrégement sans surcreusement et les épaufrures affectent la pierre de manière visible, mais a part le manque d’esthétisme, ils n’ont pas de conséquences graves direct ni sur son rôle fonctionnel, ni sur son rôle structurel. Les éclats peuvent favoriser l’infiltration d’eau, c’est le signe d’une faiblesse du matériau et l’apparition de fissures dans la pierre peut être la conséquence de ce phénomène. 5.2.4. Bombement ou gonflement (pile ou fond du puits). 5.2.4.1. Description du phénomène. C’est un mouvement vers l’extérieur des éléments de la structure qui peut s’accompagner d’un appauvrissement de la qualité des joints entre les moellons. Il entraine un disjointoiement puis un descellement voire une chute de la pierre, et peut même, dans les cas les plus graves, amener à la fissuration structurelle de la pile.



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Figure 19 : exemple de bombement du parement vertic al

5.2.4.2. Causes de la pathologie.

Le bombement est du à une poussée excessive de l’eau et/ou à une altération chimique du mortier de remplissage par l’eau. 5.2.4.3. Moyens d’évaluation. Les sols ou les matériaux hautement plastiques ont la propriété de gonfler s'ils sont mis en contact avec l'eau. L'intensité du gonflement dépendra de l'argile que contiennent les minéraux et de la teneur en eau initiale de l'argile (d’où la nécessité d’investigations géotechnique pour caractériser les matériaux). Le stade initial d’un bombement est le désalignement des maçonneries de parement.

5.2.5. Percolations.

5.2.5.1. Description du phénomène.

L’eau s’insinue dans toute fissure de maçonnerie en milieu aquatique. Dans une structure fissurée, il va y avoir migration d’eau, du bas vers le haut, par capillarité. C’est ainsi que les parties de la pile qui ne sont pas forcément en contact avec l’eau peuvent en subir néanmoins les dégradations. Les barrages soumis depuis plusieurs décennies à des percolations plus ou moins importantes subissent un lessivage et une érosion des mortiers qui conduisent progressivement à une perte de matière du corps de l’ouvrage. Ces phénomènes de vieillissement des matériaux entraînent une diminution de la densité de la maçonnerie et un affaiblissement de la résistance mécanique.

5.2.5.2. Causes de la pathologie.

Le phénomène se produit lorsqu’il y a perte de l’enduit (destiné à protéger la maçonnerie contre l’imprégnation d’eau), l’enduit dégradé ou fissuré ne pouvant plus jouer son rôle protecteur, il y a infiltration d’eau à travers la pile. 5.2.5.3. Moyens d’évaluation.

La pénétration d’eau sera plus ou moins rapide en fonction de l’importance et de la forme de la fissure (voir paragraphe 5.2.1 sur la fissuration). La fissuration va augmenter la porosité du matériau, la pile va donc présenter de nombreuses cavités.



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5.2.6. Pathologie chimique. 5.2.6.1. Description du phénomène.

La dégradation chimique va tout d’abord entraîner une désagrégation progressive des joints pour ensuite attaquer le mortier de remplissage (ou hourdage). Ceci va favoriser l’apparition d’efflorescence ou concrétions sur le parement dus au dépôt d’éléments fins par l’eau provenant de l’intérieur du massif (indice d’une attaque profonde). Enfin il peut y avoir gonflement de la maçonnerie à ce niveau et risque de désagrégation partielle ou totale si le phénomène se développe. 5.2.6.2. Causes de la pathologie.

Voici les types d’altérations chimiques qui peuvent se rencontrer au sein des éléments maçonnés et leurs causes :

� Le gonflement ettringitique : la présence d’ettringite est due à la réaction directe entre

l’aluminate tricalcique du mortier et les sulfates de l’eau. D’apparence poudreuse en milieu sec, l’ettringite se présente sous la forme d’une pâte blanchâtre en milieu humide. Lorsqu’il se présente sous cette forme compacte, ce produit devient très expansif en présence d’eau.

� La dégradation des mortiers peut être due à l’attaque de la chaux libre (contenue dans les

mortiers) par l’eau. Lorsque cette chaux libre s’hydrate, elle forme de l’hydrate de chaux qui est soluble dans l’eau. Ce composant passe dans l’eau et il en résulte un vieillissement du mortier par accroissement de sa porosité.

� La réaction alcali-granulats : réaction des composés alcalins du mortier soit avec la silice de

certaines roches (formation de gel expansifs et fissuration) soit avec les composés carbonates des roches (décohésion de l’interface pâte-granulat par dissolution superficielle du granulat et fissuration du mortier). Ce phénomène se caractérise par l’apparition de fissures dans le mortier des joints. Dans certains cas, lorsque les alcalins s’attaquent à la pierre, celle-ci se désagrège au contact du joint puis peu à peu dans sa masse.

5.2.6.3. Moyens d’évaluation.

L’importance de toute pathologie chimique se mesure par l’aspect extérieur de la pile : efflorescence, descellement, bombement. Par ailleurs, le gonflement ettringitique est un indice grave d’attaque de la maçonnerie. En effet le gonflement va entraîner la désagrégation du mortier en parement tout d’abord, puis au sein du massif en entraînant un gonflement de l’ouvrage pouvant conduire à sa dislocation puis à sa ruine totale. Si aucun aspect extérieur n’indique la présence d’une pathologie chimique, des investigations géotechniques peuvent être nécessaires. 5.3. Les désordres d’ordre structurel 5.3.1. Généralités. Ces pathologies se manifestent le plus souvent par une déformation des profils en long et en travers de l'ouvrage, accompagnée en général par une fissuration, voire une fracturation complète, pierres incluses éventuellement. Si le phénomène se poursuit les dégradations peuvent s'accentuer rapidement, notamment en fonction des conditions de site, allant jusqu'à des décollements de parement, à l'apparition de cavités et à des effondrements locaux. On distingue principalement au sein des désordres mécaniques et structuraux:

• Les tassements de l'ouvrage dus à la consolidation ou plus généralement à un fluage d'une couche de sol sous-jacente. Il s'agit généralement d'une couche de matériaux argileux



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soumise à un niveau de sollicitation excessif ou variable dans l’espace (tassements différentiels).

• La diminution de la portance des fondations par enlèvement des sols (érosion, affouillements, dragages...) devant les ouvrages. Cette diminution de portance résulte la plupart du temps d'une diminution de l'encastrement de la fondation dans le terrain.

Ces différents phénomènes sont associés à l’apparition de cavité sous ou en aval de la fondation. Ils conduisent en général à un affaissement voire un effondrement. 5.3.2. L’affouillement. 5.3.2.1. Description du phénomène.

L’affouillement entraîne une diminution de portance du sol support qui résulte la plupart du temps d'une diminution de l'encastrement de la fondation dans le terrain. Dans un stade plus avancé, l’affouillement peut également favoriser la circulation d’eau sous la pile ou le radier et entraîner le glissement général de l’ouvrage suite à l’érosion régressive. De très nombreux ouvrages, des ponts, des quais, des barrages, des ouvrages de protection, ont été détruits parce que les affouillements sont descendus au voisinage ou en dessous du niveau de leur fondation, provoquant l’effondrement de la pile par manque de portance, ou à un degré moindre, leur fissuration verticale. Il est par conséquent primordial de comprendre le mécanisme causant l’affouillement local au pied des piles. On pourra ainsi déterminer la profondeur de l’affouillement et mesurer le risque d’un tel phénomène.

Figure 20 : schéma descriptif de l'affouillement lo cal autour d'une pile cylindrique

Figure 21 : exemple d'un affouillement observé sous la pile du barrage de Villeperrot

Pile cylindrique Niveau d’eau

Champ de vitesse

Zone d’affouillement du

radier



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5.3.2.2. Causes de la pathologie. Il est dû à l’action du courant, la modification du régime hydraulique et l’évolution du tracé du lit de façon naturelle ou artificielle. L’action érosive de l’eau sur le sol support en est la cause principale.

5.3.2.3. Moyens d’évaluation.

Des études expérimentales (CHABERT et ENGELDINGER 1956), ont mis en évidence le fait que, pour une pile et un matériau de fond donné, l’affouillement maximal est obtenu pour des conditions d’écoulement correspondant au début de charriage continu du matériau du fond. C'est-à-dire que la profondeur maximale de l’érosion est obtenue lorsque la vitesse d’écoulement atteint la vitesse critique de début de charriage continu du sédiment. Les conclusions des études déjà réalisées indiquent que la profondeur d’affouillement va atteindre une limite au-delà de laquelle elle n’évoluera plus ou peu. C’est la valeur de cette limite qui va nous permettre de mesurer le phénomène sur une pile de barrage. Les paramètres permettant d’analyser et quantifier le phénomène d’affouillement sont :

- La largeur de la pile D (m) - La vitesse moyenne du courant U (m/s) - La vitesse critique du charriage Uc (m/s) - La hauteur d’eau H (m) - L’angle d’attaque du courant α (°) - La longueur de la pile l (m) - La granulométrie du sol affouillable.

Pour un sol frottant la profondeur maximale de l’affouillement Pm s’écrit (d’après BREUSERS et AL) :

Avec :

Et le facteur de forme f3 se déterminant par l’abaque suivant :



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La formule devient Pm = 2D pour un angle d’incidence nul, une pile avec avant et arrière bec profilés, et une vitesse d’écoulement supérieure à la vitesse critique de charriage. Cette formule étant sécuritaire, elle pourra être considérée en première approche Le phénomène d’affouillement présente donc un risque réel, mesurable dans l’espace mais difficilement quantifiable dans le temps. La composition du sol (faisant intervenir Uc dans les équations) est un paramètre déterminant de l’affouillement. Elle est déterminée par la reconnaissance et l’étude géotechnique du sol porteur (voir paragraphe 6.2.3.2 p 59). 5.3.3. Le tassement. 5.3.3.1. Description du phénomène.

Les éventuelles nuisances initiées par le phénomène de tassement résultent principalement du développement de tassements différentiels. En effet le tassement absolu n’est un phénomène gênant que dans la mesure où l’abaissement est préjudiciable à l’utilisation de l’outillage supporté, en totalité ou en partie, par l’ouvrage. Le tassement différentiel, lui, se définit en terme de gradient de tassement. La prévision du tassement différentiel est indispensable dans la conception d’un ouvrage. Ce type de désordre est de nature à engendrer la fissuration verticale de la structure maçonnée. Sauf exception, l'intensité d'un phénomène de tassement demeure limitée (ordre centimétrique à décimétrique). 5.3.3.2. Causes de la pathologie. La prédisposition d'un site à ce type de mécanisme, assez rare, dépend de la conjugaison de plusieurs facteurs :

• la nature et la granulométrie des matériaux du sol support ; • la présence de terrains sensibles au phénomène de compaction (tourbe notamment) ; • des conditions hydrogéologiques défavorables (remontée de nappe, phénomènes de renard).

Les tassements différentiels résultent des différences de répartition des contraintes sous la semelle, ou de l’hétérogénéité même du sol.

5.3.3.3. Moyens d’évaluation. C'est principalement l'amplitude verticale qui conditionne l'intensité du phénomène prévisible. Puisqu'il s'avère généralement difficile de prévoir les gradients d’amplitude des tassements différentiels, on se réfère généralement à l'amplitude des tassements globaux prévisibles. Il convient ainsi de comparer le comportement de l’ouvrage dans les différents profils de terrain possibles sous une même combinaison d’actions. Lorsque peu perceptibles visuellement, les mouvements de l’ouvrage peuvent être descellés par auscultation topographique (paragraphe 6.2.2 p58). 5.4. Mécanismes et gravités A l’issue de l’analyse détaillée des pathologies remarquables sur les piles maçonnée des barrages mobiles, il apparaît que les désordres sont en relation. Plus les relations sont nombreuses et plus le mécanisme de dégradation est avancé. L’évaluation d’un ouvrage va donc dépendre premièrement du degré d’avancement et de l’emplacement du désordre. Deuxièmement, de la présence d’autres désordres, pouvant suggérer un état de dégradation plus ou moins grave. La première étape est de distinguer les environnements et les systèmes constituants notre ouvrage (cf. Méthode de sûreté de fonctionnement) : 2 environnements sont présents :

• L’eau, • Le sol.



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3 systèmes constituent l’ouvrage :

• La pile maçonnée, comprenant 2 objets : � La structure externe : pierres de parement et couronnement � La structure interne : moellons et mortier

• La fondation, comprenant 3 objets : � Le radier maçonné sur lequel repose la pile, � Le rideau parafouille en aval, ayant un rôle protecteur et imperméabilisant, � Les enrochements protecteurs en aval, pour prévenir des affouillements.

• La vantellerie, qui peut être soit constituée de hausses (appui sur le radier uniquement) ou d’aiguilles (appui sur la pile et le radier) selon le type de barrage.

Chaque environnement et systèmes interagissent par différents mécanismes de dégradation. Il est entendu que tous les mécanismes n’ont pas le même impact sur l’état de l’ouvrage. L’importance va dépendre de l’avancement du mécanisme d’une part (nombre de désordres), et de l’avancement des désordres constituant le mécanisme d’autre part. Les mécanismes les plus préjudiciables vont conduire à la ruine. Nous présentons ci-après le schéma fonctionnel illustrant les relations entre systèmes et environnements. Il convient de préciser que la notion de « Ruine » signifie ici la modification profonde d’un système ou d’un environnement qui ne peut, de ce fait, plus assurer sa fonction :

• Ruine de l’eau = perte du bief, • Ruine de la vantellerie = perte des appuis et chute, • Ruine de la pile = perte de la fonction « barrage poids » (ne peut plus résister à la poussée de

l’eau). On considère de plus que le sol, et donc le radier ne peuvent ruiner mais subissent uniquement des dégradations plus ou moins graves. Ceci se justifiant par le fait que les modifications du sol se font relativement lentement dans le temps et ne peuvent être assimilées à une rupture. Par ailleurs, cette analyse de désordre nous a permis d’élaborer des schémas fonctionnels de dégradation, qui vont servir d’appui à la classification des pathologies par classe de gravité. (Schémas disponibles en Annexe 3 : Schémas fonctionnels de dégradation).



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Figure 22 : schéma fonctionnel des relations entre systèmes et environnement



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5.5. Evaluation de l’état

Dans cette partie, nous allons proposer une méthode rapide de diagnostic des piles de barrage sur la base d’inspections visuelles. Cette méthode va passer par une cotation des désordres dans un premier temps. Dans un deuxième temps, un classement des piles de barrage pourra finalement se faire en fonction :

• De la gravité des désordres, • Des mécanismes de dégradation, • Des incertitudes liées aux désordres pressentis et aux désordres évolutifs.

5.5.1. Gravité des désordres :

Par rapport à l’analyse des désordres en 5.2 et 5.3, et la mise au point des mécanismes de dégradation possibles, il a été recensé 5 classes de gravité de désordres :

• mineurs, • affaiblissants, • majeurs, • potentiellement à risque, • à risque.

Chacune de ces classes est définie comme suit : • Les désordres mineurs ne sont pas de nature à remettre en cause la stabilité de la structure.

Ce sont des désordres fonctionnels, le plus souvent dus au vieillissement et à l’action érosive de l’eau,

• Les désordres affaiblissants sont symptomatiques d’un affaiblissement de la structure. Ce sont des désordres quasi-structurels qui entraînent également une fragilisation de l’ouvrage,

• Les désordres majeurs sont des désordres liés à une déformation de la structure. Ces désordres affaiblissent fortement la structure, ils la dégradent progressivement, et leur évolution est fortement pressentie,

• Les désordres potentiellement à risque sont des indicateurs signalant une perte avérée de résistance mécanique ou des désordres pouvant générer une perte de résistance,

• Les désordres à risque traduisent une mise hors service imminente de la pile. Ce type de désordre n’a par ailleurs pas été constaté à ce stade des inspections.

Ces classes ont pu être élaborées en fonction de la position du désordre dans le processus de dégradation (proximité avec l’état de ruine). Ces schémas, disponibles en Annexe 3 : Schémas fonctionnels de dégradation, sont le fruit de l’étude des pathologies d’une part, et l’analyse fonctionnelle d’autre part. Ils seront par ailleurs utiles afin d’évaluer l’état de l’ouvrage. Le diagnostic résulte donc d’une mise en relation des schémas fonctionnels et du tableau présenté ci-après.

En effet, Les désordres analysés précédemment, sont tous apparents dans les schémas fonctionnels et sont reportés dans un tableau selon leur gravité (dans le but d’affiner l’étude, chacun des désordres relevés est associé à un degré d’avancement faible ou fort) :



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Gravité des Désordres

mineurs affaiblissants majeurs potentiellement à risque A risque

Perte d'enduit généralisée

Bombement / Gonflement localisé

Perte d'enduit localisée Disjointoiements généralisés

Décrochement du couronnement

Bombement généralisé Disjointoiements

localisé Poussée de végétation

généralisée Affouillement du radier

proche de la pile Fracture verticale

Végétation parasite localisée

Eclatements de la pierre généralisés

Affaissement sans fracture

Affouillement du radier sous la pile

Eclatement de la pierre localisé

Descellements généralisés

Chutes de blocs généralisées

Affaissement avec fracture

Proche de l’état de ruine

Descellement localisé Chute de bloc localisée Fracture entre les pierres

Perte de masse volumique

Cavité dans la pierre localisée

Fissuration entre les pierres Fracture sur le dallage Fuite d'eau

Epaufrures Fissuration sur le dallage

Fissuration verticale Tassement différentiel

Joints humides Suintement d'eau

Dégradation proche des appuis vantellerie

Tableau 3 : classes de gravité des désordres

Les désordres dans un état d’avancement faible seront reportés en gris clair, et ceux dans un état d’avancement fort, en gris foncé. Ces derniers pourront fortement faire passer l’ouvrage dans une classe de gravité supérieure si une évolution ou un vice caché sont pressentis.

L’ouvrage sera finalement classé selon les degrés de préoccupation suivants :

Degré de préoccupation 5 4 3 2 1

ouvrage dans un état correct

ouvrage dans un état affaibli

ouvrage dans état très affaibli

ouvrage dans un état potentiellement à risque

ouvrage à risque

Le degré de préoccupation se déterminant en repéran t les désordres relevés dans les processus de dégradation et en tentant de sortir un mécanisme de dégradation plus ou moins préjudiciable pour la structure. L’attribution de ce degré de préoccupation se fait à l’appréciation de l’utilisateur, sachant que le classement devra prendre en compte le nombre de désordres constatés ainsi que leurs classes de gravité respectives. Une quantification de principe de l’état des ouvrages de l’Yonne est présentée en 6.1.3.2 p 54 (fiche informatique d’évaluation). 5.5.2. Prise en compte de l’incertitude :

Une fois tous les désordres dénombrés avec leurs possibles interactions, un mécanisme de dégradation peut être déduit. Il est possible qu’un désordre non observé, mais fortement pressenti au vu des désordres et de leurs interactions, puisse intervenir dans ce mécanisme. Cet élément manquant ajoute une incertitude à notre classement, incertitude qui devra être levée par des investigations complémentaires d’auscultation et de suivi.



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L’incertitude liée aux désordres non constatés mais pressentis va nous amener à classer l’ouvrage dans un degré de préoccupation supérieur s’il y a :

• Détection du désordre par les investigations complémentaires, • Non-détection du désordre.

L’incertitude liée à l’évolution des désordres constatés va nous amener à classer l’ouvrage dans un degré de préoccupation supérieur s’il y a :

• Evolution du désordre constaté par suivi, • Stabilisation constatée lors du suivi.

L’évaluation de cette incertitude se traduit dans le tableau suivant, à remplir :

Tableau 4 : gestion de l'incertitude

L’évaluation d’un ouvrage se fera donc sur la base des constatations visuelles et subaquatiques des dégradations, leur localisation et les mécanismes possibles.

La notion d’incertitude permet de faire avancer la méthode vers des investigations complémentaires à mener pour préciser le diagnostic . Dans un premier temps, étant donné le manque d’information concrètes sur les pathologies, une modélisation numérique est effectuée pour montrer les conséquences potentiellement à risque d’un désordre caché ou évolutif.

5.6. Modélisation numérique sous PLAXIS 8.0 Dans le but de justifier les hypothèses sur la gravité de certaines pathologies et ainsi justifier la méthode de diagnostic applicable aux piles de barrages, nous réalisons dans cette partie une étude paramétrique sous PLAXIS. Cette étude nous permet de nous familiariser avec le comportement de l’ouvrage en phase de dégradation, et elle pourra nous orienter vers les opérations à mener ultérieurement.

5.6.1. Généralités Plaxis V8 est un logiciel géotechnique aux éléments finis spécialement destiné à l’analyse en 2D des déformations et de la stabilité des sols et structures. Ces applications géotechniques nécessitent des lois de comportement pour la simulation du comportement des sols et des roches, non linéaire, dépendant du temps et anisotropique. Le programme utilise une interface graphique pratique permettant aux utilisateurs de générer rapidement un modèle géométrique et un maillage d’éléments finis basés sur la coupe verticale de l’ouvrage à étudier. La génération du modèle d’éléments finis commence par la création du modèle géométrique, qui est la représentation du problème réel à étudier. Un modèle géométrique consiste en des points, des lignes et des couches. En plus de ces composants de base, des éléments de structure et des conditions spéciales peuvent être ajoutés au modèle géométrique pour simuler les plaques,



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l’interaction sol-structure ou les chargements. Le modèle géométrique doit non seulement comporter la situation initiale, mais aussi les éventuelles étapes de construction ou dégradation (dans notre cas d’étude) à considérer dans les phases ultérieures. Après la définition de la géométrie, l’utilisateur devra saisir les paramètres relatifs aux matériaux puis, assigner ces jeux de données aux éléments géométriques. Lorsque le modèle géométrique est entièrement défini, et lorsque les propriétés de tous les éléments géométriques ont été affectées, le modèle géométrique est terminé et le maillage peut être généré. Parce qu’il permet d’étudier un système sol-structure en tenant compte des propriétés physiques et mécaniques des matériaux, ceci tout en intégrant un calcul des pressions hydrostatiques, Plaxis est un logiciel adapté pour la modélisation d’une structure maçonnée (de type pile de barrage) sur un sol support. Par ailleurs, le modèle géométrique va nous permettre de simuler des étapes de dégradation telles que la chute de blocs ou l’affouillement. 5.6.2. Eléments pour la modélisation Dans le but d’avoir un modèle le plus réaliste possible, il convient de définir et expliquer les subtilités du logiciel qui vont nous permettre d’effectuer des calculs de déformation et contrainte sur une structure maçonnée. Tout d’abord il est important de distinguer les éléments constitutifs de notre modèle, à ces différents éléments nous appliquerons des propriétés différentes :

• La pile maçonnée, • Les liaisons au mortier entre les pierres de taille constituant la pile, • Le radier maçonné, • Le sol support, • Les appuis de la passerelle d’accès, • Le rideau parafouille en aval du radier.

Plaxis offre des fonctions permettant de modéliser chacun de ces éléments. 5.6.2.1. Modélisation du rideau parafouille : fonction plaque Pour la modélisation d’une plaque, Les paramètres les plus importants sont la rigidité de flexion EI et la raideur axiale EA. A partir de ces deux paramètres, l’épaisseur équivalente de la plaque est calculée à partir de l’équation :

Son rôle est de protéger la structure contre les affouillements et de diminuer le gradient hydraulique en ayant un rôle imperméabilisant. Il a été choisi un rideau de palplanches de profil GU 7-600, dont les caractéristiques sont les suivantes : Module d’Young E = 210 000 MPa Section du profilé A = 100 cm²/m Moment d’inertie du profilé I = 11350 cm4/m Poids du profilé w = 0,470 KN/m 5.6.2.2. Modélisation d’une liaison au mortier : fonction rigidité d’interface Pour la modélisation d’une liaison mécanique entre les pierres de maçonnerie, la fonction d’interface entre matériaux sera utilisée. Une "épaisseur virtuelle" est assignée à chaque interface. C’est une dimension fictive utilisée pour définir les caractéristiques du matériau affectées à l’interface. Cette épaisseur est définie par le facteur Rinter (il vaut 0 s’il n’y a aucune liaison, il vaut 1 si la liaison est totale). Le critère de Coulomb est utilisé pour distinguer le comportement élastique, où de petits



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déplacements peuvent apparaître aux interfaces, et le comportement plastique pour lequel des glissements permanents peuvent se produire. Pour les interfaces dont le comportement reste élastique, la contrainte tangentielle t à l’interface est donnée par :

Et pour un comportement plastique t est donné par:

Où ϕi et ci sont l’angle de frottement et la cohésion de l’interface. Les caractéristiques de résistance de l’interface sont liées aux propriétés de résistance de la couche de sol. Chaque jeu de données inclut un facteur de réduction de la résistance pour les interfaces (Rinter). Les caractéristiques de l’interface sont calculées à partir des propriétés du matériau associé et du facteur de réduction de la résistance, en suivant les règles suivantes :

A titre d’exemple, il est classique de prendre un Rinter d’environ 2/3 pour un contact sable-acier et d’environ 1/2 pour des contacts argile-acier. 5.6.2.3. Modélisation du radier et de la pile maçonnés : modèle de matériau élastique

linéaire Pour la modélisation des structures maçonnées, nous utiliserons le modèle linéaire élastique. Ce modèle représente la loi de Hooke pour l’élasticité linéaire et isotrope. Le modèle comporte deux paramètres de rigidité élastique, le module d’Young, E, et le coefficient de Poisson, v. Bien que le modèle linéaire élastique soit très limité pour simuler le comportement d’un sol, il est utilisé principalement pour des structures rigides massives placées dans le sol. Nous choisirons : γsat = 24 kN/m3 γunsat = 23 kN/m3 Perméabilités horizontale et verticale : kx = ky = 1E -8 m/s Eref = 50 000 MPa* v = 0,2 Rref = 1,0 *Calcul du module d’Young des maçonneries par la méthode de l’acoustique en milieu fini (dans le cas d’ondes sonores et dans la limite du domaine élastique) :

ρE

Vson =

Avec E en pascal, sonV en m/s et ρ en kg/m3.

La vitesse du son dans les maçonneries en bon état étant d’environ 4600 m/s (source LERM, diagnostic de l’altération de la maçonnerie des piles de barrages, 2005). Il vient E = 50 000 MPa pour une masse volumique de 2300 kg/m 3 (soit un poids volumique de 23kN/m 3).



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5.6.2.4. Modélisation du sol porteur : modèle de Mohr-Coulomb Pour la modélisation du sol support, nous utiliserons le modèle de Mohr-Coulomb. Ce modèle bien connu est utilisé généralement comme une première approximation du comportement d’un sol. Ce modèle comporte cinq paramètres : le module d’Young, E, le coefficient de Poisson, v, la cohésion, c, l’angle de frottement, φ, et l’angle de dilatance, ψ. Un sable dense est choisi pour constituer le sol support, avec les caractéristiques suivantes : γsat = 21 KN/m3 γunsat = 18 KN/m3 kx = ky = 1E -6 m/s Eref = 200 MPa v = 0,35 Rref = 1,0 Φ = 40° C = 10 kPa 5.6.2.5. Modélisation de l’appui de la passerelle d’accès La passerelle ayant une zone d’appui d’environ 1 m sur la plateforme de la pile, nous simulerons cet appui par une charge linéaire uniformément répartie dont la valeur sera définie par la suite. Une charge d’exploitation répartie est ajoutée sur la pile à modéliser. Le calcul de la charge due à la passerelle métallique s’effectue ainsi :

• Charge d’exploitation = 3,5 kN/m² = 350 kg/m²

• Charge permanente (poids propre) : ρacier = 7 850 kg/m3 En supposant une épaisseur moyenne de 20 cm, on a : Poids propre = 7 850 * 0,2 = 1 570 kg/m² = 15,70 kN/m²

Une passerelle mesurant environ 15m de long (et 1m de large), la charge totale répartie transversalement sur chaque appui vaudra :

(3,5+15,7)*15/2 = 144 kN/m

15 m

Poids propre + charge d’exploitation

6 m

Pile centrale

Pile centrale Pile latérale



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5.6.3. Protocole de modélisation En premier lieu, la limite inférieure du sol support a été bloquée en translation horizontale et verticale, et les limites latérales bloquées en translation horizontale afin de coller au mieux à la réalité. Pour le calcul aux éléments finis un maillage de densité moyenne est réalisé :

Figure 23 : modélisation de la structure sous PLAXI S Les hauteurs d’eau de part et d’autre de la structure sont également à définir. Nous nous plaçons dans le cas d’une hauteur d’eau de 2m40 en amont et 0,6m en aval. En phase initiale, le profil des écoulements dans le sol est le suivant :

Figure 24 : profil des écoulements sous PLAXIS

A noter que le rôle imperméabilisant du parafouille est visible à l’aval du radier, avec pour conséquence une diminution du gradient hydraulique. Ce gradient hydraulique vaut :

i = ∆h/L=1,2/ (0,4+7,6+2,4+2,8)=0,091

Sans parafouille ce gradient vaudrait : i = ∆h/L=1,2/8,4=0,143

Tandis que le gradient critique vaut :

Conditions limites

420

cm

600 cm

240

cm

300

cm

760 cm

280

cm

40 c

m



41

1,110

1021 =−=−

w

wh

γγγ

Le rideau parafouille d’une fiche de 2,8 m permet donc d’abaisser de presque 40% le gradient hydraulique. Ce gradient restant, quoiqu’il en soit, bien inférieur au gradient critique, il n’y aura donc pas de phénomènes de Renard dans le sol support. 5.6.4. Les phases de calcul Au cours du calcul, 7 étapes, traduisant un degré d’avancement croissant de la dégradation, seront simulées :

• Etat non dégradé, • Chutes de blocs de la pile, • Début d’affouillement du radier côté aval, • Affouillement du radier s’étendant de 1m sous le radier, • Début d’affouillement du sol à l’aval et dégradation du parafouille, • Affouillement du sol et dégradation du parafouille avancés, • Affouillement global très avancé, (peu probable, cette phase va permettre de

mettre en évidence des variations de déplacements et contraintes plus marquée que lors des phases précédentes).

Ces étapes sont à mettre en relation avec les désordres récurrents observés sur les piles centrales (affouillement et chute de blocs). Pour chacune de ces situations, et étant donné les observations de terrain réalisées, nous étudierons :

• Le déplacement (total ou horizontal selon les cas) du couronnement aval, • La contrainte de cisaillement maximale au pied de la pile,

En effet, lors des inspections visuelles, le couron nement était la partie de l’ouvrage qui semblait subir les plus grands déplacements. Tandis que la liaison pile radier est censée reprendre les efforts de la poussée hydraulique sur la pile et est donc soumise aux contraintes les plus importantes. Les configurations géométriques de chaque phase sont jointes en Annexe 5. 5.6.5. Résultats de la modélisation 5.6.5.1. Résultats de la phase initiale et la phase finale Dans ce qui suit, nous présentons les résultats de déformations et de contraintes sans prendre en compte l’influence des paramètres de poids ou de rigidité. En effet, les déformations et la répartition des contraintes ont la même allure pour des valeurs de paramètres différents. Seules leurs intensités changent. Cette partie va donc permettre de comprendre comment se déplace la structure au cours du processus de dégradation, et quels efforts sont générés au sein de la structure, ceci pour des caractéristiques de matériaux courantes. Sont présentés, pour la phase initiale et la phase finale :

• L’état de déformation, • L’état de contraintes de cisaillement.

A noter que les résultats des phases intermédiaires sont fournis en Annexe 5.



42

En phase 1 : Etat normal

Figure 25 : déplacements

Figure 26 : contraintes de cisaillement

Figure 27 : répartition des contraintes de cisaille ment verticales et horizontales

Nous constatons qu’à ce stade, les déplacements sont relativement faibles sur le couronnement (de l’ordre de 0,1mm), ces déplacements se résument à un léger gonflement du sol support à l’aval du rideau parafouille (0,4mm), et un faible déplacement du parement vertical amont de la pile, soumis à la poussée hydrostatique (0,3mm). Les contraintes de cisaillement, quant à elles, se concentrent à ce stade dans le radier qui reprend les efforts du à la différence de charge hydraulique entre l’amont et l’aval. On constate toutefois que la contrainte de cisaillement est maximale à la liaison pile-radier en aval. Pour cette phase les contraintes seront de l’ordre de 500 kPa.

Environ + et – 400 kPa

Environ 400 kPa Coupe horizontale renvoyant

les contraintes verticales

Coupe verticale renvoyant les contraintes horizontales



43

En observant les diagrammes des contraintes de cisaillement horizontales et verticales, nous constatons que la valeur maximale est bien atteinte en pied de pile. Par ailleurs un phénomène de basculement de la pile est visible en observant les contraintes de cisaillement verticales en pied de pile.

Phase 7 : affouillement global

Figure 28 : allure de la déformée (*500)

Figure 29 : sens et importance des déformations (se lon la taille de flèche)

Déplacements Contraintes de cisaillement

Nous sommes cette fois dans un état proche de la rupture, de nombreux points plastiques apparaissent. L’affouillement global fait, comme illustré sur la Figure 29, tourner la pile autour d’un axe perpendiculaire à la vue, cet axe se situant dans le sol support. La moitié aval de la pile, et la partie supérieure pas encore affouillée du radier, sont sujets aux plus grands déplacements (1 à 2 mm). Les contraintes sont encore plus concentrées à la limite amont de l’affouillement. Cette zone, soumise au poids propre de la pile et à la poussée horizontale de l’eau est la seule qui fait l’objet de telles sollicitations (environ 9000 kPa), ce qui va permettre de localiser l’étude, et ainsi les solutions à apporter au problème d’affouillement. Le reste de la structure ne subissant que peu de cisaillement.



44

5.6.5.2. Conclusion Cette étude qualitative a permis une première approche des états de déformations et de contraintes dans la structure. De plus, cette étude préliminaire va nous permettre de localiser les points à étudier dans le cadre de l’étude de sensibilité. C’est principalement le couronnement aval du couronnement qui subit les plus grands déplacements au cours de ces phases. Nous nous intéresserons à ce point pour évaluer l’influence de la variation des divers paramètres choisis. D’autre part, de la phase 1 à la phase 7, c’est le pied de pile (ou la liaison radier pile) qui est sujet au plus grandes contraintes de cisaillement. Nous consacrerons donc l’étude de sensibilité au point ou la valeur de contrainte est maximale dans cette zone. Dans le cadre de notre simulation, qui a pour but d’étudier l’influence d’un vieillissement des matériaux ou d’un problème structurel sur les déformations et les contraintes au sein de la pile maçonnée, voici les paramètres que nous feront varier afin de réaliser une étude de sensibilité :

• Poids volumique saturé en eau γsat et poids volumique non-saturé en eau γunsat de la pile, • Rigidité ou intensité de frottement entre les couches de la pile : Rref,

La plupart des courbes de résultats obtenues auront la forme suivante :

0 1 2 3 4 5 6 7 8

phases

cont

rain

tes

ou d

épla

cem

ents

Figure 30 : allure des résultats de l'étude paramét rique

On constate ainsi que la perte de blocs n’affecte que très peu le comportement de la pile (entre la phase 1 et 2) par rapport à l’affouillement. Et que l’affouillement du sol (en phase 5 et 6) a également peu d’influence sur ce comportement, il fragilise la structure avant qu’elle ne subisse l’affouillement global en phase 7. 5.6.6. Influence de la rigidité des interfaces Ici la hauteur d’eau amont est fixée à 2,40m. Le seul paramètre à prendre en compte est la rigidité Rinter qui variera de 1,0 à 0,4 au sein de la pile maçonnée. 4 cas sont étudiés :

Cas Rigidité 1 1,00 2 0,80 3 0,60 4 0,40

Chute de blocs

Affouillement du sol

Baisse de la qualité du mortier



45

5.6.6.1. Etude des déformations

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

0 1 2 3 4 5 6 7 8

phases

dépl

acem

ents

du

cour

onne

men

t (m

m)

R = 1,0

R = 0,8

R = 0,6

R = 0,4

Figure 31 : déplacement du couronnement au cours de s phases de dégradation

Nous constatons que plus la rigidité d’interface diminue et plus la déformation du couronnement. Ceci confirme le fait que le vieillissement des joints au mortier peut entraîner des déformations plus importantes de la maçonnerie sollicitée. Dans le modèle, les déplacements augmentent de 3% pour une perte de rigidité de 60%. Le vieillissement du mortier ne semble donc pas être la cause principale des déplacements. Ce résultat est néanmoins à mettre en relation avec les contraintes de cisaillement. 5.6.6.2. Etude des contraintes de cisaillement Pour une meilleure visibilité, les résultats ont été arrêtés en phase 6.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 1 2 3 4 5 6 7

phases

cont

rain

te d

e cisa

illem

ent (

kPa)

R = 0,4

R = 0,6

R = 0,8

R = 1,0

Figure 32 : contraintes de cisaillement en pied de pile au cours des phases de dégradation

Nous observons que la contrainte de cisaillement en pied de pile augmente avec la rigidité. Un ouvrage dont les joints sont en bon état sera donc plus sollicité. Ceci peut venir du fait que la perte de rigidité confère une certaine élasticité à la structure. On observe une augmentation des contraintes de cisaillement de 3% pour une hausse de 60% de la rigidité (résultat à mettre en parallèle avec celui des déformations qui augmentent de 3% pour une baisse de rigidité de 60%, ce qui prouve la validité du modèle).



46

5.6.7. Influence du poids volumique Dans ce cas, la hauteur d’eau amont est fixée à 2,40 m et la rigidité à 1,0. Pour l’étude, le poids volumique saturé variera de 24 kN/m3 à 21 kN/m3. Sachant que la valeur du poids volumique est liée à celle du module d’Young par la relation :

Il vient que le module d’Young varie proportionnellement au poids volumique. 4 cas sont étudiés:

Cas Masse volumique (kN/m3) Module d’Young (Mpa) 1 24,00 50 000 2 23,00 47 920 3 22,00 45 830 4 21,00 43 750

5.6.7.1. Etude des déformations Il convient de noter tout d’abord que les déformations horizontales et verticales n’évoluent pas de la même façon avec la perte de masse volumique. En effet, une perte de masse volumique va entraîner une augmentation des déplacements horizontaux, le barrage ayant moins de poids à opposer à la poussée hydraulique. En revanche on assiste à une baisse des déplacements verticaux, l’action de la gravité se faisant moins importante avec la perte de poids volumique. Dans ce qui suit, nous choisirons d’étudier uniquement les déplacements horizontaux qui sont les plus préjudiciables pour la pile.

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

0 1 2 3 4 5 6 7 8phases

dépl

acem

ent d

u co

uron

nem

ent (

mm

)

24 kN/m3

23 kN/m3

22 kN/m3

21 kN/m3

Figure 33 : déplacement du couronnement au cours de s phases de dégradation

Dans cette configuration donc, plus le poids volumique diminue, plus les déplacements horizontaux augmentent. Pour les ordres de grandeurs on constate qu’une perte de poids volumique de 20% entrainera environ une augmentation de 1% des déplacements.



47

5.6.7.2. Etude des contraintes de cisaillement

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

0 1 2 3 4 5 6 7 8

phases

cont

rain

tes

de c

isai

llem

ent

en p

ied

de p

ile (

kPa)

24 kN/m323 kN/m322 kN/m321 kN/m3

Figure 34 : contraintes de cisaillement en pied de pile au cours des phases de dégradation

Contrairement aux variations des déplacements, nous constatons que les contraintes de cisaillement en pied de pile diminuent avec le poids volumique (et donc le module d’Young). Ainsi une perte de poids volumique de 10% va entrainer une diminution des contraintes de 10%. Ceci peut se justifié par le critère de Mohr-coulomb qui dit que les contraintes de cisaillement sont liées par une fonction affine aux contraintes normales :

Ou :

- σT est la contrainte de cisaillement, - σn est la contrainte normale, - µs est le coefficient de frottement statique, - c est la cohésion,

5.6.8. Bilan de l’étude de sensibilité Dans cette partie, nous illustrons quel est le paramètre le plus déterminant sur l’influence des contraintes et des déformations, et donc le plus déterminant sur la vulnérabilité de l’ouvrage.

Variation du paramètre (dans le sens préjudiciable) --> poids volumique (-20%) rigidité (-20%)

Variation de déformation +1% +1%

Variation de contraintes -20% -1%

Tableau 5 : bilan de l'étude paramétrique Nous pouvons donc conclure que le poids volumique est le paramètre le plus déterminant dans la variation des contraintes et des déformations. La variation de poids volumique a surtout une influence sur la variation de contrainte (du au critère de Mohr). La modélisation numérique a donc permis de mettre en évidence que la perte de masse est le facteur induisant le plus de risque pour la structure. La dégradation des joints et la chute de blocs auront un rôle fragilisant dans le processus de ruine. Il est à retenir, pour la suite du travail, que :



48

• Le couronnement est la partie subissant les plus grands déplacements (voir pour le suivi topographique),

• Les contraintes de cisaillement se concentrent à la liaison pile-radier (voir pour la réhabilitation du radier),

• L’affouillement couplé à la perte de masse est une des causes directes de la ruine (voir les investigations à mener pour détecter la perte de masse, et les solutions de confortement pour l’affouillement et la perte de masse).

A noter qu’en Annexe 5 : résultats PLAXIS est jointe une étude menée en parallèle pour montrer l’influence de la hauteur d’eau, et il apparaît que ce paramètre est encore plus déterminant. Cependant ce paramètre va intégrer des notions de crues, de levage de hausses, et aucune donnée n’est disponible pour préciser ces facteurs. Notre étude paramétrique s’est placée dans le cas de la hauteur d’eau la plus préjudiciable (2,40 m en amont et 0,6m en aval). Il convient de noter son influence non négligeable :

Variation du paramètre (dans le sens préjudiciable) -->

Hauteur d'eau (+20%)

Variation de déformation +8%

Variation de contraintes +3%



49

6. Application sur les piles centrales des barrages manuels de l’Yonne

Dans cette partie, nous testons la méthode de classement des ouvrages établie en 5.5 p 34, sur les piles de barrages de l’Yonne. Les résultats de cette partie nous informerons sur la cohérence de la méthode. Par ailleurs nous étudions les opérations possibles à effectuer (auscultation et réhabilitation) selon les degrés de préoccupation.

6.1. Diagnostic visuel des piles de barrage 6.1.1. Compte –rendu des désordres Afin d’établir le diagnostic d’une pile de barrage, il est tout d’abord nécessaire de lister et décrire les pathologies relevées. Au stade actuel du projet, seuls les désordres visuels hors d’eau et subaquatiques ont pu être constatés. L’étape suivante est l’analyse des désordres avec des hypothèses sur les mécanismes de dégradation. Enfin un classement selon une classe de gravité sera effectué pour chacune des piles de barrage. 6.1.1.1. Exemple de désordres relevés hors d’eau

Nous présentons les désordres récurrents relevés lors de l’inspection visuelle par SOGREAH :

Figure 35 : exemple de disjointoiement (pile de l’I le Brûlée)

Figure 36 : Exemple de la perte de blocs (pile de C hampfleury)

Figure 37 : Exemple d'une fuite d'eau dans le puits d'accès au mécanisme de manœuvre des

hausses (pile des Dûmonts)



50

Figure 38 : exemple d'un décrochement du couronneme nt vers l'aval (présence d'un dévers

sur la pile de Bassou)

Figure 39 : exemple d'une fissuration horizontale e ntre pierres (pile de Pêchoir)

6.1.1.2. Exemples de désordres immergés relevés

Nous présentons les désordres récurrents relevés lors de l’inspection subaquatique par BAULAND T.P :

Figure 40 : exemple d'affouillement du radier en av al du pied de pile (pile de Villeneuve)



51

Figure 41 : exemple d'épaufrure et disjointoiement (pile de Pêchoir)

Figure 42 : exemple de cavités dans la pierre et pr ésence d'embâcle (pile d'Epineau)

6.1.2. Analyse des désordres et degré de préoccupation 6.1.2.1. Exemple d’un bilan de désordres sur la pile des Dûmonts

Tableau 6 : bilan des désordres sur la pile des Dûm onts Partie visible

caractérisation désordre état

d'avancement localisation propriétés

joints dégarnis et humides fort sous face des pierres du couronnement latéral

/

fuite d'eau fort puits & parement fuites importante Chute de blocs fort parement latéral généralisé avec suintement

décrochement du couronnement fort couronnement aval Avec dévers

Bombement des maçonneries faible Parements latéraux Relevé lors de la 2e

inspection visuelle Disjointoiement à l’appui de

la passerelle faible couronnement Relevé lors de la 2e inspection visuelle

Partie immergée caractérisation

désordre état d'avancement localisation propriétés

éclat faible semelle aval du radier présence d'enrochements



52

Les désordres sont reportés dans le tableau témoin, avec leur état d’avancement (faible en gris clair et fort en gris foncé) :

Gravité des Désordres

mineurs affaiblissants majeurs potentiellement à risque A risque

Perte d'enduit généralisée

Bombement / Gonflement localisé

Perte d'enduit localisée Disjointoiements généralisés

Décrochement du couronnement

Bombement généralisé

Disjointoiements localisé

Poussée de végétation généralisée

Affouillement du radier proche de la pile

Fracture verticale Végétation parasite

localisée Eclatements de la pierre généralisés

Affaissement sans fracture

Affouillement du radier sous la pile

Eclatement de la pierre localisé

Descellements généralisés

Chutes de blocs généralisées

Affaissement avec fracture

Proche de l’état de ruine

Descellement localisé Chute de bloc localisée Fracture entre les pierres


Cavité dans la pierre localisée

Fissuration entre les pierres

Fracture sur le dallage Fuite d'eau

Epaufrures Fissuration sur le dallage

Fissuration verticale Tassement différentiel

Joints humides Suintement d'eau


Tableau 7 : report des désordres de la pile des Dûm onts 6.1.2.2. Exemple d’Analyse des désordres Le radier ne présente pas de désordres pouvant affecter la structure de la pile. L’éclat sur la semelle étant localisé, il est surement dû aux chocs répétés avec les enrochements charriés dans cette zone. En revanche les désordres relevés sur la pile et le puits sont les signes d’une attaque érosive importante de l’eau mettant en péril l’intégrité structurelle de la pile. La dégradation des joints entre les pierres de taille (entraînant disjointoiements et pertes de blocs) expose le massif interne de la pile aux infiltrations. Au vue des fuites d’eau importantes sous les pierres de couronnement, dans le puits, ainsi que des suintements entre les pierres de parements, on constate que ces infiltrations sont traversantes en plusieurs endroits. La majorité de la maçonnerie en partie haute de la pile semble donc être sujette à l’érosion interne par l’eau qui dégrade peu à peu la totalité de la pile. Le risque est d’assister à un lessivage et une érosion des mortiers de remplissage, ce qui va conduire progressivement à une perte de matière du corps de l’ouvrage. Ce phénomène va entraîner une diminution de la densité de la maçonnerie et un affaiblissement de résistance mécanique. Les désordres constatés sur l’ouvrage des Dûmonts concernent uniquement la Pile centrale maçonnée. Nous présentons ci-après les mécanismes de dégradation probables de la pile :



53

Figure 43 : schéma fonctionnel de dégradation de la pile des Dûmonts

6.1.2.3. Evaluation du degré de préoccupation

La dégradation peut donc venir d’un mécanisme de lessivage interne ou d’un gonflement du massif. L’état de l’ouvrage est évalué ci-après en fonction des incertitudes associées aux désordres pressentis et aux désordres éventuellement évolutifs :

Désordre constaté

Désordre pressenti



54

Incertitude sur les désordres pressentis Etat de l'ouvrage éléments manquants moyens de détection si détection si non-détection

Perte de masse (lessivage) auscultation

géotechnique (et/ou géophysique)

A risque

potentiellement à risque

Incertitude sur l'évolution des désordres Etat de l'ouvrage éléments à évolution préjudiciable type de suivi si évolution si stabilisation

fuite d'eau mesure du débit

décrochement du couronnement mesure de l'évolution de

l'élargissement Gonflement des parements Suivi visuel + niveau

A risque

potentiellement à risque

Classe de l'ouvrage potentiellement à risque (& très affaibli) Degré de préoccupation 2

Tableau 8 : levée de l'incertitude pour l'ouvrage d es Dûmonts

Compte tenu de la gravité des désordres relevés et de leur état d’avancement, l’état de la pile du barrage des Dûmonts est pour l’instant potentiellement à risque (étant donné la présence d’un désordre potentiellement à risque dans un état d’avancement fort). 6.1.3. Bilan sur les 12 piles

6.1.3.1. Degrés de préoccupation

Une première estimation de l’état des 12 barrages de l’Yonne a ainsi pu être effectuée par la méthode de diagnostic utilisée précédemment.

N° de l'ouvrage Nom de l'ouvrage Etat de l’ouvrage Degré de préoccupation

1 L'Ile Brûlée affaibli 4 2 Les Dûmonts Potentiellement à risque 2 3 Monéteau Très affaibli 3 4 Bassou affaibli 4 5 Epineau Très affaibli 3 6 Pêchoir Très affaibli 3 7 Villeneuve Potentiellement à risque 2 8 Etigny correct 5

9 Rosoy correct 5 10 Saint-Bond correct 5 11 Villeperrot Potentiellement à risque 2 12 Champfleury Très affaibli 3

Tableau 9 : Bilan de l'état des 12 piles de barrage Il convient de préciser que l’exploitant a également réalisé un classement de l’état des piles de barrages. Ce classement concorde avec celui établi précédemment.



55

6.1.3.2. Mise au point d’une fiche d’évaluation référence (Visual Basic) Afin de réaliser une évaluation rapide de l’ouvrage, une fiche de report des désordres a été réalisée sous Microsoft Excel. L’objectif est de donner un état de l’ouvrage selon les désordres constatés visuellement. Pour « informatiser» l’état de l’ouvrage, celui-ci doit être quantifié en % de dégradation. La quantification se fait sur la base de la gravité des désordres, de leur état d’avancement et leur nombre. La quantification sur la base de la gravité des désordres se fait comme suit :

• La présence d’au moins un désordre mineur (peu importe son état d’avancement) vaut 4 % dans la part de gravité de l’ouvrage,

• La présence d’au moins un désordre affaiblissant (peu importe son état d’avancement) vaut 8% dans la part de gravité de l’ouvrage,

• La présence d’au moins un désordre majeur (peu importe son état d’avancement) vaut 16 % dans la part de gravité de l’ouvrage,

• La présence d’au moins un désordre potentiellement à risque (peu importe son état d’avancement) vaut 32 % dans la part de gravité de l’ouvrage.

Ces valeurs sont définies de telle sorte que, plus on avance dans la gravité, plus le gradient de passage entre deux classes de gravité sera important. En effet ce gradient va doubler à chaque changement de classe de gravité, ainsi il vaut :

• 4% entre la classe mineure et la classe affaiblissante (passage de 4 à 8%), • 4 × 2 = 8% entre la classe affaiblissante et la classe majeure (passage de 8 à 16%), • 16 × 2 = 32 % entre la classe majeure et la classe potentiellement à risque (passage de 16 à

32%). La quantification sur la base du nombre et de l’état d’avancement des désordres se fait se base sur les deux hypothèses suivantes :

• A sein de chaque classe de gravité, un désordre dans un état d’avancement fort vaut le double d’un désordre dans un état d’avancement faible,

• Un désordre, d’une classe de gravité donnée, dans un état d’avancement fort équivaut à un désordre d’avancement faible de la classe de gravité immédiatement supérieure. Ainsi la valeur des désordres augmente lorsque l’on passe dans une classe gravité supérieure.

Au vu de ces deux hypothèses, la cotation (s’ajoutant à la cotation basée sur la gravité) se fait ainsi :

• Dans la classe de gravité mineure : o Un désordre faible vaut 0.5% o Un désordre fort vaut 1%

• Dans la classe de gravité affaiblissante : o Un désordre faible vaut 1% o Un désordre fort vaut 2%

• Dans la classe de gravité majeure : o Un désordre faible vaut 2% o Un désordre fort vaut 4%

• Dans la classe de gravité potentiellement à risque : o Un désordre faible vaut 4% o Un désordre fort vaut 8%

Exemple d’application pour le barrage des Dûmonts : L’ouvrage présente des désordres :

• Mineurs = 4% o 2 dans un état avancé faible = 0,5 + 0,5 = + 1%



56

• Affaiblissants = 8%

o 1 dans un état avancé fort = + 2%

• Majeurs = 16% o 1 dans un état avancé faible = + 2% o 3 dans un état avancé fort = 4 + 4 + 4 = + 12%

• Potentiellement à risque = 32% o 1 dans un état avancé fort = + 8 %

La cotation du risque est donc :

(4+1) + (8+2) + (16+12+2) + (32+8) = 85

Dans le cas où toutes les cases sont grisées en foncé, la cotation vaut 181. En ramenant au pourcentage (× 181/100 = 0,56) on obtient un ouvrage à 48% dégradé. L’interface du logiciel est présentée en Annexe 4. Voici le bilan pour chaque pile de barrage, un graphique regroupant les résultats :

6.1.3.3. Levée de l’incertitude Nous récapitulons dans le tableau suivant les désordres ajoutant une incertitude à l’évaluation de l’état, et les moyens pour lever cette incertitude.

Pile d'ouvrage gravité Les Dûmonts 48%

Villeperrot 43% Villeneuve 41% Monéteau 36% Epineau 25% Pechoir 23%

Champfleury 23% Ile Brûlée 18% Bassou 17%

Saint-Bond 5% Etigny 2% Rosoy 2%

Tableau 10 : bilan de l'état des 12 piles de barrag e (en pourcentage de dégradation)



57

GESTION DE L'INCERTITUDE

Désordres évolutifs recensés Moyen de gestion

décrochement du couronnement Suivi topographique du couronnement

Affouillement Suivi topographique du couronnement (pour

détecter une éventuelle répercussion sur la pile)

Fissuration/fracturation Fissuromètre

Fuite d’eau Mesure du débit

Gonflement/bombement Suivi topographique


Suivi visuel

Désordres pressentis recensés Moyen de gestion

gonflement/bombement Auscultation géotechnique (avec essais en

laboratoire pour la détection d'éléments gonflants)

Tassement différentiel

Affaissement de la pile

Levés topographiques (pour desceller un mouvement de structure même léger)

Infiltration d'eau


Auscultation géophysique (localisation des cavités et accumulation d'eau) & Auscultation géotechnique (mesure de la teneur en eau et

porosité)

Tableau 11 : Moyens à mettre en œuvre pour lever l' incertitude 6.1.3.4. Investigations prévues

Les inspections et suivis complémentaires à réaliser, sont regroupés dans le tableau suivant. Elles seront par ailleurs détaillées au paragraphe 6.2.

Degré de préoccupation Nom de l'ouvrage Auscultation complémentaire Etigny Rosoy 5

Saint-Bond L'Ile Brûlée 4

Bassou Suivi topographique

Monéteau Epineau Pêchoir

3

Champfleury Villeperrot

Les Dûmonts 2

Villeneuve

Mesures Géotechnique, géophysique et topographique

Tableau 12 : investigations complémentaires à mener



58

6.2. Inspections complémentaires 6.2.1. Présentation La formulation d’un diagnostic nécessite la mise en place d’un programme d’investigations permettant d’accéder à des informations latentes. Le choix des investigations est fondamental et dépend :

• Des besoins du gestionnaire de l’ouvrage, • Du niveau de fiabilité du dossier d’ouvrage, • Du type d’ouvrage, • De l’environnement de l’ouvrage, • De la nature et de l’ampleur des désordres constatés.

Après avoir défini ses besoins, examiné le dossier d’ouvrage, déterminé le type d’ouvrage, examiné son environnement, déterminé la nature et l’ampleur des dégradations, le gestionnaire définit le programme d’investigations. Ce programme se traduit dans un cahier des charges. Celui-ci doit contenir :

• La nature et le phasage des différentes investigations, • L’implantation des zones d’investigations, • Le nombre de contrôles par zones, • La nature et la précision des résultats attendus, • L’exposé des critères qui justifient l’engagement d’une investigation au regard des résultats

des investigations précédentes, • Les référentiels techniques, les normes et les procédures utilisés, • Les différents intervenants (rôle et organisation, sous-traitance), • Les moyens matériels et humains.

A l’issue de l’inspection visuelle, de l’analyse de s désordres et compte tenu de la mise en évidence de certains paramètres déterminants au cou rs de la modélisation, il a été décidé de réaliser des auscultations topographiques, géophysi ques et géotechniques, ainsi qu’un suivi topographique, nous expliquons dans la suite l’util ité et les modalités des interventions. 6.2.2. Auscultation et suivi topographique La mission topographie a pour double mission de :

• De déterminer l’état topographique actuel du génie civil des ouvrages et des parties d’ouvrage des piles centrales (couronnement amont et aval, zone d’appui des passerelles),

• De mettre en place un système d’auscultation pérenne qui permettra d’assurer le suivi topographique du génie civil.

Pour répondre aux attentes de VNF, les objectifs du titulaire de la mission topographique seront :

• Lors d’une première phase (PHASE 1 : définition de l’état zéro des ouvrages) :

- De proposer et mettre en place éventuellement des points de référence sur les ouvrages,

- D’implanter des spits et des cibles de mesure sur les ouvrages et/ou parties d’ouvrages,

- De relever les spits, les cibles et quelques points afin de définir l’état « 0 » topographique des ouvrages par un 1er relevé topographique.

• Lors d’une seconde phase (PHASE 2 : suivi) :

- De relever les spits, les cibles et quelques points topographiques, tous les 6 mois pendant une durée de 2 ans après la fin de la PHASE 1 (4 levés au total).



59

Les ouvrages et parties d’ouvrages à ausculter par les moyens topographiques sont les suivants (voir Figure 44) :

• Le couronnement supérieur aval des piles centrales,

• Le couronnement supérieur amont des piles centrales,

• La zone d’appui des passerelles d’accès à la plateforme des piles centrales.

Les points de mesure devront être matérialisés de la façon suivante :

• Par des spits scellés dans les ouvrages, pour les levés des plans horizontaux (détection de l’affaissement),

• Par des cibles auto-réfléchissantes, pour les levés des plans verticaux (détection du gonflement).

Figure 44 : implantation des points pour l'ausculta tion et le suivi topographique

L’ensemble de l’intervention topographique est réalisée à partir d’un tachéomètre (station totale). Les coordonnées des cibles et des points de référence seront rattachées au système LAMBERT 1 pour la planimétrie et au réseau NGF dans le système I.G.N. 69 pour l’altimétrie. Deux à trois points de référence seront mis en place et utilisés comme base de visée pour le relevé des spits et des cibles. Ces points de référence seront implantés hors zone d’influence de l’écluse (implantation assez éloignée de l’ouvrage) et rattachés au système de coordonnées LAMBERT 1. 6.2.3. Auscultation géotechnique D’une manière générale, la réalisation des études géotechniques est une opération fondamentale pour le diagnostic du génie civil des ouvrages. Ce type de reconnaissance a pour but :

• De reconnaître la nature du génie civil et l’état des piles centrales des barrages, • De reconnaître la nature des sols porteurs en amont de la pile centrale,

Deux types d’investigations sont donc à réaliser :

• Des carottages dans le génie civil des piles centrales de barrages précitées, accompagnés d’essais de résistances mécaniques et de détection de matériaux potentiellement gonflants,

• Un sondage carotté en milieu fluvial (accompagné d’essais de laboratoire) et des essais pressiométriques, dans les sols porteurs en amont de la pile centrale.



60

6.2.3.1. Sondages carottés dans le génie civil Des sondages carottés sont à effectuer dans le génie civil des piles centrales des barrages. Il s’agit de carottages de faible profondeur : 3 mètres. Trois objectifs sont poursuivis :

• Reconnaître les matériaux constituant les piles de barrages (épaisseur et qualité de la maçonnerie ; type et qualité du sol sous-jacent l’épaisseur de la maçonnerie),

• Déterminer la résistance mécanique à la compression simple des prélèvements maçonnés, • Détecter la présence ou non d’éléments gonflants dans la maçonnerie carottée (chaux en

particulier). L’exigüité de la plateforme des piles de barrage oblige l’entreprise de géotechnique à recourir à un carottier manuel. Les carottes prélevées sur les structures en maçonnerie devront être préparées afin de subir les essais suivants :

• Examens macroscopiques et mésoscopiques des échantillons, • Mesure de la teneur en eau, • Mesure de la masse volumique apparente et de la porosité, • Mesure de la résistance en compression,

Ces essais permettront de caractériser les maçonneries constituantes de la pile d’un point de vue mécanique et d’adapter si besoin les investigations suivantes :

• Examens au microscope électronique à balayage couplé au spectromètre X à dispersion d’énergie pour détecter la présence ou non d’éléments gonflants ainsi que pour caractériser les faciès d’altération (pierre et joint),

• Quantifications de la chaux vive CaO-par analyse thermogravimétrique et mesure de la teneur en chaux libre,

• Dosages des sulfates par chromatographie ionique après attaque acide ménagée, Ces analyses permettent, d’une part, de caractériser les minéraux présents dans l’échantillon et notamment la présence ou non d’éléments pouvant réagir et gonfler. D’autre part, elles permettront de quantifier la chaux libre et les sulfates, qui sont potentiellement gonflants. 6.2.3.2. Sondages et essai dans le sol porteur Il s’agit de sondages carottés en milieu fluvial pour reconnaissance de sol, avec essais pressiométriques tous les mètres, puis essais en laboratoire. Les profondeurs des sondages sont de l’ordre de 5 m sous le fond du chenal. Un essai pressiométrique est à effectuer tous les mètres pour mesurer des caractéristiques des sols dans le sondage carotté décrit plus haut (Pressions limites, modules pressiométriques, etc.). Les essais en laboratoire sont des essais d’identification sur les matériaux prélevés dans le sondage carotté réalisé. Un échantillon par type de sol rencontré est à prélever dans la carotte. On réalisera sur chaque échantillon prélevé des mesures de teneur en eau et sur chaque échantillon sélectionné des essais d’identification adaptées à la nature des matériaux prélevés (teneur en eau, densité sèche à la balance hydrostatique, poids volumiques, limites d’Atterberg et/ou valeur de bleu, granulométrie, ...). Sur chaque échantillon il devra être également réalisé :

• 2 essais de cisaillement direct pour la caractérisation de l’angle de frottement et de la cohésion du sol en configuration « court et long terme »,

• 1 essai de perméabilité.



61

Figure 45 : implantation de principe des essais géo techniques

6.2.4. Auscultation géophysique

Les objectifs de la mission sont les suivants : • Localiser les désordres dans les maçonneries des piles centrales des barrages de l’Yonne

(cavités, zones décomprimées de sol, etc.), • Evaluer approximativement les volumes des cavités et des zones de décompression, si elles

existent, • Détecter des fuites, des chemins préférentiels, ainsi que des accumulations d’eau localisée

au sein des maçonneries et plus particulièrement dans le massif interne des piles, constitué de moellons et mortier,

• Compléter les résultats fournis par la campagne géotechnique menée en parallèle (hors prestation géophysique).

La campagne de reconnaissance géophysique, consistera à effectuer les éléments de prestation suivants :

• Phase 1 : La réalisation de relevés géophysiques sur les maçonneries des piles centrales concernées. Ceux-ci pourront se faire par radar moyenne fréquence et géophone (auscultation sismique).

• Phase 2 : L’établissement d’un rapport technique décrivant et justifiant, entre autres, le recours au procédé de mesures retenu, ainsi que la description des désordres recensés.

Les relevés par radar moyenne fréquence permettront de donner une information qualitative (par imagerie) sur l’homogénéité des maçonneries. Les relevés de type sismique par géophone permettront de quantifier cette homogénéité en donnant des informations sur les caractéristiques mécaniques de la maçonnerie. Ces procédés permettront alors de caractériser la présence d’eau (stagnante ou transitant au sein de la structure) et de cavités dans le massif interne des piles centrales qui se présente comme illustré dans la Figure 46:



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Figure 46 : vue en coupe d’une pile maçonnée

L’inspection, à la recherche d’éventuels désordres, se fait l’aide du matériel suivant :

• Un radar moyenne fréquence (400 Mhz)

• Un système d’auscultation sismique pour mesure des temps de propagation.

L’implantation de principe est la suivante :

Figure 47 : implantation de principe des essais géo physiques

Les sondages radar et sismique se feront en des points uniformément répartis dans les zones susmentionnées. 6.2.5. Utilité des auscultations Avant toute opération de réfection, il y a lieu de déterminer, par sondage, l'importance des dégradations tant en superficie qu'en profondeur, d’où l’importance des auscultations préconisées. Par exemple, des joints apparemment sains en surface peuvent masquer un mortier de remplissage complètement altéré par une circulation d'eau au sein du massif. Nous nous attacherons, dans ce qui suit, à déterminer les opérations les plus efficaces pour chaque désordre rencontré.



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6.3. Opérations de maintenance (degré de préoccupat ion 5 et 4) 6.3.1. Maintenance préventive (entretien) 6.3.1.1. Désordres concernés par le procédé La maintenance préventive s’effectue sur les ouvrages peu dégradés, dont seulement la structure externe (parement, couronnement…) est affectée superficiellement par :

• La poussée d’une végétation parasite, • La présence d’embâcle.

La maintenance préventive permet l’entretien régulier du génie civil de la pile de barrage. En effet, l’absence d’entretien régulier conduit généralement à une dégradation lente et pernicieuse. Elle aboutit à terme à la nécessité d’entreprendre des gros travaux de réparation dont le coût et les contraintes d’exploitation qui en découlent sont sans commune mesure avec la charge que représente un entretien. 6.3.1.2. Mise en œuvre du procédé On choisira pour ces ouvrages dont les pathologies sont mineures :

• Une élimination de la végétation, les lichens, la mousse sur les parements mais aussi dans les zones de circulation pour l’exploitation. Ceci peut se faire à l’aide de moyen mécanique (sablage, jet d’eau sous pression, produit chimique) mais il faut prêter attention à l’agressivité de ces procédés,

• Dégagement des embâcles,

Figure 48 : exemple d'embâcle sur le barrage de l'I le brulée

Pour lutter contre le phénomène de végétation parasite étendue on emploie généralement un nettoyage à eau sous pression, couplée à l’application de naphténate de zinc, voire d'autres produits tels qu'algicides ou fongicides, ceci pour éviter toute repousse. 6.3.1.3. Faisabilité du procédé

Ces opérations peuvent se faire aisément depuis la pile, avec du matériel portatif. Aucune contrainte de site ne semble pouvoir empêcher la réalisation d’un entretien régulier.



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6.3.2. Le rejointoiement (maintenance corrective)

6.3.2.1. Désordres concernés par le procédé Ce procédé s’applique aux ouvrages présentant des disjointoiements et descellement généralisés, ainsi qu’une fissuration entre les pierres avancée.

Figure 49 : exemple de descellements nécessitant un rejointoiement

6.3.2.2. Mise en œuvre du procédé La réfection des joints comporte trois opérations successives:

• Le déjointoiement : il s'agit du dégarnissage des joints anciens et du nettoyage des surfaces destinées à recevoir le joint neuf (à distinguer du disjointoiement, dégradation nature lle du joint),

• Le rejointoiement : il s'agit de la réalisation d'un nouveau joint,

• Le ragréage du parement : afin d'éliminer les bavures et salissures résultant des opérations

précédentes.

a) déjointoiement Le joint dégradé est enlevé soit manuellement, soit mécaniquement, soit encore à l'aide d'un jet d'eau sous pression. L'adjonction de produits nettoyants au jet d'eau est possible si l'on s'est assuré que ceux-ci n'entraînent pas de risque pour le mortier de hourdage sous-jacent. Lors de cette opération il est important de ne pas atteindre le mortier de remplissage interne (conserver une profondeur de déjointoiement d’environ 30 cm). Localement le fond des ouvertures des joints doit être sondé afin de s'assurer de l'absence de vides et de la compacité du mortier de hourdage. Le travail de déjointoiement doit être réalisé par petites surfaces de quelques mètres carrés pour éviter la désorganisation de la maçonnerie. Il est souhaitable que cette opération soit suivie du rejointoiement dans la même période de travail. Dans la zone où le déjointoiement doit entraîner des désordres du fait de son importance et de sa profondeur, on mettra en œuvre un calage provisoire au fur et à mesure du dégarnissage.

b) rejointoiement Préalablement à la réfection des joints, il convient :

• De remettre en place les pierres et moellons déchaussés, • De reboucher les petites cavités superficielles, suivant le volume des cavités à combler

derrière les joints, on peut utiliser soit le mortier prévu pour le rejointoiement soit un micro-béton (0/8 mm) comportant un gravillon 4/8 mm soit un béton de sable.



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L'opération de rejointoiement doit ensuite suivre immédiatement l'opération de déjointoiement. Plus que la résistance mécanique, ce sont les qualités d'adhérence, de compacité, de durabilité et de faible retrait qui sont demandées au mortier des joints.

c) techniques de rejointoiement

• Rejointoiement manuel La réalisation des joints doit être de préférence faite à la main et hors d'eau car on ne sait pas réaliser de joints immergés. Il convient de proscrire les joints plats ou en saillie, qui se brisent sous l'action du gel ou du mouvement de la structure, (Figure 50) et les joints creux trop profonds > 1 cm.

Figure 50 : type de joints à proscrire

Le Fascicule 64 du CCTG relatif aux travaux de maçonnerie d'ouvrages de génie civil préconise les joints en creux : " Les surfaces des jointoiements seront tenues en retrait d'environ 1 cm sur le plan des arêtes des moellons et de 5 mm sur les parements de pierre de taille ou de briques. (Figure 51)

Figure 51 : type de joints à exécuter

• Rejointoiement mécanique (voie humide ou voie sèche)

Cette technique consiste à reconstituer les joints par une projection de béton ou de mortier. Elle peut être intéressante si une pénétration du mortier en profondeur est nécessaire, et si l'on s'est assuré au préalable de l'efficacité de cette méthode. Deux types de procédés peuvent être utilisés : le mélange humide et le mélange sec (voir 6.3.3).

d) matériau Le mortier du joint devrait avoir une composition se rapprochant le plus possible du mortier d'origine. Le Fascicule 64 du CCTG donne les dosages suivants en ciment par mètre cube de sable Mortier maigre.......... 250 à 300 kg Mortier moyen.......... 300 à 400 kg Mortier gras.............. 400 à 500 kg On évitera les mortiers trop riches en ciment sur les moellons calcaires car ils finissent par arracher le matériau moins résistant qu'eux. Le rapport pondéral Eau/Ciment doit être inférieur à 0.5 tout en conservant au mortier une bonne ouvrabilité.



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6.3.2.3. Faisabilité du procédé Le procédé ne pouvant s’effectuer pour les parties submergées, le principal problème concerne l’accès aux parties de l’ouvrage à traiter. Pour un traitement sur le dallage supérieur, aucun problème de mise en œuvre n’est à noter. En revanche, le recours à une barge pourra être nécessaire pour l’accès à certaines zones de parement. 6.3.3. Protection superficielle par béton projeté (maintenance corrective) 6.3.3.1. Désordres concernés par le procédé Cette technique permet de remédier aux désordres apparents de la structure externe de type :

• Perte d’enduit localisée et généralisée, • Disjointoiement localisé, • Descellement localisé, • Disjointoiement généralisé (rejointoiement préalable impératif), • Descellement généralisé (rejointoiement préalable impératif), • Fissuration entre les pierres, • Epaufrures, • Cavités localisées, • Eclatements localisés, • Chute de blocs localisée.

Figure 52 : exemple de descellement et chute de blo cs nécessitant une projection béton

6.3.3.2. Mise en œuvre du procédé Dans le cas d’altération sur des surfaces moyennes, concernant aussi bien les pierres que les joints, la réparation consiste à mettre en œuvre un béton projeté sur une épaisseur de 3 à 7 cm, ou plus en plusieurs couches. Les projets de cette nature devront veiller à réaliser un bon accrochage du béton projeté sur le parement et au comblement de toutes les cavités. Ceci nécessite un très bon nettoyage de support (moellons et joint) voire un comblement préalable des cavités avec des moellons. Le béton projeté est un béton mis en œuvre à l’aide d’une lance par projection sur une paroi sous l’impulsion d’un jet d’air comprimé. Il existe deux techniques de projection :

Projection par voie humide ( Figure 53) : le mélange granulats-ciment-eau est malaxé dans une centrale. Il est ensuite pompé le long d’une tuyauterie jusqu’à la lance de projection. La projection est assurée par de l’air comprimé éventuellement associé à des adjuvants liquides. La projection par voie mouillée est surtout utilisée pour les rejointoiements de parement, principalement quand les joints sont peu profonds.



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Projection par voie sèche : le mélange sec (granulats, ciment et éventuellement accélérateurs de

prise et adjuvants) est fabriqué dans un malaxeur. Il est propulsé par de l’air comprimé le long d’une tuyauterie vers la lance de projection. L’eau arrive séparément à la lance en quantité nécessaire et réglable pour assurer l’humidification du mélange juste au moment de la projection sur la paroi. Le mortier projeté par voie sèche permet une meilleure pénétration et une meilleure adhérence au support mais il provoque d'importantes pertes de matériau par rebondissement et impose le nettoyage ultérieur et de la maçonnerie. Il convient de se reporter au "guide du béton projeté" (réf. E6), et en particulier à son paragraphe III-4.3.2.

Figure 53 : illustration d'une projection béton par voie humide

6.3.3.3. Faisabilité du procédé La pompe à projeter le béton, de par son encombrement (dimension 3,4*1,65*1,40 m masse 750 kg), ne pourra pas se transporter sur toutes les piles, elle pourra néanmoins être basée sur la berge, un tuyau d’une vingtaine de mètres étant suffisant pour atteindre la pile centrale. 6.3.4. Maintenance du radier immergé 6.3.4.1. Désordres concernés par le procédé La maintenance du radier est nécessaire lorsque les enrochements protecteurs sont absents, ou ont été charriés, et que le radier commence à présenter des signes d’érosion (léger affouillement hors zone d’influence de la pile). 6.3.4.2. Mise en œuvre du procédé Le procédé consiste en un rechargement des protections en enrochements. Ces travaux sont à engager à partir d’un état précis de la situation existante (bathymétrie de la zone, dimension des enrochements) et du profil à obtenir. Le dimensionnement des enrochements destinés à la protection des ouvrages en maçonnerie est calculé à partir de différents paramètres : la houle, les courants, les dragages intempestifs, qui peuvent affecter, dans le temps, leur pérennité et leur stabilité. 6.3.4.3. Faisabilité du procédé Etant donné la dimension des enrochements requis, ceux-ci pourront être transportables manuellement par barge en pied aval de pile.



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6.4. Solutions de réhabilitation pour les degrés de préoccupation 3 et 2 Les travaux de réhabilitation sont ceux qu’il convient d’engager à la suite d’un constat d’état de service anormal. Ce constat pouvant être fait à la suite d’un entretien défaillant ou à la suite d’une évolution non prise en compte par le concepteur (altération du matériau, affouillement…) La réparation ou le confortement d’un ouvrage sont souvent une opération plus délicate que la construction d’un ouvrage neuf. En effet, il faut composer avec les contraintes supplémentaires que sont souvent :

• L’absence d’archives, • La nécessité de maintenir l’exploitation du barrage, • Une connaissance imparfaite de l’état de l’ouvrage (affouillement, rideau parafouille…)

Il convient donc, même pour des réparations qui apparaissent peu importantes au regard par exemple du montant de l’opération, ou de la zone localisée traitée, de ne pas faire d’impasse l’analyse de la faisabilité en termes de risque et de coût et les moyens d’accès au site ou à l’ouvrage. Afin de réhabiliter les piles de barrages en maçonnerie, on emploiera des méthodes de régénération des matériaux et de renforcement. 6.4.1. Remplacement ou reconstruction du matériau 6.4.1.1. Désordres concernés par le procédé Ces travaux vont du remplacement de quelques pierres en parement à la reconstruction d’une surface de plusieurs mètres carrés de parement. Les pathologies nécessitant ce type d’intervention sont :

• La chute de blocs, • L’éclatement généralisé, • La fracturation entre les pierres et sur le dallage.

6.4.1.2. Mise en œuvre du procédé Il convient de choisir à la fois le matériau de pierre et le matériau pour les joints. Pour ce dernier, le problème est identique à celui évoqué pour le rejointoiement. Pour les pierres, selon la cause des désordres, on pourra soit rechercher un matériau proche de celui en place, soit un matériau de substitution dont il sera nécessaire de définir les caractéristiques (dureté, gélivité, aspect…). Lors de l’exécution, on veillera à éviter toute cavité à l’arrière (pose ou bain soufflant de mortier) et si ce n’est pas envisageable, des canules d’injection peuvent être prévues. Si nécessaire, la nouvelle maçonnerie peut être reliée à l’ancienne par des épingles scellées dans la masse et prolongées dans les joints du parement réparé. Pendant ces travaux, on assurera la stabilité de la maçonnerie en place par un soutènement approprié et un phasage alternant les parties démolies et reconstruites. 6.4.1.3. Faisabilité du procédé Etant donné l’importance et la rigueur d’une telle opération, les travaux sont à réaliser à partir d’un poste stable. Cette opération n’est pas possible pour toutes les piles de barrages étant donné que la chute de blocs se fait parfois dans des endroits difficiles d’accès :



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Figure 54 : exemple de zone peu accessible présenta nt des chutes de blocs

Lorsque l’opération n’est pas permise, on optera donc plus pour du béton projeté avec comblement des cavités à l’aide de moellons. 6.4.2. Injection des maçonneries

6.4.2.1. Désordres concernés par le procédé Le pourcentage de vides au cœur d'une maçonnerie ancienne est parfois important : il peut dater de l'origine de la construction ou avoir été aggravé au fil du temps, en particulier dans les ouvrages très exposés. Un apport de mortier par coulis d'injection permet de redonner une cohésion nouvelle aux maçonneries anciennes, et de leur restituer leurs propriétés mécaniques initiales, sans procéder à leur démontage. Ainsi, ce procédé sera appliqué aux ouvrages présentant les pathologies suivantes :

• Augmentation de la porosité, • Joint humide, suintement et fuite d’eau au sein de la pile.

6.4.2.2. Mise en œuvre du procédé La technique d'injection de coulis consiste à faire pénétrer au cœur des maçonneries un mortier, plus ou moins liquide, en confortement ou en remplacement du mortier de pose initial défectueux ou manquant. Ce procédé convient aussi bien aux maçonneries en élévation qu'aux fondations, pour un emploi localisé ou généralisé. Ce traitement peut être complémentaire à ceux réalisés en parement. Il consiste à faire pénétrer à partir de forages un produit fluide capable, après remplissage des vides du milieu traité, d’en réduire la perméabilité et/ou d’en augmenter la résistance mécanique en rétablissant le monolithisme de la structure. Ces travaux sont impérativement précédés d’une étude complète de la maçonnerie (carottage, essais…) pour analyser la faisabilité. Les produits injectés sont essentiellement de deux types :

• Coulis liant hydraulique (chaux-ciment) bentonite, eau plus ou moins chargée avec sable, cendres volantes…

• Coulis chimiques faits de gels de silice et de réactifs. Le produit à injecter devra être choisi en fonction de la dimension des vides (pénétrabilité, délavage, ségrégation) et de l’agressivité de l’environnement (pérennité des produits injectés). Avant l’injection, il faudra vérifier l’absence de fuite de coulis (rejointoiement) en parement et si nécessaire réaliser une injection d’encagement (côté massif) en cas de vides importants ou de circulations d’eau. Pour l'injection du coulis, des trous sont réalisés dans les joints de maçonnerie (Figure 55), à espacement régulier, et des évents sont mis en place.



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La distance entre les forages varie de quelques dizaines de centimètres à un mètre, et le produit injecté gravitairement ou à faible pression de l’ordre de 0,3 à 0,4 MPa, après avoir réalisé des forages d’évent. Il est indispensable que la pression limite d’injection soit maîtrisée de façon automatique pour éviter les surpressions accidentelles aux conséquences préjudiciables (fissuration, soulèvements, bombement des parements, effondrements…) On met en place des injecteurs et des évents dans les torus forés. On injecte un coulis de ciment, ou un mortier selon les dimensions des vides. Ce sont généralement des coulis dont le rapport pondéral Ciment/Eau varie de 0.5 à 1.5 selon la qualité de la maçonnerie.

0,5 ≤ C/E ≤ 1.................................Coulis très fluide 1 ≤ C/E ≤ 1,5……...............................Coulis fluide C/E > 1,5...................................Coulis peu fluide

L'opération d'injection est effectuée par tronçons sur une hauteur maximale d'un mètre. Pendant l'opération d'injection, il est nécessaire de mesurer la quantité de produit injecté par injecteur, la pression d'injection, le fonctionnement des évents et d'examiner la zone injectée et l'ouvrage pour déceler toute fuite ou déformation de la structure. Des prélèvements sont effectués à la sortie des évents pour vérifier la qualité du coulis, en particulier la fluidité au cône de Marsh. Le délai entre deux coulages doit correspondre au temps nécessaire à la prise du coulis déterminé par l'échantillon témoin. Des contrôles sont systématiquement prévus avant les travaux de finition. Ils ont pour objectif de vérifier la cohésion du produit injecté par rapport au mortier en place, l’adhésion du coulis à la maçonnerie, et la conformité des propriétés entre les matériaux injectés et anciens. Ils peuvent être réalisés par carottage (éventuellement complété par des essais mécaniques réalisés sur ces carottages), par examen endoscopique depuis le forage, par mesure de la vitesse de propagation du son avec comparaison à la valeur initiale, par auscultation au radar, ou par analyse chimique du coulis. Afin d’obtenir des résultats probants, il est nécessaire de coupler les examens destructifs et non destructifs et de procéder à un contrôle de l’injection à plus long terme.

Figure 55 : illustration du procédé d'injection

6.4.2.3. Faisabilité du procédé La Figure 56 présente les caractéristiques d’une pompe à injection, les dimensions de la plateforme de la pile permettent son implantation. L’opération est donc aisément réalisable à partir de forages sur le dallage supérieur. Le mélange étant préparé sur les berges et amené jusqu’à la pompe par des tuyaux de longueur appropriée.



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Figure 56 : exemple d'une pompe à injection (dimens ion : 130*62*30 cm, masse : 60 kg)

6.4.3. Epinglage, acier passif 6.4.3.1. Désordres concernés par le procédé Par l’intermédiaire de ce procédé de scellement d’armatures métalliques, le massif de maçonnerie de la pile peut retrouver son monolithisme. Les pathologies concernées sont donc :

• La perte de masse volumique, • Le décrochement du couronnement, • Le gonflement.

6.4.3.2. Mise en œuvre du procédé Après forage, les aciers sont mis en place soit avant (cas des aciers de gros diamètre > 20 mm) soit après remplissage par le produit de scellement. Dans le premier cas, l’injection est effectuée à partir d’une canule souple descendue en fond de forage. Les forages sont généralement réalisés avec une légère inclinaison sur l’horizontale (10°). Les produits de scellement sont des coulis au liant hydraulique ou en liant organique (résine) selon la géométrie et la rapidité nécessaire de l’opération.

Figure 57 : principe d’implantation des aciers pass ifs

10°

Remplissage du produit de scellement + mise en place d’armatures



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6.4.3.3. Faisabilité du procédé L’accès aux zones de parement nécessite une foreuse portative. Cependant, les foreuses portatives ne peuvent pas carotter au-delà de 60 cm, alors que la profondeur de forage nécessaire ici est de quasiment 3 m. Le procédé ne peut donc pas être mis en œuvre. 6.4.4. Comblement des cavités dans la fondation, injection et rideau parafouille 6.4.4.1. Désordres concernés par le procédé Cette méthode est une technique de renforcement des fondations. Il est important de la mettre en œuvre en parallèle avec des opérations de réhabilitation de la pile dans le cas où les désordres de la fondation ont déjà affecté la structure maçonnée de la pile centrale. Ces désordres en question, illustrés en Figure 58, sont :

• Affouillement du radier sous la pile centrale, • Affaissement de la pile (recherche de la cavité au préalable dans la fondation), • Dégradation du rideau parafouille, • Affouillement du sol en aval du radier,

Figure 58 : modélisation PLAXIS des pathologies con cernées par le procédé

6.4.4.2. Mise en œuvre du procédé L’établissement de tout projet de renforcement de fondation nécessite de bien connaître la géométrie de la cavité afin :

• D’estimer les risques pour l’exploitation du barrage et pendant les travaux, • De choisir le matériau de remplissage et éventuellement le parafouille à mettre en œuvre, • De définir la méthodologie des travaux, • D’assurer la pérennité de la réparation.

En ce qui concerne les risques, celui de favoriser un renard au moment des travaux est à prendre en compte de façon à se placer dans les conditions hydrauliques favorables ou de prévoir la réalisation d’injection d’étanchéité préalable.

a) Matériau de remplissage La résistance mécanique n’est pas toujours la caractéristique principale. En général, ces travaux ayant lieu sous l’eau, il faut choisir un matériau se mettant facilement en place sans délavage. On pourra s’orienter vers des bétons hydrauliques avec des formulations de béton immergé (granulométrie continue, affaissement au cône > 15) ou des matériaux type béton de sable. Il existe également des bétons spéciaux du type « hydro-béton » qui peuvent convenir, mais dont on s’assurera de l’intérêt technico-économique.



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b) Rideau parafouille Nous avons constaté dans la phase modélisation (5.6 .2.1 p 37) l’importance du rideau parafouille pour diminuer le gradient hydraulique e t donc la possibilité d’apparition des phénomènes de Renard . Il convient d’examiner s’il est nécessaire de le remplacer (s’il existe) ou d’en exécuter un dans le cas contraire. Il est réalisé le plus souvent à l’aide de palplanches dont il faut s’assurer de la possibilité de battage dans le sol (présence de blocs, type enrochements, dureté du sol d’assise…) et de l’incidence des travaux sur l’ouvrage (vibrations pouvant entrainer des tassements, des fissurations…)

c) Méthodologie des travaux Il sera nécessaire de s’assurer de la fermeture de la cavité (coffrage, parafouille, enrochements cimentés…). La mise en œuvre du matériau se réalise généralement à la pompe pour faciliter la pénétration, mais il convient de prévoir suffisamment les orifices de remplissages en fonction de la pénétrabilité du matériau, souvent limité à 1,5 m. Le dispositif d'injection comporte une centrale d'injection mobile (Figure 60), une presse d'injection, une ou plusieurs cannes d'injection (Figure 59) introduites dans le forage (si forage il y a) munie (ou non) d'un obturateur simple ou double permettant de traiter des zones spécifiques de terrain. Enfin il est souvent utile de lier mécaniquement le matériau de remplissage à l’ouvrage et en particulier au rideau parafouille.

Figure 59 : Implantation de principe des cannes d’i njection

Figure 60 : centrale mobile d'injection

Cavités dans le sol ou le radier

Tubes d’injection



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6.4.4.3. Faisabilité du procédé La centrales mobiles d’injection étant facilement implantable sur la plateforme de pile, et les cannes permettant une injection même dans les cavités difficiles d’accès, le procédé d’injection est réalisable et est donc préconisé dans le cas d’une dégradation avancée des fondations. La mise en œuvre du rideau parafouille nécessitera en revanche des moyens plus lourds pour le battage notamment. Cette option n’est pas réalisable dans notre contexte. 6.4.5. Renforcement par micro-pieux 6.4.5.1. Désordres concernés par le procédé Les micropieux sont utilisés pour remédier à un problème de portance. Le micropieu peut résister en traction, compression et, à moindre échelle flexion. En s’ancrant dans un massif stable il permet de redonner à la structure une certaine assise. Les désordres concernés par l’implantation de micropieux sont :

• Affaissement, • Tassement différentiel.

Ces désordres entrainant un mouvement de la pile, présentent un risque pour sa stabilité. 6.4.5.2. Mise en œuvre du procédé Pour le renforcement des assises d’un barrage vis-à-vis de la portance, on envisage donc la réalisation de micropieux. Les problèmes spécifiques concerneront la liaison de la tête de ces structures avec l’ouvrage (Figure 61). Ainsi en cas de renforcement de l’assise d’une pile, on peut concevoir que les nouvelles fondations soient scellées par adhérence au massif. Au niveau du radier, l’épaisseur insuffisante peut conduire à envisager un renforcement ponctuel pour la transmission des efforts. (Figure 62). La solution des micropieux peut-être envisagée dans le cas d'un ouvrage à fondation superficielle ou profonde (pieux) dont la portance du sol se révèle insuffisante. Il est admis d'appeler micropieux un élément porteur foré d'un diamètre inférieur ou égal à 250 mm et d’une longueur pouvant aller jusqu’à 20m. Les différents types de micropieux, leurs domaines d'application et les dispositions constructives sont décrits :

• Dans le Document Technique Unifié N°13.2 Fondation s profondes de Juin 1978 - Cahier 1793 de Septembre 1982 - et Cahier 1877 de Septembre 1983 ;

• Dans le Fascicule 62 titre V du CCTG de Septembre 1993 et la norme NF P 95-106 d'Août

1993.



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Figure 61 : étapes pour la réalisation du scellemen t d'un micropieu

Figure 62 : principe d’implantation de micropieux d ans la structure

6.4.5.3. Faisabilité du procédé La mise en place de micropieux nécessite un forage. Dans notre cas la profondeur de forage devra être d’au moins 3 m afin de garantir une bonne adhérence dans le sol support. La machine présentée en Figure 63, permet des forages de grandes profondeurs (quasiment 60m). Elle pèse 900 tonnes pour une largeur de 1600mm.

RN Amont

RN Aval

Pile centrale

Radier

Rideau parafouille

Micropieux

Sol porteur

≈ 2

m

≈ 3

à 4

m

m



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Figure 63 : illustration d'une foreuse BBAS standar d (source : DRILLING)

L’implantation de cette machine est possible sur la plateforme maçonnée, l’opération de scellement de micropieux est donc réalisable. 6.5. Rempiètement devant la structure pour les degr és de préoccupation 1 De façon générale, on désigne sous le nom de rempiétement, tous travaux effectués en amont de la pile afin de permettre une augmentation du tirant d'eau offert et/ou le renforcement de sa structure compte-tenu, soit de nouvelles contraintes d'exploitation plus importantes, soit de son état qui ne lui permet plus d'assurer les fonctions qui lui sont affectées. 6.5.1. Béton armé coffré ou projeté 6.5.1.1. Désordres concernés par le procédé On emploiera cette technique dans le cas ou aucune des méthodes citées précédemment ne sont réalisable et qu’une intervention urgente est nécessaire pour la sécurité de l’ouvrage et des personnes. 6.5.1.2. Mise en œuvre du procédé Ce type de renforcement ne se distingue d’une structure neuve que par la nécessité d’assurer une liaison avec l’ouvrage maçonné existant. On pourra avoir recours à des aciers passifs, du type épinglage, scellés au massif en place ou à des tirants. On rappellera les avantages présentés par le béton projeté qui permet en employant la méthode par voie sèche, un excellent accrochage, une mise en œuvre sans coffrage même pour les surfaces en plafond, avec des épaisseurs pouvant atteindre 25 cm (couches de 5 à 15 cm). Dans le cas d’un voile en béton armé, il est coulé en place devant l'ouvrage ancien et ancré à celui-ci ou sur un massif indépendant. 6.5.1.3. Faisabilité du procédé Ce procédé nécessite des opérations de mise à sec difficilement réalisables (mais possibles) en amont de la pile. Cette opération très couteuse ne se réalisera uniquement s’il y a risque imminent de ruine de la structure.



77

6.5.2. Rideau de palplanches métalliques 6.5.2.1. Désordres concernés par le procédé Idem 6.5.1 6.5.2.2. Mise en œuvre du procédé Le rideau de palplanches est battu devant le pied de l'ouvrage et ancré en tête soit sur un massif indépendant, soit par liaisonnement avec l'ouvrage existant. Un remblaiement approprié est réalisé derrière le rideau. Une variante de ce procédé est le principe de la paroi berlinoise. Celle-ci est constituée de pieux H battus devant le pied de l'ouvrage, de plaques préfabriquées en béton armé glissées entre les pieux et d'un ancrage en tête fixé soit sur l'ouvrage ancien, soit sur un massif indépendant. Un remblaiement en gros béton est réalisé derrière la paroi. 6.5.2.3. Faisabilité du procédé Idem 6.5.1.3

Bouchon de béton

Poutre de liaison en béton armé

Tirant Ø 45

Rideau parafouille en palplanches

métalliques



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6.6. Bilan des solutions et estimation financière

Tableau 13 : Choix de la technique de maintenance e t/ou réhabilitation

Techniques de Maintenance et réhabilitation Désordres type d'opération PU estimé

Maintenance préventive (ouvrages dans un état corre ct) végétation parasite localisée Nettoyage haute pression ou chimique 10€/m2

Maintenance corrective (ouvrages dans un état affai bli) perte d'enduit

épaufrure

éclatement

cavités

dégradations proches des appuis

béton projeté 600€/m3

disjointoiement

descellement Rejointoiement

puis béton projeté 100€/m2 600€/m3

affouillement du radier proche de la pile rechargement des enrochements 80€/m3

Confortement (ouvrages dans un état très affaibli e t potentiellement à risque) chute de blocs Comblement des cavités par moellons

et béton projeté 160€/m2 600/m3

fissuration & fracture

joint humide, suintement, fuite d'eau

perte de masse volumique

injection de coulis 400€/m3

Bombement Injection de coulis et ancrage de micropieux

400€/m3 210€/ml

affouillement du radier sous la pile comblement de la cavité par injection 400€/m3

affaissement

tassement différentiel renforcement par micropieux 3000€/ouvrage

Modification de la structure (ouvrages à risque) proche de l'état de ruine rempiètement devant l'ouvrage 14 000€/ouvrage



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7. Conclusion En conclusion du rapport, nous allons dresser un bilan des travaux réalisés au sein de l’entreprise. Puis nous portons un regard critique sur la méthode finalement retenue pour mener une mission de diagnostic, en mettant en évidence son utilité pour les piles de barrages, mais aussi ses limites. Au cours du stage, le travail s’est organisé en 5 phases :

• Recherche et analyse bibliographique, • Elaboration d’une méthode de diagnostic, • Modélisation numérique à titre de complément théorique à l’étude mais aussi d’élément

justificateur pour les hypothèses de dégradation, • Rédaction des cahiers des charges pour la réalisation d’investigations complémentaires et

donc l’obtention de données manquantes. • Proposition des solutions de confortement et de maintenance.

Les phases de travail et le planning du stage sont joints en Annexe 6 : Planning du travail méthodologique réalisé pour l’élaboration de l’outil de diagnostic. Ainsi, en partant d’une recherche bibliographique et en établissant un état de l’art, nous avons pu mettre au point une méthode d’évaluation du risque de ruine des piles de barrages mobiles, qui intègre le diagnostic de l’état de l’ouvrage et les solutions à mettre en œuvre pour le réhabiliter. Cette méthode est applicable uniquement aux piles de barrages maçonnées. Elle s’appuie sur une analyse de la gravité et de l’interaction des désordres. Cette analyse a été précisée par une modélisation numérique, et doit être finalisée à l’issue des résultats des inspections complémentaires (ceux-ci n’ont pu être rendus avant la fin du stage). La fin du stage s’est destinée à la proposition de solution de réparation en fonction du degré de préoccupation de l’ouvrage. L’outil ainsi élaboré est aisément utilisable et ne nécessite par forcément l’avis d’un expert. En reportant tout d’abord les désordres dans un tableau des désordres, le travail s’enchaîne ensuite logiquement, chaque opération étant fonction du degré de préoccupation de l’ouvrage. La méthode présente les avantages suivants :

• Elle est évolutive ou dynamique en tenant compte des relations entres les systèmes et environnement et en tenant compte de l’évolution des désordres,

• Elle permet d’identifier des mécanismes de dégradation en croisant les données visuelles et les résultats de l’analyse fonctionnelle,

• Elle nous oriente vers les origines et les conséquences des pathologies, • Elle peut mettre en évidence un vice caché, non détectable à l’œil nu, • Elle oriente vers des investigations pour la détection des vices cachés et la prévision de

l’évolution du mécanisme de dégradation, • Elle propose des moyens pour rendre à l’ouvrage sa résistance initiale, voire l’améliorer.

Les étapes de la méthode établie sont disponibles en Annexe 7 : démarche de la méthode de diagnostic du risque de ruine. Néanmoins, les éléments suivants présentent une certaine liberté d’application pour l’utilisateur de la méthode :

• La détermination du degré de préoccupation (la méthode par fiche informatique étant applicable uniquement aux 12 barrages de l’Yonne),

• L’implantation exacte des investigations géotechniques et géophysiques selon la localisation et les propriétés des pathologies observées,

• Le choix de coupler plusieurs méthodes de maintenance ou réhabilitation si l’accumulation des désordres l’exige.

La gestion des barrages mobiles étant un problème local, car chaque ouvrage présente ses particularités, cette liberté laissée à l’utilisateur lui permet de coller au mieux avec les exigences de l’ouvrage.



80

La méthode mise au point est une méthode purement qualitative, basée sur des hypothèses de dégradation et une analyse fonctionnelle. Le manque de bibliographie ne nous permet pas de réaliser une méthode plus poussée, telles que la méthode de Sûreté de fonctionnement, qui nécessiterait des données probabilistes non disponibles. La question à se poser est donc la suivante : est-il nécessaire d’effectuer des travaux plus poussés sur les barrages mobiles de navigation malgré leur relative simplicité ? Les barrages mobiles étant les barrages les plus représentés en France, leur fonction étant déterminantes dans la circulation des biens et des personnes, et leur état devenant préoccupant, il sera important dans l’avenir de se pencher plus amplement sur le comportement de ces ouvrages et leur environnement. Sur le plan personnel, ce projet m’a permis de participer à une mission de diagnostic d’envergure, dans le cadre d’un marché qui nécessitera sans doute des missions supplémentaires allant de l’avant projet jusqu’à la direction et l’exécution des travaux (DET). Interlocuteur privilégié au cours de tout projet, le bureau d’étude assure un lien permanent entre le maître d’ouvrage et l’entreprise. Son rôle de concepteur, de conseiller et de contrôleur lui offre un large panel d’activités. La gestion des ouvrages hydrauliques en particulier, demande une adaptation constante aux contraintes hydrauliques très variables, et les travaux de génie civil en milieu aquatique représentent un défi permanent ou le travail doit allier technique et capacité de gestion. Au final, en appliquant une analyse théorique à une mission professionnelle, il m’a été permis de m’immerger au sein des activités de maîtrise d’œuvre d’un bureau d’étude, tout en mettant à profit les outils pédagogiques acquis au cours de ma formation à l’INSA.



81

Bibliographie

[1] Plateforme Ouvrages d’Arts (onglet Méthode de gestion des OA), SETRA. [En ligne]. Disponible sur http://www.piles.setra.equipement.gouv.fr [2] Club Ouvrages Maritimes, CETMEF. [En ligne]. Disponible sur http://www.cetmef.equipement.gouv.fr/projets/ouvrages/clubouvragemaritime/7_publication.html [3] Réparation des ouvrages (note n°5 ouvrages en maçon nerie), Ministère de l’Industrie, de l’économie et de l’emploi. [En ligne]. Disponible sur http://www.minefi.gouv.fr/fonds_documentaire/daj/guide/gpem/t1-96/recan5c2.pdf [4] Barrages et évaluation des risques, Ministère de l’industrie, de l’économie et de l’emploi. [En ligne]. Disponible sur http://www.industrie.gouv.fr/energie/hydro/risques.pdf [5] Théorie et méthode de détermination des affouillements, J-P. LEVILLAIN (LRPC). [En ligne]. Disponible sur http://www.paralia.fr/Files/02_ls_36p_levillain.pdf [6] Evaluation de la performance des barrages basée sur la formalisation de l’expertise, CEMAGREF. [En ligne]. Disponible sur http://www.gc.iut-nimes.fr/internet/augc/Papiers/052_cur.pdf [7] Etude de la sûreté de fonctionnement d’un aménagement hydraulique de génie civil, L. Peyras – P. Royet – A. Salmi – M. Salembier – D. Boissier. [En ligne]. Disponible sur http://www.mrgenci.u-bordeaux1.fr/docs/regc_2006.pdf [8] Voies Navigables de France, Les barrages mobiles de navigation, édition le moniteur, 1998. [9] P.ROYET – J.FRANCQ – L.BAYET – J.M.BOUTET, Diagnostic et Réhabilitation des barrages français en maçonnerie, Publication du CEMAGREF, 1993. [10] F. DALY – JL. LEDOUX, Instruction technique : Surveillance, Entretien et Réparation des barrages mobiles en rivière, Notice du STCPMVN (aujourd’hui CETMEF), Juin 1996. [11] R.B.J. BRINKGREVE, Plaxis version 8, manuel de référence, Publication de l’Université de Delft (Pays-Bas), 2003.



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Annexe 1 : Organigramme

Organigramme de l’agence de SOGREAH Paris



83

Annexe 2 : catalogue de désordres pour IQOA

Extrait du catalogue SETRA des désordres sur les piles en maçonnerie



84

Annexe 3 : Schémas fonctionnels de dégradation

Système Pile



85

Système Fondation



86

Système Vantellerie



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Environnement sol



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Annexe 4 : Fiche informatique d’évaluation de l’éta t

Interface Excel du programme d’évaluation rapide de l’état (application à la pile du barrage des Dûmonts)

NB : Il est nécessaire d’entrer « 1 » en face du dé sordre constaté s’il est d’avancement faible, et « 2 » s’il est d’avancement fort, le programme r envoie le reste des informations.



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Annexe 5 : résultats PLAXIS

Description des phases de calcul

Phase 1 - Etat non dégradé

Pour cette phase, aucun phénomène de dégradation n’apparaît. La pile est dans un très bon état fonctionnel et structurel.

Phase 2 - Chutes de blocs

Dans cette phase, le processus de dégradation a commencé, la pile a perdu de la maçonnerie en parement et en structure interne.

Phase 3 - Début d'affouillement du radier

Cette phase simule le début de l’action érosive de l’eau en aval de la pile sur le radier. Cette phase suppose préalablement que les enrochements protecteurs ont été charriés. L’affouillement ainsi crée est de 40cm de long sur 20 cm de profondeur.

Phase 4 - Affouillement du radier

Le processus d’affouillement continu pour s’étendre jusqu’à 1 m sous le radier et à une profondeur de 40 cm.

Pile et radier (même matériau)

Sol support = sable dense

Rideau parafouille



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Phase 5 - Début d’affouillement du sol et dégradati on du parafouille

Ici, le sol support en aval du radier commence à s’affouiller, de même que la partie supérieure du rideau parafouille.

Phase 6 - Affouillement du sol et dégradation du pa rafouille avancés

Dans la phase n°6, le radier, le sol et le rideau p arafouille continue leur dégradation par érosion.

Phase 7 - Affouillement global très avancé

Pour cette dernière phase, le sol s’est affouillé en tout de 60 cm en aval du radier, le parafouille a perdu 80cm en partie supérieure, et le radier s’affouille sur une longueur de 2m sous la pile pour une profondeur de 40 cm.

80cm

210 cm



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Résultats PLAXIS de la phase 2 à la phase 6 (déplacements et contraintes)

Phase 2


Le constat est sensiblement le même que pour la phase 1, on peut toutefois noter que la perte de blocs de pierre va diminuer les déplacements verticaux (diminution de l’action du poids propre) mais augmenter les déplacements horizontaux (moins de masse pour résister à la poussée de l’eau et donc pour assurer la fonction de barrage poids d’une pile centrale de barrage mobile).

Phase 3


Ici aussi, les résultats sont quasi-inchangés par rapport à la phase précédente. On peut cependant noter que le déplacement de la tête aval du couronnement est légèrement plus important (environ 0,2mm), et que les contraintes de cisaillement augmentent (environ 1200kPa) et s’étendent à présent autour de la zone d’affouillement.

Phase 4

Allure de la déformée (agrandie 500 fois)



92


Les déplacements sont ici plus conséquents (0,6mm) et peuvent, par exemple, être détectés par des moyens manuels simples (niveau, fil à plomb…). Ces déplacements sont les plus importants en tête aval du couronnement (comme pouvait le laisser pressentir la phase précédente). Ils se répartissent ensuite vers l’arrière de la pile et dans le radier (qui a tendance à se plier sous la zone d’affouillement), puis s’estompent dans le sol support. Les contraintes de cisaillement sont toujours les plus importantes à l’angle aval pile-raider (environ 3200 kPa), la position de l’angle étant par ailleurs déplacée par l’affouillement. Le radier sous-jacent à la zone d’affouillement présente toutefois un état de contrainte relativement important (environ 1000 kPa).

Phase 5

Déformée agrandie 500 fois


Les conclusions sont les mêmes que pour la phase 4, l’affouillement du sol en aval du radier a peu d’influence sur les déplacements et les contraintes à ce stade. Le phénomène a cependant un rôle fragilisant dans la mesure où il expose les fondations de la pile à une érosion plus conséquente.



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Phase 6

Déformée agrandie 500 fois


A ce stade, les déplacements augmentent encore (0,7mm), l’affouillement entraîne, d’une part, une perte de portance qui fait basculer la pile, et d’autre part, une perte de rigidité du radier qui se déforme à son tour en entraînant et dégradant le rideau parafouille. Les contraintes de cisaillement se concentrent exclusivement à l’arrière de la zone d’affouillement (environ 3300kPa), en pied de pile et dans le radier. La perte de rigidité du radier entraîne un état de contrainte également important à l’interface sol-radier (2000kPa) du à la tendance du raider à se plier.



94

Influence du niveau d’eau sur les déformations et les contraintes Les caractéristiques des matériaux sont inchangées, nous faisons varier la hauteur d’eau amont de 1m80 à 2m40 afin de mettre en évidence le rôle de la poussée de l’eau dans le comportement de la pile maçonnée. 4 cas sont étudiés dans cette première étude d’influence :

Cas Hauteur d’eau amont (m) 1 1,80 2 2,00 3 2,20 4 2,40

Pour chacun des cas les déformations du couronnement et les contraintes maximales de cisaillement en pied de pile seront étudié en fonction des phases de dégradation.

Etude des déformations Les résultats sont regroupés dans le graphique suivant :

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

0 1 2 3 4 5 6 7 8

phases

dépl

acem

ents

du

cour

onne

men

t (cm

)

1,8m

2,0m

2,2m

2,4m

Déplacements du couronnement aval au cours des phas es de dégradation

Nous constatons que plus le niveau d’eau est élevé, plus le déplacement du couronnement et important. Globalement, ce déplacement augmente au fur et à mesure que la dégradation avance. En phase ultime, le couronnement subit une augmentation de déplacement d’environ 10% pour une hauteur d’eau augmentant de 25%. Bien que relativement légère, cette déformation peut s’avérer préjudiciable pour des matériaux fragiles telles que la maçonnerie.

Etude des contraintes de cisaillement Les résultats sont regroupés dans le graphique suivant :



95

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

0 1 2 3 4 5 6 7 8

phases

cont

rain

tes

de c

isai

llem

ent

en p

ied

de p

ile (k

Pa)

2,4 m

2,2 m

2,0 m

1,8 m

Contrainte maximale de cisaillement en pied de pile au cours des phases de dégradation

Il apparaît que, parallèlement au déplacement, la contrainte de cisaillement en pied de pile augmente également avec la hauteur d’eau en amont. Cette contrainte augmente de 4% en phase ultime pour une augmentation de hauteur d’eau de 25%.



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Annexe 6 : Planning du travail méthodologique réali sé pour l’élaboration de l’outil de diagnostic



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Annexe 7 : démarche de la méthode de diagnostic du risque de ruine

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