Denis JONGMANS

ISTerre, Université Joseph Fourier, Grenoble

Conseil Général des Alpes Maritimes Nice , 21 Février 2013

Journée de restitution du projet MASSA

ACTION 2 Instrumentation des éboulements de volume

intermédiaire

1

Pla

n

Plan

1. Introduction

2. Techniques d’instrumentation

3. Sélection et instrumentation des sites

4. Résultats 4.1 Détermination de fréquences de résonance 4.2 Suivi temporel

5. Problèmes rencontrés

6. Conclusions et perspectives

Eboulements de volume intermédiaires (103 m3- 105 m3)

Arly Gorges, French Alps, 25/01/2012, ~12 m3

Chutes de blocs Gros éboulements

2

1.I

ntr

od

uct

ion

• Ecailles, colonnes ou dièdres de plusieurs dizaines de mètres de haut et de large: objets courants dans les Alpes

• Moins fréquents que chutes de blocs: pouvoir destructeur important

• Problèmes opérationnels au niveau des moyens de protection et de la propagation

• Progrès sur les méthodes de reconnaissance /surveillance et sur les techniques de modélisation numérique de la propagation

La Clapisse viaduct, October 2010, DL - 3000 m3

Frank slide, 30 103 m3

Pirulli and Mangeney, 2007

Inspections régulières pour détecter des éboulements et déplacements du sol (routes)

Méthodes de détection classiques

Suivi de l’ouverture de fractures ou de mouvements du sol

Bhandari 1988; Zvelebil and Moser 2001; Voight, 1988

Ro

sser

et

al.

20

07

Mikos et al. 2005; Rosser et al. 2007

Suivi extensométrique Lidar terrestre

3

1.I

ntr

od

uct

ion

Méthodes basées sur la mesure des déformations à la surface Manque d’information et de suivi sur les processus de déformation interne

1.I

ntr

od

uct

ion

Limites des méthodes de surveillance

Recherche de nouveaux précurseurs

• Enregistrement d’évènements sismiques

(micro-ruptures): classification, statistiques, localisation

• Enregistrement de bruit de fond sismique: suivi de

la fréquence de résonance

Déploiement de stations sismiques

4

D. A

mit

ran

o, 2

00

5

éboulement

Méthodes sismiques

Eboulement dans des falaises de craie, Normandie. 2000 m3 Juin 2002

D. A

mit

ran

o, 2

00

5

Suivi de l’activité sismique: nombre d’évènements / énergie sismique

40

m

Limitations: - Délai court avant éboulement - Atténuation des ondes

5

1.I

ntr

od

uct

ion

La méthode de fréquence de résonance

Génie Civil

Fréquences de résonance

= f (masse, rigidité)

Frequency

Spec

tru

m

f1 f2 f3 f4

Information contenue dans le bruit de fond sismique

Millikan Library (Clinton et al. 2006)

Mo

dif

ied

fro

m C

linto

n e

t a

l. (2

00

6)

Time (years)

f (H

z)

earthquakes

6

1.I

ntr

od

uct

ion

Fréquence de résonance

f0 = F (m, Ki, Kc)

m

Ki

Kc

7

1.I

ntr

od

uct

ion

Fréquence de résonance d’une colonne instable

- Masse de la colonne : m - Rigidité de la colonne: Ki

- Rigidité du contact: Kc

Présence de ponts rocheux sur la surface de rupture

Site de Chamousset (2007)

Natural hazards

Analyse temps-fréquence (haut) et suivi extensométrique (bas) (Lévy et al. 2010, Lévy 2011)

Eboulement

Nov. 2007

Date

Ou

ve

rtu

re d

e

fra

ctu

re (

mm

) f 0

(H

z)

Colonne calcaire de 80 m de haut, 21 000 m3

8

1.I

ntr

od

uct

ion

Validation par modélisation numérique

11

Effet de la diminution du pourcentage de ponts rocheux

9

1.I

ntr

od

uct

ion

Freq

ue

ncy

(H

z)

Decrease of rock bridges % (from 21% to 0) Time (s) -

Normalized spectra

2. Techniques d’instrumentation

Enregistrements des vibrations du sol A

(m

V)

t (s)

Bruit de fond

sismique

Bruit de fond

sismique

Evènementsismique

En mode continu : 2.1. Le bruit de fond sismique (bleu) En mode déclenché: 2.2. Comptage des évènements sismiques (orange)

10

2. T

ech

niq

ue

s d

’inst

rum

en

tati

on

Extraction de la fréquence de résonance

Relative |TF|

0

1

time

Suivi temporel

Relative |TF|

0 1

Spectre azimutal

Bruit de fond sismique

11

2. T

ech

niq

ue

s d

’inst

rum

en

tati

on

2

.1. F

réq

uen

ce d

e ré

son

ance

Détection des évènements sismiques

Occhiena et al. 2010

2. T

ech

niq

ue

s d

’inst

rum

en

tati

on

12

2.2

. Evè

nem

ents

ris

miq

ues

3a. Sélection des sites instables

Critères - Contexte géologique varié - Accessibilité

1- Reconnaissance & instrumentation

temporaire des sites

2- Installations permanentes, surveillance et écoute géophysique des sites & interprétation

4 sites temporaires 1 site déjà

permanent 1 site remis en état

3 sites instrumentés (moyen terme) au printemps – été 2011

- 1000 m3 < Volume < 100 000 m3

A partir propositions faites par le CG06, CG73, SAGE,

ARPA Piémont, CREALP

13

3. S

élec

tio

n &

inst

rum

en

tati

on

de

s si

tes

M. P

ieri

ni

1- Rubi

3- La Praz

2- La Suche

4- Les Arches

6- Cervin

5- Madonna del Sasso

14

3. S

élec

tio

n &

inst

rum

en

tati

on

de

s si

tes i Sites sélectionnés

12000 m3

Sites sélectionnés 3

. Sél

ecti

on

& in

stru

me

nta

tio

n d

es

site

s

15

Site Nature de la

roche Morphologie Mécanisme de rupture

Volume

(m3)

Orientation de la

fracture arrière (°)

Rubi Pélites Colonne Basculement/glissement

en pied 4500 65

La Suche Calcaire Colonne Basculement/glissement

en pied 30000 indéfini

La Praz Alternance

grès-schistes

Couches

déstructurées Glissement / fauchage 13000 90-100

Cervin Méta-granites Roche

déstructurée ? ? indéfini

Les Arches Calcaire Colonne Basculement/glissement

en pied 1000 145

Madonna

del Sasso Granite

Deux blocs

massifs Basculement

12000 +

7500 indéfini

Caractéristiques des compartiments instables et leur instrumentation.

Les azimuts sont exprimés dans le sens horaire, par rapport au Nord.

Sites instrumentés

La technique de fréquence de résonance a montré son aptitude sur tous les sites instrumentés à court terme

Quatre sites ont été choisis pour être instrumentés sur du moyen terme (2 ans)

Lidar a été réalisé sur les sites pour disposer d’un modèle numérique de la falaise

3. S

élec

tio

n &

inst

rum

en

tati

on

de

s si

tes

16 La Suche

100 m

Site instrumenté temporairement: Madonna del Sasso 3

. Sél

ecti

on

& in

stru

me

nta

tio

n d

es

site

s

Résultats

f (Hz)

I5

I4

I3

I6

I1

I5

I6

I1

I2

I3

I4

10 m

5

rela

tive

|TF|

I2

17

Instrumentation

Capteurs sismologiques (vélocimètres) 3 composantes, courte-période

Capteurs clinométriques haute-résolution bi-axiaux

Capteurs extensométriques à piston haute résolution ou à câble

Station d’acquisition multi-voies Convertisseur Analogique-Numérique 24 bits, stockage de grande capacité

Station météorologique

Cap

teu

rs

Acq

uis

itio

n

3. S

élec

tio

n &

inst

rum

en

tati

on

de

s si

tes

18

S

R

Direction du max(|TF|) Relative |TF| 0 1

Légende

? ?

Coupe

Carte du site

RUBI

19

4. R

ésu

ltat

s 4

.1. B

ruit

de

fon

d s

ur

les

sco

mp

arti

men

ts in

stab

les

Hz

4. Résultats: Mesures de bruit de fond

S

R R

S

S

R S

R

1- Rubi 4- Les Arches

2- La Suche 3- La Praz

Direction du max(|TF|) Relative |TF| 0 1

Légende 20

4. R

ésu

ltat

s 4

.1. B

ruit

de

fon

d s

ur

les

sco

mp

arti

men

ts in

stab

les

Bruit de fond sur les compartiments instables

Conclusions • Présence de fréquences de résonance sur tous les compartiments instables instrumentés (tous contextes géologiques) • Information facile à extraire à partir du bruit sismique • La première fréquence de résonance f0 est orientée selon la plus grande pente (perpendiculairement à la fracture arrière)

• Sur le Cervin, l’instrumentation mise en place n’ a pas permis l’extraction des fréquences de résonance

21

4. R

ésu

ltat

s Bruit de fond sur les compartiments instables 4

.1. B

ruit

de

fon

d s

ur

les

sco

mp

arti

men

ts in

stab

les

10

Les Arches

La Praz

La Suche

Rubi

P.A.C.

hiver hiver hiver

4. R

ésu

ltat

s

Données acquises durant le projet

Dernières données récupérées

4.2

. Su

ivi t

emp

ore

l Suivi temporel de f0

Le Cervin

22

11

4. R

ésu

ltat

s Suivi temporel: Corrélations f0-extensométrie/inclinométrie

La Suche

Ext A, D, F

Anticorrélation entre f0 et extensométrie

Contrôle des deux courbes par la température

Pas de déformations rapides mises en évidence durant étude

4.2

. Su

ivi t

emp

ore

l

23

10

Amplitude relative

0 1

Site de RUBI

? ?

Section f0 varie au cours du temps

Contrôle thermique (corrélation positive)

Site type: colonne rocheuse

4. R

ésu

ltat

s Suivi temporel f0 4

.2. S

uiv

i tem

po

rel

24

no data no data

11

?

?

Amplitude relative

0 1

f0 varie au cours du temps

Contrôle thermique (corrélation négative)

Différence morphologique ? Effet sur rigidité du milieu

4. R

ésu

ltat

s 4

.2. S

uiv

i tem

po

rel

Suivi temporel F0

Site de La Praz

25

11

Corrélation de f0 avec la température

f0 varie très fortement

avec l’englacement

4. R

ésu

ltat

s 4

.2. S

uiv

i tem

po

rel

Suivi temporel de f0: effet de l’englacement

Site des Arches

26

11

Occhiena et al. 2010

Site du Cervin

4. R

ésu

ltat

s 4

.3. E

vèn

emen

ts s

ism

iqu

es

Suivi temporel: Détection d’évènements sismiques

N d’évènements augmente lors des chutes de température

27

11

5. Problèmes rencontrés 5

. Pro

blè

mes

ren

con

trés

Alimentation en énergie sur site isolé - orienté Nord et faiblement ensoleillé (La Praz) - période nuageuse prolongée (La Suche) Combinaison énergétique et stratégie d’acquisition nécessaires

Fréquence de résonance: fluctuations d’origine thermique

peut masquer l’endommagement. Séparation des phénomènes réversibles et irréversibles.

Pas d’éboulement et d’endommagement net durant la période d’étude

Cervin: Difficulté de localiser les évènements sismiques détectés (modèle de vitesse complexe)

28

6. Conclusions

12

• Méthodes

1. Mesure de f0 à partir du bruit de fond: - méthode facile à implanter et à interpréter - mesures robustes et faciles à traiter. - mesures complémentaires des mesures classiques: déformation interne - possibilité d’acquisition à distance/temps réel

2. Détection d’évènements sismiques: - traitement plus complexe avec détection, classification et localisation des évènements - calcul de variation de l’énergie sismique ou du nombre d’évènements

6. C

on

clu

sio

ns

29

6. Conclusions

12

• Résultats - Tous les compartiments potentiellement instables ont montré une fréquence de résonance f0 (paramètre caractéristique et robuste)

- La vibration à cette fréquence f0 est cohérente avec la géométrie de la fracture arrière - Variations de f0 dues à des effets thermiques réversibles

- Pas de variation rapide de f0 montrant un endommagement significatif - Endommagement progressif mis en évidence par les micro-ruptures lors des chutes de température (Cervin).

6. C

on

clu

sio

ns

30

6. fiches techniques

12

6. C

on

clu

sio

ns

31

6. Perspectives

12

• Bruit de fond sismique 1. Enlever l’effet thermique réversible sur le suivi temporel de f0 2. Evaluer le degré de découplage d’un compartiment à partir de sa géométrie

et F0.

6. C

on

clu

sio

ns

Zone de danger?

32

6. Perspectives

12

• Bruit de fond sismique

3. Etudier le degré de sensibilité de f0 à la température pour évaluer le découplage

6. C

on

clu

sio

ns

Les Arches

La Praz

La Suche

Rubi

Périodes hors gel

Site ΔT (°C) Δf0 (Hz) f0 (Hz) Δf0/f0/ΔT (%/°C)

La Suche 30 0.4 2.25 6 x 10-3

La Praz 30 1 6.2 5.5 x 10-3

Rubi 30 0.5 5 3.3 x 10-3

Les Arches 30 2.5 6.25 1.3 x 10-2

33

6. Perspectives

12

6. C

on

clu

sio

ns

• Evénements sismiques - Développement de méthodes pour localisation des micro-ruptures

34