Sujet de thèse IFSTTAR

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Fiche détaillée :

Titre : Titre du projet: Prédiction de la stabilité des ouvrages de protection contre les inondations pour des systèmes d'alerte précoce et l’amélioration de la résilience des digues

Laboratoire principal - Référent principal GERS - SRO  -  REIFFSTECK Philippe      tél. : +33 181668386

Directeur du laboratoire principal REIFFSTECK Philippe  -

Spécialité de la thèse Géotechnique

Axe 2 - COP2017 - Améliorer l'efficience et la résilience des infrastructures

Site principal Marne-la-Vallée

Etablissement d'inscription UNIVERSITE PARIS-EST

Ecole doctorale SCIENCES, INGENIERIE ET ENVIRONNEMENT (SIE)

Directeur de thèse prévu CHEVALIER Christophe  -  Université Gustave Eiffel  -  GERS - SRO

Co-directeur de thèse prévu REIFFSTECK Philippe  -  Université Gustave Eiffel  -  GERS - SRO

Type de financement prévu Contrat doctoral  - Ifsttar

Résumé

Contexte :

Le sujet de l’instrumentation des ouvrages hydrauliques est un sujet évident pour les barrages, qu’il s’agisse d’instrumentation sur ouvrage neuf ou sur ouvrage ancien : cette question de l’instrumentation est abordée dans la législation relative à la sécurité des digues et barrages (MEDDE, 2015). Dans le cas des barrages, l’instrumentation est donc obligatoire. Pour les digues, rien n’est imposé ni même suggéré, et le sujet n’est même que depuis très récemment abordé. En France, il y a presque 9000 kilomètres de digues (protégeant des bassins très urbanisées, et donc à la fois peuplées et stratégiques pour l’économie et la sécurité) placées sous la gestion de gestionnaires très variés, notamment en termes de compétences techniques, et dont la sécurité repose sur les seules inspections visuelles. Aujourd’hui, le développement de nouvelles technologies de capteurs et un accès plus facile aux communications permet d’envisager un suivi couplant ces inspections visuelles avec du monitoring. Il apparait donc utile de conduire un travail de recherche qui conduira à proposer des instrumentations utiles à la fois à l’inspection et au diagnostic de l’état de l’ouvrage en période de crise. Le suivi des ouvrages hydrauliques linéaires de type digue repose actuellement essentiellement sur des inspections visuelles. Par définition, ces inspections, qui n’ont lieu qu’une à deux fois par an dans le meilleur des cas, et ne coïncident pas forcément avec des épisodes climatiques intenses, ne peuvent se baser que sur des relevés de défaut de surface et emmène l’expert à se prononcer sur l’importance de ces défauts.

Objectifs : Il est proposé de développer une méthodologie permettant de compléter cette inspection visuelle par des relevés d’instrumentation in situ permettant d’ausculter l’ouvrage dans sa partie « non-visible ».
La prise en compte des informations non visibles depuis l’extérieur de l’ouvrage apporte une information supplémentaire concernant l’état de stabilité de l’ouvrage qu’il est essentiel de capitaliser. La dégradation des ouvrages en terre est un phénomène qui peut se développer au sein de la structure : on citera par exemple l’érosion interne. D’autres phénomènes peuvent être associés à de la dégradation mais ne peuvent être relevés visuellement comme par exemple l’appréciation de la perméabilité du sol, notamment en période de sécheresse avec une combinaison de phénomènes comme la fissuration, le retrait volumique ou la modification de la microstructure qui ne peuvent être appréhendés globalement uniquement par la surface de l’ouvrage. Les propriétés mécaniques du sol sont aussi susceptibles d’évoluer au cours de la vie de l’ouvrage, notamment sous des cycles d’humidification-séchage qui peuvent entrainer la diminution de sa stabilité.
Les développements récents des techniques d’auscultation sur site (à l’aide de fibre optique et de chaines de capteurs à bas coûts) montrent qu’il est maintenant possible de développer des systèmes de monitoring à long termes déployés sur des digues ‘sensibles’, qui permettront de connaître en tout temps l’état de l’ouvrage. En couplant ces techniques de surveillance avec les prévisions météorologiques notamment, il devrait être possible de prédire l’impact de ces évènements climatiques (exceptionnels et/ou répétés) sur l’ouvrage, et ainsi de définir le niveau de sécurité de celui-ci vis-à-vis des sollicitations à venir, et donc d’augmenter la sécurité des personnes et infrastructures et installations sensibles placées en arrière de ces ouvrages.
Ce projet vise donc à développer un modèle numérique permettant d’évaluer la vulnérabilité d'une digue contre les inondations, à partir d'une combinaison :
- de données de mesures in situ principalement grâce à des capteurs dédiés,
- des données climatiques en temps réel ou projetés,
- des données sur les niveaux d’eau dans la rivière/inondations (quantification de l’aléa),
- des données de laboratoire permettant de définir le niveau de dégradation des matériaux.
Ces données doivent être traitées pour donner une réponse précise en termes d'évaluation de la stabilité en temps réel. Cette information peut être communiquée aux gestionnaires au fur et à mesure des inspections ou au moment d’une crise. L'objectif est d’arriver à prédire la stabilité des performances à court terme des structures lors des crues, en utilisant la réponse du sol aux effets climatiques par modélisation numérique.
Programme de travail :
- Le doctorant devra dans un premier temps, par un travail bibliographique, lister les différents mécanismes de ruptures ainsi que leurs cinétiques avec l’enchaînement des désordres induits et faire le lien avec l’apparition des défauts qui peuvent être visibles ou mesurés,
- Le doctorant devra également établir et dérouler un programme en laboratoire visant à estimer l’évolution de la résistance en fonctions de l’accumulation de cycles hydriques, en tenant notamment en compte l’évolution du degré de saturation,
- En lien avec les deux premiers points, le doctorant participera aux choix des capteurs ou type de mesures à mettre en œuvre pour suivre in situ l’état des matériaux compactés, avec une validation le cas échéant sur un ouvrage en vrai grandeur et une instrumentation plus conventionnelle,
- En parallèle, le doctorant devra réaliser une étude paramétrique numérique permettant de simuler l’évolution de l’ouvrage, en fonction de l’environnement climatique et des données acquises en laboratoire.
Résultats attendus : La modélisation numérique à l’aide des données issues de la surveillance et des capteurs spécifiques permettra de prédire le comportement des sols non saturés, depuis la phase initiale, transitoire et finale de l'événement d'inondation, du non saturé au saturé, de l’échelle de l’éprouvette extrapolée à l’échelle de l’ouvrage, en termes de mécanisme de défaillance. Des informations fiables doivent être fournies pendant la période transitoire (montée du niveau d’eau, précédant l’inondation), qui est la période la plus critique pour un ouvrage de protection car permettant de prendre rapidement des mesures de protection/confortement adéquates (pouvant aller jusqu’à l’évacuation des populations). L'état initial de l’ouvrage doit être bien décrit, y compris les évolutions de fissuration, de conductivité hydraulique et de résistance au cisaillement. Ensuite, en fonction du bon ou du mauvais état de la structure, le système d’alerte précoce (SAP) pourra prédire la stabilité de la structure de l'état initial à la fin de l'événement hydrométéorologique. Le diagnostic,le pronostic de la stabilité de la structure et la mise en place d’alerte (gestion de crise) sont des concepts fondamentaux que la thèse intégrera. En parallèle, les effets du climat sur les propriétés des microstructures mécaniques et hydrauliques et le comportement de différents types de sols pourront être étudiés pour donner au modèle un caractère de prévision vis-à-vis des changements climatiques à venir (aspects de durabilité).
En terme de méthode, il sera très important au cours de la thèse de coupler des données réelles de site provenant des capteurs, avec des essais en laboratoire réalisés sur des sols équivalents, ainsi que de la modélisation numérique.

Références bibliographiques :
AN N., HEMMATI S., CUI Y.-J. 2016. Numerical analysis of soil volumetric water content and temperature variations in an embankment due to soil-atmosphere interaction. Computers and Geotechnics. Vol.83. pp40-51
ASCE. 2000. Guidelines for instrumentation and measurements for monitoring dam performance.
BALIS B., KASTZTELNIK M., BUBAK M., BARTYNSKI T., GUBALA T., NOWAKOWSKI P., BROEKHUIJSEN J. 2011. The UrbanFlood common information space for early warning systems. Procedia computer science. 4, 96-105.http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S187705091100069X
COURIVAUD J.R., BECK Y.-L., PERRIOLLAT J.-L., PINETTES P. 2012a. Démarche d’EDF au regard de l’utilisation des fibres optiques pour la surveillance des ouvrages hydrauliques. Validation de cette technologie lors des essais néerlandais Ijkdijk d’érosion interne.Colloque CFBR « Auscultation des barrages et des digues – pratiques et perspectives », 27-28 novembre 2012, Chambéry, France. 14 pages.
Dezert T. 2019. Combinaison d'informations ponctuelles et volumiques pour le diagnostic d'ouvrages en terre soumis à des risques hydrauliques, université de Nantes
DUNICLIFF J. 1988. Geotechnical instrumentation for monitoring field performance / John Dunnicliff with the assistance of Gordon E. Green. A Wiley-Interscience publication. ISBN 0-471-09614-8. 577 pages
INERIS, IRSTEA. 2015. Maîtrise des risques liés aux ouvrages hydrauliques (Programme DRA-91). Opération D1 : État des techniques éprouvées et innovantes pour la surveillance des digues. Rapport d’étude 02/12/2015, DRS-12-126136-13631C.
JODRY C., PALMA-LOPES S., FARGIER Y., SANCHEZ M., COTE P. 2019. 2D-ERT monitoring of soil moisture seasonal behavior in a river levee: a case study. Journal of Applied Geophysics, n°167, pp.140-151. https://doi.org/10.1016/j.appgeo.2019.05.008
MEDDE (Ministère de l’écologie, du développement durable et de l’énergie). 2015.Décret n° 2015-526 du 12 mai 2015 relatif aux règles applicables aux ouvrages construits ou aménagés en vue de prévenir les inondations et aux règles de sûreté des ouvrages hydrauliques. Publié au JORF n°0111 du 14 mai 2015 page 8218. https://www.legifrance.gouv.fr/eli/decret/2015/5/12/2015-526/jo/texte
MERIAUX P., MONIER T., TOURMENT R., MALLET T., PALMA-LOPES S., MAURIN J., PINHAS M. 2012. L’auscultation des digues de protection contre les inondations : un concept encore à inventer. Colloque CFBR « Auscultation des barrages et des digues – pratiques et perspectives », 27-28 novembre 2012, Chambéry, France. 17 pages.

Mots-clefs: Digues, monitoring, modélisation numérique, résilience, climat, vulnérabilité

Laboratoire principal - Référent principal	GERS - SRO - REIFFSTECK Philippe tél. : +33 181668386
Directeur du laboratoire principal	REIFFSTECK Philippe -
Spécialité de la thèse	Géotechnique
Axe	2 - COP2017 - Améliorer l'efficience et la résilience des infrastructures
Site principal	Marne-la-Vallée
Etablissement d'inscription	UNIVERSITE PARIS-EST
Ecole doctorale	SCIENCES, INGENIERIE ET ENVIRONNEMENT (SIE)
Directeur de thèse prévu	CHEVALIER Christophe - Université Gustave Eiffel - GERS - SRO
Co-directeur de thèse prévu	REIFFSTECK Philippe - Université Gustave Eiffel - GERS - SRO
Type de financement prévu	Contrat doctoral - Ifsttar
Résumé Contexte : Le sujet de l’instrumentation des ouvrages hydrauliques est un sujet évident pour les barrages, qu’il s’agisse d’instrumentation sur ouvrage neuf ou sur ouvrage ancien : cette question de l’instrumentation est abordée dans la législation relative à la sécurité des digues et barrages (MEDDE, 2015). Dans le cas des barrages, l’instrumentation est donc obligatoire. Pour les digues, rien n’est imposé ni même suggéré, et le sujet n’est même que depuis très récemment abordé. En France, il y a presque 9000 kilomètres de digues (protégeant des bassins très urbanisées, et donc à la fois peuplées et stratégiques pour l’économie et la sécurité) placées sous la gestion de gestionnaires très variés, notamment en termes de compétences techniques, et dont la sécurité repose sur les seules inspections visuelles. Aujourd’hui, le développement de nouvelles technologies de capteurs et un accès plus facile aux communications permet d’envisager un suivi couplant ces inspections visuelles avec du monitoring. Il apparait donc utile de conduire un travail de recherche qui conduira à proposer des instrumentations utiles à la fois à l’inspection et au diagnostic de l’état de l’ouvrage en période de crise. Le suivi des ouvrages hydrauliques linéaires de type digue repose actuellement essentiellement sur des inspections visuelles. Par définition, ces inspections, qui n’ont lieu qu’une à deux fois par an dans le meilleur des cas, et ne coïncident pas forcément avec des épisodes climatiques intenses, ne peuvent se baser que sur des relevés de défaut de surface et emmène l’expert à se prononcer sur l’importance de ces défauts. Objectifs : Il est proposé de développer une méthodologie permettant de compléter cette inspection visuelle par des relevés d’instrumentation in situ permettant d’ausculter l’ouvrage dans sa partie « non-visible ». La prise en compte des informations non visibles depuis l’extérieur de l’ouvrage apporte une information supplémentaire concernant l’état de stabilité de l’ouvrage qu’il est essentiel de capitaliser. La dégradation des ouvrages en terre est un phénomène qui peut se développer au sein de la structure : on citera par exemple l’érosion interne. D’autres phénomènes peuvent être associés à de la dégradation mais ne peuvent être relevés visuellement comme par exemple l’appréciation de la perméabilité du sol, notamment en période de sécheresse avec une combinaison de phénomènes comme la fissuration, le retrait volumique ou la modification de la microstructure qui ne peuvent être appréhendés globalement uniquement par la surface de l’ouvrage. Les propriétés mécaniques du sol sont aussi susceptibles d’évoluer au cours de la vie de l’ouvrage, notamment sous des cycles d’humidification-séchage qui peuvent entrainer la diminution de sa stabilité. Les développements récents des techniques d’auscultation sur site (à l’aide de fibre optique et de chaines de capteurs à bas coûts) montrent qu’il est maintenant possible de développer des systèmes de monitoring à long termes déployés sur des digues ‘sensibles’, qui permettront de connaître en tout temps l’état de l’ouvrage. En couplant ces techniques de surveillance avec les prévisions météorologiques notamment, il devrait être possible de prédire l’impact de ces évènements climatiques (exceptionnels et/ou répétés) sur l’ouvrage, et ainsi de définir le niveau de sécurité de celui-ci vis-à-vis des sollicitations à venir, et donc d’augmenter la sécurité des personnes et infrastructures et installations sensibles placées en arrière de ces ouvrages. Ce projet vise donc à développer un modèle numérique permettant d’évaluer la vulnérabilité d'une digue contre les inondations, à partir d'une combinaison : - de données de mesures in situ principalement grâce à des capteurs dédiés, - des données climatiques en temps réel ou projetés, - des données sur les niveaux d’eau dans la rivière/inondations (quantification de l’aléa), - des données de laboratoire permettant de définir le niveau de dégradation des matériaux. Ces données doivent être traitées pour donner une réponse précise en termes d'évaluation de la stabilité en temps réel. Cette information peut être communiquée aux gestionnaires au fur et à mesure des inspections ou au moment d’une crise. L'objectif est d’arriver à prédire la stabilité des performances à court terme des structures lors des crues, en utilisant la réponse du sol aux effets climatiques par modélisation numérique. Programme de travail : - Le doctorant devra dans un premier temps, par un travail bibliographique, lister les différents mécanismes de ruptures ainsi que leurs cinétiques avec l’enchaînement des désordres induits et faire le lien avec l’apparition des défauts qui peuvent être visibles ou mesurés, - Le doctorant devra également établir et dérouler un programme en laboratoire visant à estimer l’évolution de la résistance en fonctions de l’accumulation de cycles hydriques, en tenant notamment en compte l’évolution du degré de saturation, - En lien avec les deux premiers points, le doctorant participera aux choix des capteurs ou type de mesures à mettre en œuvre pour suivre in situ l’état des matériaux compactés, avec une validation le cas échéant sur un ouvrage en vrai grandeur et une instrumentation plus conventionnelle, - En parallèle, le doctorant devra réaliser une étude paramétrique numérique permettant de simuler l’évolution de l’ouvrage, en fonction de l’environnement climatique et des données acquises en laboratoire. Résultats attendus : La modélisation numérique à l’aide des données issues de la surveillance et des capteurs spécifiques permettra de prédire le comportement des sols non saturés, depuis la phase initiale, transitoire et finale de l'événement d'inondation, du non saturé au saturé, de l’échelle de l’éprouvette extrapolée à l’échelle de l’ouvrage, en termes de mécanisme de défaillance. Des informations fiables doivent être fournies pendant la période transitoire (montée du niveau d’eau, précédant l’inondation), qui est la période la plus critique pour un ouvrage de protection car permettant de prendre rapidement des mesures de protection/confortement adéquates (pouvant aller jusqu’à l’évacuation des populations). L'état initial de l’ouvrage doit être bien décrit, y compris les évolutions de fissuration, de conductivité hydraulique et de résistance au cisaillement. Ensuite, en fonction du bon ou du mauvais état de la structure, le système d’alerte précoce (SAP) pourra prédire la stabilité de la structure de l'état initial à la fin de l'événement hydrométéorologique. Le diagnostic,le pronostic de la stabilité de la structure et la mise en place d’alerte (gestion de crise) sont des concepts fondamentaux que la thèse intégrera. En parallèle, les effets du climat sur les propriétés des microstructures mécaniques et hydrauliques et le comportement de différents types de sols pourront être étudiés pour donner au modèle un caractère de prévision vis-à-vis des changements climatiques à venir (aspects de durabilité). En terme de méthode, il sera très important au cours de la thèse de coupler des données réelles de site provenant des capteurs, avec des essais en laboratoire réalisés sur des sols équivalents, ainsi que de la modélisation numérique. Références bibliographiques : AN N., HEMMATI S., CUI Y.-J. 2016. Numerical analysis of soil volumetric water content and temperature variations in an embankment due to soil-atmosphere interaction. Computers and Geotechnics. Vol.83. pp40-51 ASCE. 2000. Guidelines for instrumentation and measurements for monitoring dam performance. BALIS B., KASTZTELNIK M., BUBAK M., BARTYNSKI T., GUBALA T., NOWAKOWSKI P., BROEKHUIJSEN J. 2011. The UrbanFlood common information space for early warning systems. Procedia computer science. 4, 96-105.http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S187705091100069X COURIVAUD J.R., BECK Y.-L., PERRIOLLAT J.-L., PINETTES P. 2012a. Démarche d’EDF au regard de l’utilisation des fibres optiques pour la surveillance des ouvrages hydrauliques. Validation de cette technologie lors des essais néerlandais Ijkdijk d’érosion interne.Colloque CFBR « Auscultation des barrages et des digues – pratiques et perspectives », 27-28 novembre 2012, Chambéry, France. 14 pages. Dezert T. 2019. Combinaison d'informations ponctuelles et volumiques pour le diagnostic d'ouvrages en terre soumis à des risques hydrauliques, université de Nantes DUNICLIFF J. 1988. Geotechnical instrumentation for monitoring field performance / John Dunnicliff with the assistance of Gordon E. Green. A Wiley-Interscience publication. ISBN 0-471-09614-8. 577 pages INERIS, IRSTEA. 2015. Maîtrise des risques liés aux ouvrages hydrauliques (Programme DRA-91). Opération D1 : État des techniques éprouvées et innovantes pour la surveillance des digues. Rapport d’étude 02/12/2015, DRS-12-126136-13631C. JODRY C., PALMA-LOPES S., FARGIER Y., SANCHEZ M., COTE P. 2019. 2D-ERT monitoring of soil moisture seasonal behavior in a river levee: a case study. Journal of Applied Geophysics, n°167, pp.140-151. https://doi.org/10.1016/j.appgeo.2019.05.008 MEDDE (Ministère de l’écologie, du développement durable et de l’énergie). 2015.Décret n° 2015-526 du 12 mai 2015 relatif aux règles applicables aux ouvrages construits ou aménagés en vue de prévenir les inondations et aux règles de sûreté des ouvrages hydrauliques. Publié au JORF n°0111 du 14 mai 2015 page 8218. https://www.legifrance.gouv.fr/eli/decret/2015/5/12/2015-526/jo/texte MERIAUX P., MONIER T., TOURMENT R., MALLET T., PALMA-LOPES S., MAURIN J., PINHAS M. 2012. L’auscultation des digues de protection contre les inondations : un concept encore à inventer. Colloque CFBR « Auscultation des barrages et des digues – pratiques et perspectives », 27-28 novembre 2012, Chambéry, France. 17 pages.
Mots-clefs:	Digues, monitoring, modélisation numérique, résilience, climat, vulnérabilité

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