Principes généraux de la modélisation de l’onde de rupture d’un barrage

L’étude de rupture d’un barrage passe par plusieurs étapes (Marche C. 2008) (Chiganne F. 2010). Après la collecte des données de l’ouvrage et du bassin, la première étape consiste à choisir un scénario de rupture qui est faite en fonction des caractéristiques structurelles du barrage, des spécificités du site et du niveau du plan d’eau au moment de la rupture. Ensuite on procède à la modélisation du processus de la rupture elle-même et à la formation de l’écoulement au droit de la digue en d’autres termes estimer les paramètres de la brèche ; géométrie, temps de formation et débit maximal à l’ouvrage. La troisième phase d’une étude de rupture de barrage est la prévision des écoulements résultants en aval, pour y faire plusieurs techniques sont disponibles, les plus récents viennent de la simulation numérique des équations des écoulements en eaux peu profondes. Dans ce chapitre nous allons aborder toutes ces étapes, nous allons analyser les techniques simples ou complexes disponibles à l’heure actuelle en signalant les sources d’erreurs. Le but est d’établir une approche à suivre pour permettre une prise en main rapide du sujet lors de futurs cas.

Choix des scénarios de rupture

L’étude de rupture d’un barrage a pour but de déterminer l’impact d’un tel accident sur les infrastructures situées en aval de l’ouvrage. Elle s’agit d’une des principaux volets de l’étude de sécurité d’un barrage. (Hossaini N. 2009) Les études de rupture de barrages sont portées sur des situations hypothétiques. Leur probabilité de réalisation est extrêmement faible, de plus chacune de ces situations s’appuie sur un contexte et de multiples conditions très précises. (Marche C. 2008), (Bischof R., et al. 2002).  Le choix des scénarios de rupture est toujours difficile à définir. Un barrage est souvent inséré dans un système complexe où il peut être soumis à plusieurs risques qui peuvent causer sa rupture, ces risques peuvent être d’ordre naturel par exemple les crues, le tremblement de terre, la poussée de la vase, le vieillissement et la dégradation des structures en béton, ou bien des risques liés aux erreurs humaines dans la conception, la gestion ou dans l’entretien de l’ouvrage. L’analyse de ces risques doit permettre d’identifier les scénarios susceptibles d’être, directement ou par effet domino, à l’origine la rupture de l’ouvrage. (Marche C. 2008), (Paquier A. 2002). Un facteur s’avère déterminant dans le choix des scénarios de rupture; les apports hydrologiques au site. En effet, l’état initial du bassin et des cours d’eau, l’état de mobilisation des exploitants et l’état de préparation à l’urgence des populations ne sont pas les mêmes lors d’une belle journée ensoleillée et après plusieurs jours de pluies diluviennes. (Marche C. 2008) Un seul scénario suffit généralement pour donner un portrait assez précis du développement de la situation associé à rupture en apports hydrologiques normaux. Il permet de comparer cette situation aux ruptures éventuelles attribuables au premier remplissage d’une nouvelle retenue, à un séisme ou à un acte de malveillance sur un ouvrage plus ancien. (Marche C. 2008) Deux concepts sont à définir avant d’aborder les ruptures en période de crues, souvent liée à un manque de capacité effective au site : la crue de première rupture et les conséquences différentielles. La crue de première rupture d’un aménagement est une crue dont l’hydrogramme des apports introduits au réservoir et laminés par celui-ci conduit à l’atteinte de la première condition de rupture sur l’un des ouvrages de l’aménagement. (Marche C. 2008) On nomme conséquences différentielles de rupture l’augmentation des conséquences engendrées par la rupture par rapport aux conséquences qu’aurait eues la même crue dans la vallée s’il n’y avait pas de barrage. (Marche C. 2008) Les scénarios de rupture en période de crue sont déterminés après une analyse hydrologique préalable portée sur le bassin versant alimentant la retenue, cette analyse permet de déterminer les hydrogrammes des crues de faibles périodes de retour. Le laminage de ces  crues selon le plan de gestion de l’ouvrage permet d’établir la crue de première rupture, appelée aussi la crue de sécurité de l’aménagement. Le premier scénario de rupture hydrologique à considérer est celui d’une crue supérieure de quelques mètres cubes par seconde à la crue de première rupture, et ce, pour deux raisons. D’abord, c’est cette crue qui causera les plus forts dommages différentiels en aval; en outre, dans un calcul de risque conventionnel, elle aura la probabilité qui contribuera le plus au risque total de rupture. On étudie ensuite les écoulements de la crue naturelle combinée à la rupture le long de la vallée jusqu’en un point où les apports seront redevenus sans conséquence. (Marche C. 2008) 

Modélisation de la rupture

Initiation de la crue de rupture à l’ouvrage

L’effacement d’un barrage peut être plus ou moins brusque. C’est essentiellement la nature du barrage qui conditionne l’allure de sa rupture potentielle, plus encore que les causes de cette rupture. (Marche C. 2008), C’est ainsi qu’un barrage en béton est susceptible de se rompre quasi instantanément, comme une porte qui s’ouvre. Les ruptures des barrages-poids se produisent par renversement ou par glissement d’un ou plusieurs plots. Pour les barrages à contreforts, il est possible d’imaginer qu’un seul plot s’efface instantanément. Mais il est ensuite raisonnable de penser que les autres plots s’effacent rapidement, comme un château de cartes. Pour les barrages- voutes, le mécanisme de rupture le plus courant est la perte d’appui ou de fondation, l’effacement total et instantané est l’hypothèse la plus probable. (Marche C. 2008) A l’opposé, la rupture d’un barrage en remblai ne peut pas être instantanée, car elle est due à des phénomènes d’érosion. Les accidents recensés à ce jour font état de modes de destruction, soit par suite d’un renard apparu dans le corps de l’ouvrage ou dans sa fondation, soit par déversement et érosion de la crête et du parement aval dû à une crue ou à l’onde de rupture d’un barrage amont (Marche C. 2008), ces deux modes de rupture supposent l’arrachement progressif et le transport des éléments constitutifs de l’ouvrage par les écoulements et donc un démarrage assez lent et une accélération progressive pour parvenir à un équilibre dicté par le comportement de la retenue et les apports qui l’alimentent. La rupture du barrage Teton illustre ce type de rupture par érosion interne du corps de l’ouvrage.