COMMUNE DE LA ROCHE DES ARNAUDS (05) LIEU DIT LE …

COMMUNE DE LA ROCHE DES ARNAUDS (05)

LIEU DIT LE CHATELARD

MISE EN ŒUVRE D’UN STOCKAGE DE SUBSTITUTION DE LA RESSOURCE EN EAU

ETUDE GEOTECHNIQUE DE CONCEPTION

PHASE AVANT-PROJET

COMPLEMENT D’ETUDE : CALCULS DE STABILITE

A LA DEMANDE ET POUR LE COMPTE DU CANAL DE GAP

Dossier 13-451 I 3 Indice Modifications Date

0 Document initial 21/08/2015

Nombre de pages : 30 + annexes

Commune de la Roche des Arnauds (05) – Lieu-dit le Châtelard Mise en œuvre d’un stockage de substitution de la ressource en eau

Etude géotechnique d’avant-projet – complément – calculs de stabilité Canal de Gap

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SOMMAIRE

1 - INTRODUCTION .................................................................................................... 5

1.1 - Localisation générale ...................................................................................... 5

1.2 - Définition du projet et objectifs de l’étude ...................................................... 6 1.2.1 - Définition du projet ..................................................................................... 6 1.2.2 - Objectifs de ce complément d’étude AVP ........................................................ 6

1.3 - Limites de l’étude ........................................................................................... 6

1.4 - Documents de référence ................................................................................. 6

2 - SYNTHESE DES DONNEES EXISTANTES ................................................................. 7

2.1 - Contexte naturel ............................................................................................. 7 2.1.1 - Morphologie ............................................................................................... 7 2.1.2 - Géologie .................................................................................................... 7 2.1.3 - Hydrologie ................................................................................................. 7

2.2 - Risques naturels ............................................................................................. 7 2.2.1 - Aléa sismique ............................................................................................. 7 2.2.2 - PPRn ......................................................................................................... 8

2.3 - Synthèse des reconnaissances géotechniques ................................................ 8 2.3.1 - Matériaux de la zone d’emprunt .................................................................... 8 2.3.2 - Terrains de fondation du barrage ................................................................... 9

3 - HYPOTHESES DE CALCUL ..................................................................................... 11

3.1 - Géométrie de l’ouvrage ................................................................................. 11

3.2 - Implantation des profils de calcul ................................................................. 11

3.3 - Profils de calcul ............................................................................................ 12 3.3.1 - Profil P04 (coupe type 5 m < h < 10 m) ....................................................... 12 3.3.2 - Profil P07 (coupe type h > 10 m) ................................................................ 12 3.3.3 - Profil P08 (coupe type 5 m < h < 10 m) ....................................................... 13 3.3.4 - Profil P13 (coupe type h < 5 m) .................................................................. 13

3.4 - Hypothèses géotechniques ........................................................................... 14

3.5 - Hypothèses hydrogéologiques ...................................................................... 15

3.6 - Hypothèses hydrauliques .............................................................................. 15

3.7 - Surcharges .................................................................................................... 15

3.8 - Accélérations sismiques ................................................................................ 15

3.9 - Méthodes de calcul ....................................................................................... 16 3.9.1 - Simulation des écoulements interne à l’ouvrage ............................................. 16 3.9.2 - Calculs de stabilité de talus ......................................................................... 16 3.9.3 - Calculs de portance et de tassement ............................................................ 16

3.10 - Calculs et vérification de stabilité ............................................................... 17 3.10.1 - Situations de calcul .................................................................................. 17 3.10.2 - Etats limites de stabilité de talus ............................................................... 17 3.10.3 - Etat limite ultime de rupture par boulance ou érosion interne ......................... 17 3.10.4 - Etats limites de défaut de portance de la fondation / tassements .................... 18

4 - RESULTATS DE CALCUL ....................................................................................... 19

4.1 - Profil P04 ...................................................................................................... 19 4.1.1 - Etats limites d’érosion interne ..................................................................... 19



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4.1.2 - Etats limites de stabilité de talus ................................................................. 20

4.2 - Profil P07 ...................................................................................................... 21 4.2.1 - Etats limites d’érosion interne ..................................................................... 21 4.2.2 - Etats limites de stabilité de talus ................................................................. 22



5 - SYNTHESE DES CALCULS DE STABILITE .............................................................. 27

5.1 - Amélioration de la stabilité en section centrale (profil type P07) ................. 27

5.2 - Diminution du risque d’érosion interne en talus aval .................................... 27

6 - PRECONISATIONS POUR LES ETUDES DE PHASE PROJET .................................... 29

6.1 - Rappel des vérifications réalisées au stade AVP ........................................... 29

6.2 - préconisations pour la suite des études ........................................................ 29

6.3 - Préconisation d’essais et reconnaissances complémentaires ........................ 29 6.3.1 - Zone déblayée .......................................................................................... 29 6.3.2 - Choix des caractéristiques mécaniques au stade PRO ..................................... 30 6.3.3 - Susceptibilité à la suffusion ......................................................................... 30

ANNEXES :

Annexe 1 : Calculs de stabilité sur profil P04 Annexe 2 : Calculs de stabilité sur profil P07 Annexe 3 : Calculs de stabilité sur profil P08 Annexe 4 : Calculs de stabilité sur profil P13



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1 - INTRODUCTION

Le présent rapport d’étude a été réalisé par le bureau d’Ingénieurs - Conseils Géolithe pour le compte de l’ASA du Canal de Gap. Il rentre dans le cadre d’une étude de conception phase Avant-Projet (mission G2 phase AVP), au sens de la norme NF P 94-500 (« Missions d’ingénierie géotechnique – Classification et spécifications »). Il s’agit d’un complément aux rapports d’étude AVP GEOLITHE 13-451_I_1 et 13-451_I_2 de 2014 avec prise en compte de la nouvelle géométrie du barrage. Les profils P04, P07 et P08 sont ainsi modifiés, le profil P13 reste inchangé.

1.1 - LOCALISATION GÉNÉRALE

Le projet se situe sur la commune de la Roche des Arnauds, dans le département des Hautes Alpes (05) au lieu-dit le Châtelard.

Localisation de la zone d’étude

Extrait de la carte IGN (sans échelle)



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1.2 - DÉFINITION DU PROJET ET OBJECTIFS DE L’ÉTUDE

1.2.1 - Définition du projet

L’ASA du Canal de Gap envisage de réaliser une retenue destinée au stockage d’eau brute sur le site du Chatelard, au Nord-Ouest de la ville de Gap et à l’Ouest du bourg de la Roche des Arnauds. Cette retenue sera formée sur les pentes présentées par la morphologie existante au Nord-Ouest et par un barrage en remblais au Sud Est. La circonférence en tête sera d’environ 1400 m. La retenue aura les caractéristiques générales suivantes :

- Volume du corps de barrage : 225 000 m3 - Surface noyée par la future cuvette : 10 hectares environ à la cote de la retenue

normale - Capacité totale de la retenue : 1 000 000 m3 environ - Classe de barrage : B.

1.2.2 - Objectifs de ce complément d’étude AVP

Les objectifs de ce complément d’étude sont de : - Synthétiser les données existantes - Définir les hypothèses de calcul - Adapter les modèles de calcul (sur 3 profils en travers) - Simuler les écoulements et vérifier la stabilité interne de la retenue - Calculer la stabilité mécanique et vérifier la stabilité des talus de la retenue - Etablir les préconisations complémentaires

1.3 - LIMITES DE L’ÉTUDE

L’étude se limite à la zone d’influence géotechnique du projet d’implantation de la zone de stockage d’eau.

1.4 - DOCUMENTS DE RÉFÉRENCE

Les documents suivants nous ont été fournis :

- Dossier de consultation des entreprises de juillet 2013. - Rapport de projet STUCKY du 03/06/2014 - Profils en travers du barrage – Plan CH008 B du 03/06/2014 - Coupes types du barrage – Plan CH 003 B du 03/06/2014

Les rapports précédents réalisés dans le cadre de ce projet :

- Rapport d’étude AVP GEOLITHE ref. 13-451_I_1_A_AVP du 26/02/2014 - Rapport d’étude AVP GEOLITHE ref .13-451_I_2_b_AVP du 30/10/2014

Les références suivantes ont été utilisées :

- Carte IGN au 1/25 000e - Recommandations du CFBR pour la justification des barrages et des barrages en

remblais (Recommandations provisoires de Juin 2010) - Rapport du groupe de travail “barrages et séismes” de novembre 2010 « Risque

sismique et sécurité des ouvrages hydrauliques »



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2 - SYNTHESE DES DONNEES EXISTANTES

L’objet de cette partie est de synthétiser les données utiles à la présente modélisation. Les éléments se rapportant à la partie géologie/géotechnique sont détaillée dans le rapport d’étude AVP GEOLITHE ref. 13-451_I_1_A_AVP.

2.1 - CONTEXTE NATUREL

2.1.1 - Morphologie

Le projet est implanté sur des champs de culture en aval du hameau entre le bourg de La Roche des Arnauds et les hameaux de Basse-Corréo et Haute-Corréo. Le site d’étude fait partie d’un plateau faiblement incliné vers le Sud se situant au pied de la montagne de Charance. Ce plateau constitue actuellement une terre agricole maillée par des chemins et routes desservant les hameaux. La morphologie du site est adaptée à ce type de projet avec notamment :

Des pentes très faibles ; Un vallon se fermant entre deux petites butes au niveau du projet de barrage ; Des pentes très douces face à face de part et d’autre du vallon.

2.1.2 - Géologie

D’après la carte géologique, les terrains sont constitués de moraines datant de la fin du Würmien. Ces moraines sont des matériaux plus ou moins consolidés de graves et blocs qui peuvent être pluri-décimétriques voir métriques emballés dans une matrice essentiellement sableuse ou sablo-limoneuse.

2.1.3 - Hydrologie

La zone du projet de retenue est axée sur un petit vallon formant le lit du Chatelar (ruisseau intermittent), qui prend sa source dans la partie amont de la zone d’étude et qui verra son cours barré par le barrage projeté 400m après l’exsurgence. Par ailleurs, de nombreux aménagements sont présents pour récupérer les eaux autour de la zone de pojet (canaux d’irrigation, bassins creusés à la pelle). La réserve de Corréo située à quelques centaines de mètres en amont du site d’étude, a permis l’irrigation de 470 ha de cultures. La zone d’étude se situe à l’Ouest de la réserve de Corréo.

2.2 - RISQUES NATURELS

2.2.1 - Aléa sismique

D’après le décret 2010-1255 du 22 octobre 2010, la zone d’étude se trouve en zone de sismicité 3. D’après le rapport du groupe de travail “barrages et séismes” de novembre 2010, l’ouvrage étant de classe B, les accélérations horizontales et verticales à prendre en compte sont, respectivement, ah=1.9 et av=1.5 m.s-2 (cf. tableaux 7.1 et 7.2).



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2.2.2 - PPRn

La cartographie des aléas indique que le site du projet est soumis à un aléa inondation de plaine de niveau moyen et à un ravinement et ruissèlement sur versant de niveau faible. Le vallon qui se resserre en aval du projet est soumis à un aléa fort à la crue torrentielle. Les canaux d’irrigation présents autour du site sont soumis à un aléa fort au ravinement.

2.3 - SYNTHÈSE DES RECONNAISSANCES GÉOTECHNIQUES

L’objet de ce paragraphe est de synthétiser les résultats de sondages dans le but d’établir les hypothèses géotechniques nécessaires aux calculs de stabilités hydraulique et mécanique du barrage.

2.3.1 - Matériaux de la zone d’emprunt

Les matériaux de la zone d’emprunt ont été reconnus par investigations géophysiques, sondages à la pelle mécanique et identifications au laboratoire :

- 3 profils de sismique-réfraction de profondeur d’investigation 15 m - 18 sondages à la pelle mécaniques descendus à 5 m - 18 identifications GTR (1 échantillon par sondage à la pelle) - 2 limites d’Atterberg (PM 10 et PM 16) - 2 essais Proctor (PM12 et PM17)

Les 30 à 50 premiers centimètres présentent une terre végétale. On distingue ensuite deux horizons séparés par une interface située entre 2,5 et 5 m de profondeur.

2.3.1.1 - Horizon n°1 : graves limoneuses et limons argileux

Le premier horizon présente une épaisseur de 2,5 à 5 m. Il est constitué soit de soit de limons argileux (faciès n°1), soit de graves limoneuses (faciès n°2, dominant). Il présente des vitesses sismiques faibles comprises entre 500 et 600 m/s. Les limons argileux sont principalement présents à proximité du fond de vallon (PMs 10, 13, 16 et 19). Leur classement GTR caractéristique est A2 voire C1A1. Le classement GTR caractéristique des graves limoneuses est C1A1 voire C1B5 (4/16 échantillons). Ces matériaux sont dans un état hydrique moyen à très humide. Ils seront pour partie ré-utilisables sous conditions d’humidité et de traitement adapté. Dans tous les cas, la constitution du corps de barrage nécessitera d’utiliser en majorité des matériaux d’apport.

2.3.1.2 - Horizon n°2 : graves limoneuses peu compactes (moraines de surface)

Cet horizon présente des vitesses sismiques intermédiaires comprises entre 700 et 900 m/s.

2.3.1.3 - Horizon n°3 : graves sabo-limoneuses (moraines de fond)

Cet horizon présente des vitesses sismiques comprises entre 1500 et 2500 m/s.



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2.3.2 - Terrains de fondation du barrage

Les terrains de fondation du futur barrage ont été reconnus par le programme suivant : - 4 profils électriques de profondeur d’investigation 40 à 50 m - 7 sondages à la pelle - 7 identifications GTR (1 échantillon par sondage à la pelle) - 3 sondages carottés - 3 x 3 essais de perméabilité in-situ dans les forages obtenus par carottage - 2 essais de perméabilité au perméamètre de laboratoire - 6 sondages destructifs pour essais pressiométriques tous les mètres jusqu’à 15 à 20 m - 2 essais de cisaillement rectiligne à la boîte

2.3.2.1 - Horizon n°1 : graves limoneuses et limons argileux

Les graves limoneuses et limons argileux sont présents sur 2 à 5 m d’épaisseur. Les classements GTR caractéristiques de ces matériaux sont C1B5 et C1A1. Le faciès limono-argileux est principalement présent autour du vallon du Chatelar.

Résistivité

Les limons argileux présentent des résistivités très faibles (30 à 50 .m) (saturation élevée). Les graves limoneuses présentent des résistivités faibles (50 à 150 .m).

Perméabilité

Un essai au perméamètre à paroi rigide réalisé sur un matériau classé C1A1 issu du sondage carotté SC1 à 1-2m a permis de mesurer une perméabilité de 1,6.10-7 m/s. Un essai au perméamètre à paroi rigide réalisé sur un matériau classé C1B5 issu du sondage carotté SC3 à 1-2m a permis de mesurer une perméabilité de 1,4.10-7 m/s.

Caractéristiques pressiométriques

On retiendra les caractéristiques pressiométriques suivantes pour le faciès limono-argileux : Pl*(MPa) = 0,6 MPa (moyenne géométrique des pressions limites) ; Em (MPa) = 4 MPa (moyenne harmonique des modules) ; Em/pl* = 7

On retiendra les caractéristiques pressiométriques suivantes pour le faciès limono-graveleux : Pl*(MPa) = 1,3 MPa (moyenne géométrique des pressions limites) ; Em (MPa) = 16 MPa (moyenne harmonique des modules) ; Em/pl* = 12

Caractéristiques de cisaillement

Deux essais de cisaillement à la boîte ont été réalisés sur une grave limoneuse (C1A1) issue de PM11 et sur une grave limono-sableuse (C1B5) issue de PM25. Les caractéristiques de rupture résiduelles mesurées sont les suivantes

c'res 'resPM11 – C1A1 14 kPa 31° PM25 – C1B5 10 kPa 38°



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2.3.2.2 - Horizon 2 : moraines de surface moyennement consolidées

Résistivité

Le deuxième horizon est composé de graves limoneuses d’origine probablement morainique. Il présente des résistivités de 100 à 200 .m.

Perméabilité

Un essai au perméamètre à paroi rigide réalisé sur un matériau classé C1A1 issu du sondage carotté SC1 à 1-2m a permis de mesurer une perméabilité de 1,6.10-7 m/s.


On retiendra les caractéristiques pressiométriques suivantes pour cette formation Pl*(MPa) = 1,6 MPa (moyenne géométrique des pressions limites) ; Em (MPa) = 12 MPa (moyenne harmonique des modules) ; Em/pl = 7

2.3.2.3 - Horizon 3 : moraines de fond consolidées contenant des poches de formations locales emballées ou en place (conglomérats)

Résistivité

Le troisième horizon est composé de graves sablo-limoneuses d’origine probablement morainique et pouvant contenir des poches de conglomérats. Il présente des résistivités supérieures à 200 .m.

Perméabilité

Les essais in-situ dans les moraines consolidées ont permis de mesurer des perméabilités s’étalant de 0,8.10-6 à 2.10-5 m/s. La perméabilité caractéristique de ces matériaux est de 5.10-6 m/s. Les essais in-situ dans les conglomérats ont permis de mesurer des perméabilités s’étalant de 2,3.10-6 à 2,6.10-5 m/s. La perméabilité caractéristique de ces matériaux est de 2.10-6 m/s.


On retiendra les caractéristiques pressiométriques suivantes pour les moraines consolidées : Pl*(MPa) = 4 MPa (moyenne géométrique des pressions limites) ; Em (MPa) = 36 MPa (moyenne harmonique des modules) ; Em/pl = 10

On retiendra les caractéristiques pressiométriques suivantes pour les conglomérats:

Pl*(MPa)> 6 MPa (moyenne géométrique des pressions limites) ; Em (MPa) = 105 MPa (moyenne harmonique des modules) ; Em/pl = 18



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3 - HYPOTHÈSES DE CALCUL

3.1 - GÉOMÉTRIE DE L’OUVRAGE

Le barrage en remblais aura les caractéristiques suivantes : - Hauteur maximale (h) : 16 m - Longueur crête (L) : 700 m environ - Pente des talus du barrage : 2,5 / 1 + risberme de 3,5 m de largeur à 1105 m NGF - Cote de crête de barrage : +1113 m NGF - Rapport L/h : voisin de 44

3.2 - IMPLANTATION DES PROFILS DE CALCUL

Les profils topographiques modélisés sont issus des profils en traves du barrage (plan TRACTEBEL n° CH 008 révision E du 16/03/2015) :

P08

P07

P13

P04



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3.3 - PROFILS DE CALCUL

Les profils topographiques sont tirés des Profils en travers TRACTEBEL indice E du 16/03/2015. Les structures de barrages correspondent aux coupes-types TRACTEBEL.

3.3.1 - Profil P04 (coupe type 5 m < h < 10 m)

Le sondage de référence est : SC3.

3.3.2 - Profil P07 (coupe type h > 10 m)

Les sondages de référence sont : SP5, SC2, SP6 (+ PM5 et PM6 en dehors du profil).

Moraines de surface

Corps de barrage

Filtre

Drain

Graves limono-sableuses

Moraines de surface

Conglomérat

Moraines de fond

Graves limono-argileuses

Moraines de surface

Moraines de fond

Corps de barrage

Filtre

Drain



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3.3.3 - Profil P08 (coupe type 5 m < h < 10 m)

Le sondage de référence est : SP2. La géométrie du profil P08 a été modifiée en descendant le remblai jusqu’en pied de digue. Cela permet de réaliser le filtre et le drain en base du remblai jusqu’en pied de digue afin de ne pas diriger l’eau dans la pente aval. Le profil modifié a une géométrie semblable à celle du profil P09.

3.3.4 - Profil P13 (coupe type h < 5 m)

Le sondage de référence est : SP1.

Graves limono-argileuses

Moraines de surface

Moraines de fond

Conglomérat

Corps de barrage

Filtre

Drain

Graves limono-sableuses

Conglomérat

Corps de barrage

Filtre

Drain

Moraines de surface

Moraines de fond



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3.4 - HYPOTHÈSES GÉOTECHNIQUES

Les caractéristiques géomécaniques retenues au stade AVP sont les suivantes :

GTR Pl* Em c' ' Cu;d k légende

‐ kN/m3 Mpa Mpa kPa ° kPa m/s ‐

Corps de barrage C1A1 19 50 2 35 80 1E‐07

Filtre‐drain 19 50 0 35 ‐ 3E‐05

Graves limono‐argileuses A2‐C1A1 17.5 0.6 4 10 23 60 1E‐07

Graves limono‐sableuses C1A1‐C1B5 19.0 1.3 16 7 29 90 5E‐07

Moraines de surface ‐ 19.0 1.6 12 7 29 90 5E‐07

Moraines de fond ‐ 21.0 4 32 10 32 140 5E‐06

Conglomérats 22.0 >6 105 10 35 ‐ 2E‐06

Le modèle géologique est issu de la synthèse présentée en annexe 5 du rapport de phase G2-AVP Géolithe réf. 13-451_I_1_A_AVP. Les classifications GTR ainsi que les valeurs de paramètres pressiométriques sont issues des essais et identifications réalisés dans le cadre de la phase précédente de cette étude AVP. Les paramètres du corps de barrage font l’objet d’hypothèses qui seront à valider et à vérifier dans les phases ultérieures notamment par des essais en place lors de l’exécution. Les valeurs de paramètres de Mohr-Coulomb des limons argileux et graves limoneuses sont déduites des essais de cisaillement à la boite (deux essais, respectivement sur des matériaux C1A1 et C1B5). Les valeurs de paramètres résiduels mesurés ont été minorées de manière prudente, en prenant en compte que les essais ont été réalisés sur des échantillons écrêtés. Les valeurs de paramètres de Mohr-Coulomb pour les autres terrains sont estimées sur la base des résultats d’essais pressiométriques et de notre expérience, en cohérence avec les valeurs mesurées sur les terrains sus-jacents. Les valeurs de paramètres à court-terme ont été estimées par la corrélation de Cassan, sur la base des valeurs caractéristiques de pression limite pressiométrique. Les valeurs présentées sont les valeurs de calcul : conformément aux prescriptions de l’Eurocode 8, un coefficient partiel 1,4 a été appliqué sur la valeur de la corrélation :

Pl* < 0,3 MPa Cu = Pl* / 5,5 / 1,4 0,3 MPa < Pl* < 1,0 MPa Cu = min ( Pl* / 12 +0,03 ; Pl* / 10 +0,025) / 1,4 1,0 MPa < Pl* < 2,5 MPa Cu = ( Pl* / 35 +0,085 ) / 1,4

Les valeurs de conductivité hydraulique des moraines de fond sont déduites de 7 essais de perméabilité Nasberg et Lefranc réalisés dans les forages SC1, SC2 et SC3. Les valeurs de perméabilité des conglomérats sont déduites de 2 essais de perméabilité Nasberg réalisés dans le forage SC3. Les valeurs de perméabilité des limons argileux, graves limoneuses et moraines de surface sont déduites des essais au perméamètre de laboratoire (deux essais, sur des matériaux C1A1 et C1B5). Les valeurs ont été ajustées pour correspondre aux contrastes constatés par ailleurs sur les matériaux (une granulométrie plus grossière entraîne théoriquement des perméabilités plus élevées).



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3.5 - HYPOTHÈSES HYDROGÉOLOGIQUES

Le niveau de nappe sera pris égal à 1 098 m NGF qui est le niveau le plus haut constaté dans les sondages et qui correspond au niveau moyen du lit du Chatelard (ruisseau intermittent) dans la zone de la retenue.

3.6 - HYPOTHÈSES HYDRAULIQUES

Les hypothèses hydrauliques sont basées sur les données du mémoire technique d’Avant-Projet STUCKY. On retient les niveaux d’eau suivants :

Niveau normal d’exploitation (RN) 1112,1 m NGF Niveau Plus Hautes Eaux (PHE) 1112,47 m

NGF Niveau Plus Basses Eaux 1098 m NGF Durée de la vidange rapide 138 heures

La durée de la vidange rapide (138 heures ou 5,8 jours) est déduite des relations {cote-volume} et {cote-débit} fournies par STUCKY – TRACTEBEL. Cette durée correspond à une vidange totale (depuis le niveau PHE jusqu’au niveau PBE) avec un débit maximal dans la conduite de fond. Le limnigramme de vidange rapide que l’on retient pour les calculs est le suivant :

1 096.0

1 098.0

1 100.0

1 102.0

1 104.0

1 106.0

1 108.0

1 110.0

1 112.0

1 114.0

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Cote (m NGF)

Temps (h)

Limnigramme de vidange rapide

3.7 - SURCHARGES

Il n'a pas été pris en compte de surcharge.

3.8 - ACCÉLÉRATIONS SISMIQUES

D’après les reconnaissances réalisées, le sol de fondation est de classe B au sens de l’Eurocode 8 (« dépôts raides de sable, de gravier ou d’argile sur-consolidée, d’au moins plusieurs dizaines de mètres d’épaisseur, caractérisés par une augmentation progressive des propriétés mécaniques avec la profondeur »). Le paramètre de sol est, d’après l’Eurocode 8, S = 1,35. On rappelle que les accélérations horizontales et verticales à prendre en compte sont, respectivement, ah=1.9 et av=1.5 m.s-2 (cf. §2.2.1 -). Les accélérations sismiques retenues pour les calculs en méthode pseudo-statique sont donc les suivantes :

kh = ah/g x S = 1,9/9,8 x 1,35 = 0,262 kv = av/g = 1,5/9,8 = 0,153



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3.9 - MÉTHODES DE CALCUL

3.9.1 - Simulation des écoulements interne à l’ouvrage

3.9.1.1 - Méthode de calcul

Les écoulements au sein de l’ouvrage sont modélisés au moyen du logiciel de calcul aux éléments finis PLAXIS. Le module de calcul PlaxFlow est utilisé pour la modélisation des écoulements transitoires au cours de la mise en eau, de la crue de référence et de la vidange.

3.9.1.2 - Conditions hydrauliques

Situation d’exploitation et situation accidentelle de séisme :

En situation normale d’exploitation, la cote de l’eau en amont du barrage sera prise à 1112,1 m N.G.F. Le niveau d’eau en aval du barrage a été fixé au niveau du TN, en l’absence de données piézométriques.

Situation extrême de crue – drain obturé : On prendra en compte le niveau PHE en écoulement permanent avec le drain aval obturé.

Situation transitoire de vidange rapide : La vidange sera modélisée selon le limnigramme présenté au §3.6 -.

3.9.1.3 - Débit de fuite sous l’ouvrage

Il n’est pas défini de critère préalable à la modélisation. Une estimation du débit de fuite pourra se faire grâce aux résultats de vitesse d’écoulement obtenus sous PlaxFlow.

3.9.2 - Calculs de stabilité de talus

3.9.2.1 - Méthode de calcul

Les calculs de stabilité générale sont réalisés sous le logiciel de calcul TALREN par la méthode de Bishop. Les cercles de ruptures autorisés sont les cercles passant au-delà du pied de talus. Les calculs sont réalisés aux ELU en prenant en compte des coefficients de pondération sur les actions et des coefficients de sécurité partiels sur les paramètres (voir § 3.10.2 -). La stabilité est assurée pour un coefficient de sécurité Fmin > 1,0

3.9.2.2 - Données hydrauliques

Lors de l’étude, les données hydrauliques sont directement importées des résultats de calculs d’écoulement interne réalisés sous PLAXIS. Ainsi, le maillage est importé sur les profils Talren, avec les valeurs des pressions interstitielles obtenues pour chaque situation.

3.9.3 - Calculs de portance et de tassement

Sans objet : présentés dans le rapport précédent (rapport GEOLITHE 13-451_I_1_A_AVP).



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3.10 - CALCULS ET VÉRIFICATION DE STABILITÉ

3.10.1 - Situations de calcul

Les situations de calcul seront les suivantes : Situation d’exploitation Situation exceptionnelle de crue – drain obturé Situation transitoire de vidange rapide Situation accidentelle de séisme

3.10.2 - Etats limites de stabilité de talus

Conformément aux recommandations du CFBR pour la vérification de la stabilité des barrages et des digues en remblais, les coefficients partiels associés à ces situations de calculs sont les suivants :

Situation Coef. Partiel m sur ’, c’ (cu)

Coef. Partiel m sur le poids volumique

Coef. partiel q sur la surcharge

Coef. partiel d de modèle

Normal d’exploitation 1,25 1 1,3 1,2 Exceptionnelle de crue 1,1 1 1 1,2

Transitoire vidange rapide 1,1 1 1 1,2 Accidentelle de séisme 1 (1,4) 1 1 1,1

Les coefficients de sécurité recherchés sont supérieurs à 1.

3.10.3 - Etat limite ultime de rupture par boulance ou érosion interne

3.10.3.1 - Détermination du gradient hydraulique critique de boulance

Terzaghi a montré qu’il existe un gradient hydraulique critique pour les écoulements ascendants, appelé gradient de Terzaghi ou boulance.

Avec :

n : la porosité s : poids volumique des grains (KN/m3) w : poids volumique de l’eau (KN/m3)

Si s = 26,5 KN/m3 et 0,3 < n < 0,6, le gradient de boulance est compris entre 0,66 et 1,15 m/m.

3.10.3.2 - Susceptibilité de l’ouvrage à l’érosion interne

La rupture par érosion interne est produite par le transport de particules de sol - à l’intérieure d’une couche de sol (suffusion) - à l’interface entre deux couches (érosion de contact) - à l’interface du sol et d’une structure - ou dans une fissure.

L’érosion interne peut conduire à une érosion régressive et à l’effondrement du sol. Les résultats du calcul d’hydraulique interne permettent de visualiser les zones d’écoulement préférentiel et d’estimer les gradients hydrauliques. On peut ainsi évaluer le risque de suffusion ou d’érosion de contact.



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Le calcul mené ne permet pas de prévoir l’érosion de fissure ou d’interface avec une structure. Ces risques sont prévenus par le respect des dispositions constructives établies dans le détail en phase d’étude d’exécution et dans les grandes lignes à la fin du présent rapport (cf. §6 -).

Critère pour le risque de suffusion : Les matériaux de déblais du site qui seront réutilisés en remblais pour la constitution du barrage sont des moraines majoritairement classées A2 et C1A1. Les sols de fondation du barrage sont des moraines majoritairement classées C1B5 et C1A1 : graves limono-sableuses et limono-argileuses. Il est fait l’hypothèse que ces matériaux, une fois mis en œuvre, auront ont une susceptibilité à la suffusion. Cette hypothèse pourra être vérifiée par des essais sur échantillon de terrains compactée de type HET (Hole Erosion Test), JET (Jet Erosion Test) ou autre. Le gradient critique de suffusion est estimé en appliquant la méthode de MONNET (critère hydraulique) :

kidi cch /01,0 215

k : conductivité hydraulique* ic : gradient critique de boulance pris égal à 1 m/m

*En conformité avec les caractéristiques retenues, on fait les hypothèses suivantes sur les conductivités hydrauliques:

Matériau k (m/s)

A2 1.10-7

C1A1 1.10-7

C1B5 5.10-7

Le calcul est réalisé sur les 25 échantillons issus des sondages à la pelle PM1 à PM25 ayant fait l’objet d’une classification granulométrique. On obtient les gradients critiques suivants :

matériau Sondages GTR dominante Gradient critique corps de barrage issus du site PM9 à PM25 C1A1 – A2 0,4 m/m fondation à tendance argileuse - - 0,4 m/m fondation à tendance sableuse PM1 à PM8 C1B5 – C1A1 0,6 m/m

NB : les vitesses d’écoulement dans le filtre, qui sont très élevées par rapport au reste du champ d’étude, seront systématiquement « supprimées par écrêtage » de l’analyse du risque d’érosion par suffusion car le risque de suffusion dans un filtre est par nature considéré comme nul. Les lanières de filtre en sable seront entourées d’un géotextile filtrant donc les écoulements dirigés du corps vers le filtre ne seront pas préjudiciables. Seuls les écoulements « sortants » sont considérés comme préjudiciables.

Critère pour le risque d’érosion de contact : Le risque d’érosion de contact est à considérer dès lors qu’il existe un écoulement tangent à une interface entre deux matériaux de perméabilités et de granulométries contrastées.

3.10.4 - Etats limites de défaut de portance de la fondation / tassements

Sans objet : présentés dans le rapport précédent (rapport GEOLITHE 13-451_I_1_A_AVP).



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4 - RÉSULTATS DE CALCUL

4.1 - PROFIL P04

Les sorties PLAXIS et TALREN sont fournies en annexe 1.

4.1.1 - Etats limites d’érosion interne

En exploitation, l’écoulement dans le corps de barrage est dirigé vers le sol de fondation sous le talus amont et vers le filtre en partie centrale. Le risque d’érosion interne est donc faible. En situation exceptionnelle de crue (PHE - drain obturé), le calcul montre la présence d’une fuite en pied de talus aval. Le gradient hydraulique atteint 2,3 m/m dans le corps de barrage et 1,2 m/m ascendant dans les graves limono-sableuses de fondation. Il y a donc un risque d’érosion interne par suffusion et boulance avec initiation possible d’un phénomène régressif (renard) si la situation est prolongée dans le temps.

Profil P04 - vitesses d'écoulement dans le corps de barrage - situation PHE - drain obturé

En situation de vidange rapide, le calcul montre la présence d’une fuite en pied de talus amont. Le gradient hydraulique atteint 1,2 m/m dans le corps de barrage et 0,4 m/m ascendant dans les graves limono-sableuses de fondation. Il existe un risque d’érosion interne par suffusion et boulance mais ce risque est modéré par la brièveté du phénomène.

Profil P04 - vitesses d'écoulement dans le corps de barrage - situation vidange rapide

i = 2,3 m/m

i = 1,2 m/m



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Les calculs de stabilité de talus aboutissent aux coefficients de sécurité suivants :

Talus amont Talus aval

Niveau RN

situation normale d’exploitation 2,48 1,30

Situation accidentelle de séisme pesant 1,68 1,43

Situation accidentelle de séisme allégeant 1,83 1,63

Niveau PHE – drain obture 2,51 1,01

Vidange rapide 1,27 1,56

La stabilité des talus du barrage au niveau du profil P04 est satisfaisante quelle que soit la situation considérée.



13-451_I_3_0_AVP.doc sur 30

4.2 - PROFIL P07





En situation de vidange rapide, le calcul montre la présence d’un écoulement intense sous le pied de talus amont. Le gradient hydraulique atteint 1,2 m/m dans le corps de barrage et 0,8 m/m dans les graves limono-sableuses de fondation. L’écoulement est descendant ou tangent à la surface, il y a donc un risque faible d’érosion interne.


i = 1,5 m/m

i = 1,2 m/m



13-451_I_3_0_AVP.doc sur 30

Quelle que soit la situation, on observe un écoulement préférentiel au sein des moraines de fond, qui présentent une perméabilité relativement élevée à une faible profondeur. Les gradients calculés au sein de cette couche ne dépassent cependant pas 0,13 m/m et le risque d’érosion de contact avec la couche sous-jacente est limité pas la nature proche des couches d’un point de vue granulométrique.



Niveau RN




Niveau PHE – drain obturé 2,96 0,61


La stabilité du talus amont du barrage au niveau du profil P07 est satisfaisante quelle que soit la situation considérée. La stabilité du talus aval n’est pas vérifiée en situations accidentelles de séisme et de crue PHE avec drains obturés.



13-451_I_3_0_AVP.doc sur 30

4.3 - PROFIL P08





En situation de vidange rapide, le calcul montre la présence d’une fuite en pied de talus amont. Le gradient hydraulique atteint 0,6 m/m dans le corps de barrage et 0,6 m/m dans les graves limono-sableuses de fondation. L’écoulement est ascendant ou tangent à la surface, il existe un risque d’érosion interne par suffusion mais ce risque est modéré par la brièveté du phénomène.


Quelle que soit la situation, on observe un écoulement préférentiel au sein des moraines de fond, qui présentent une perméabilité relativement élevée à une faible profondeur. Les gradients calculés au sein de cette couche ne dépassent cependant pas 0,1 m/m et le risque d’érosion de contact avec la couche sous-jacente est limité pas la nature proche des couches d’un point de vue granulométrique.

i = 1,8 m/m

i = 0,6 m/m



13-451_I_3_0_AVP.doc sur 30



Niveau RN









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4.4 - PROFIL P13



En exploitation, l’écoulement dans le corps de barrage est dirigé vers le sol de fondation sous le talus amont et vers le filtre en partie centrale. En situation exceptionnelle de crue (PHE - drain obturé), le calcul montre la présence d’une fuite en pied de talus aval. Le gradient hydraulique atteint 2,4 m/m dans le corps de barrage et 1,3 m/m ascendant dans les graves limono-sableuses de fondation. Il y a donc un risque d’érosion interne par suffusion et boulance avec initiation possible d’un phénomène régressif (renard) si la situation est prolongée dans le temps.


En situation de vidange rapide, le calcul montre la présence d’une fuite en pied de talus amont. Le gradient hydraulique atteint 1,9 m/m dans le corps de barrage et 1,0 m/m ascendant dans les graves limono-sableuses de fondation. Il existe un risque d’érosion interne par suffusion et boulance mais ce risque est modéré par la brièveté du phénomène.


Quelle que soit la situation, on observe un écoulement préférentiel au sein des moraines de fond, qui présentent une perméabilité relativement élevée à une faible profondeur. Les gradients calculés au sein de cette couche ne dépassent cependant pas 0,07 m/m et le risque d’érosion de contact avec la couche sus-jacente est limité pas la nature proche des couches d’un point de vue granulométrique.

i = 2,4 m/m

i = 1,9 m/m



13-451_I_3_0_AVP.doc sur 30



Niveau RN









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5 - SYNTHÈSE DES CALCULS DE STABILITÉ

Cette étude présente les résultats de calculs de stabilité de talus et d’évaluation du risque d’érosion interne du barrage du Chatelard. Les hypothèses géologiques et géotechniques sont basées sur les reconnaissances synthétisées dans le rapport d’étude géotechnique d’Avant-Projet GEOLITHE n°13-451_I_1_A du 26/02/2014. Les hypothèses hydrauliques et de structure du barrage sont basées sur le rapport d’étude de PROJET TRACTEBEL rév.5 du 29/05/2015. Les calculs ont été menés sur trois profils types modifiés à l’issue de l’étude géotechnique d’Avant-Projet GEOLITHE n°13-451_I_2. Cette étude montre qu’il est nécessaire de revoir les conditions de fondation du barrage (couche limono-argileuse) et de drainage aval en section centrale du barrage, autour du profil P07, malgré les modifications de profil en travers apportées. Le profil P08 devra être réalisé de manière semblable à P09 avec réalisation du filtre et du drain en base du remblai dont la sortie sera en pied du talus aval. Par ailleurs, nous préconisons d’adopter des dispositions contre le risque d’érosion interne en pied aval, sur toutes les sections. Concernant le talus amont, le choix de poser un géotextile filtrant sous le rip-rap de protection permet de réduire le risque d’érosion interne en talus amont.

5.1 - AMÉLIORATION DE LA STABILITÉ EN SECTION CENTRALE (PROFIL TYPE P07)

La stabilité en situation sismique peut être assurée en augmentant les caractéristiques mécaniques des terrains de fondations. Une solution envisageable est la substitution des terrains de couverture limono-argileuse sur une épaisseur d’environ 2,5 m par des terrains possédant des caractéristiques au moins égales à celles du corps de barrage. Une autre solution est la réalisation du remblai du barrage par phases, afin de permettre la consolidation des graves limono-argileuses. Cette consolidation aura lieu dans le temps et le remblai devra donc être monté progressivement. Cette solution pourra être étudiée sur la base d'essais œdométriques complémentaires à réaliser au stade Projet afin de déterminer l'épaisseur de remblais à mettre en place et la durée de consolidation. Une auscultation devra également être mise en place pour mesurer les tassements engendrés. La stabilité en situation de crue exceptionnelle peut être améliorée en évitant l’obturation du drain (cf. §5.2 -).

5.2 - DIMINUTION DU RISQUE D’ÉROSION INTERNE EN TALUS AVAL

La priorité est d’empêcher toute possibilité d’obturation des systèmes drainants car l’effet de ce phénomène est de provoquer une montée des eaux dans le talus aval qui est préjudiciable du point de vue du risque d’érosion interne comme de celui de la stabilité. Les drains tuyau de diamètre 100 mm ont l’inconvénient de pouvoir connaitre une altération dans le temps (comblement partiel ou total, risque d’écrasement lors de la mise en œuvre des remblais...). Les solutions drainantes sous forme de massifs de sables entourés de géotextiles sont plus robustes et durables.



13-451_I_3_0_AVP.doc sur 30

Une solution envisageable pour la substitution des drains est de prolonger les lanières drainantes au-delà du pied de talus aval. Une autre solution pourrait être la mise en œuvre d’un suivi piézométrique des niveaux d’eau au sein du barrage, afin de vérifier l’absence de mise en charge anormale. Ce suivi piézométrique devra être associé à une vérification régulière de l’écoulement en sortie de ce drain. En cas de détection d’un phénomène anormal pouvant être lié à l’’obturation du drain, une procédure d’urgence devra être mise en place afin de procéder au curage du drain et à sa remise en état. On peut aussi envisager le renforcement du talus aval par une clé de pied en enrochements. Cette solution permettrait d’assurer une meilleure stabilité au glissement par rabattement des potentiels hydrauliques à distance du pied de talus. La pose de cette clé en enrochement sur un géotextile filtrant permettrait de se prémunir contre le risque d’érosion régressive sous le pied de talus.



13-451_I_3_0_AVP.doc sur 30

6 - PRÉCONISATIONS POUR LES ÉTUDES DE PHASE PROJET

6.1 - RAPPEL DES VÉRIFICATIONS RÉALISÉES AU STADE AVP

Pour rappel, le rapport d’étude AVP GEOLITHE n° 13-451_I_1_A présente les conditions de faisabilité géotechnique :

Conditions de réutilisation des matériaux de déblais en remblais Stabilité des déblais Stabilité des remblais à court terme Liquéfiabilité des sols Tassements attendus sous le barrage

Le présent rapport de complément d’étude AVP GEOLITHE n° 13-451_I_3_0 est une étude complémentaire de stabilité hydro-mécanique du barrage. L’étude a été menée sur quatre profils, en situations d’exploitation de crue exceptionnelle, de séisme et de vidange rapide:

Stabilité générale des talus du barrage Evaluation du risque d’érosion interne

6.2 - PRÉCONISATIONS POUR LA SUITE DES ÉTUDES

A l’issue de ce stade AVP, les choix de dispositifs complémentaires devront être validés par une étude géotechnique en phase PROJET. Cette étude devra inclure (à adapter selon les choix réalisés) :

l’évaluation de la capacité portante des sols de fondation à court terme sur la base d’essais scissométriques in situ et triaxiaux au laboratoire

une évaluation affinée des tassements et une étude de phasage du remblaiement sur la base d’essais œdométriques

une évaluation du risque d’érosion interne

l’étude de stabilité des déblais dans la zone d’emprunt et des talus naturels et notamment en en situation de vidange rapide

une étude de traitement des matériaux réutilisés en remblais

une étude de stabilité des talus aval et amont couplant des calculs d’hydraulique interne et des calculs de stabilité mécanique de manière similaire à la présente étude, sur les profils ayant fait l’objet de modifications susceptibles de changer les conditions de stabilité et sur la base des essais et reconnaissances complémentaires

6.3 - PRÉCONISATION D’ESSAIS ET RECONNAISSANCES COMPLÉMENTAIRES

6.3.1 - Zone déblayée

Les calculs de stabilité des talus surplombant la zone d’emprunt de matériaux nécessitent la détermination de modèles topographiques et géotechniques. Des essais pressiométriques et des sondages carottés complémentaires devront être réalisés dans le talus en parties Nord et Est de la retenue afin de déterminer le modèle géotechnique à prendre en compte.



13-451_I_3_0_AVP.doc sur 30

Des essais de caractérisation au laboratoire permettront de fixer les caractéristiques mécaniques au stade PRO (cf. paragraphe suivant).

6.3.2 - Choix des caractéristiques mécaniques au stade PRO

Les paramètres de Mohr-Coulomb des sols devront être confirmés par des essais scissométriques en place et des essais triaxiaux CU+u. La compressibilité des matériaux devra être vérifiée par des essais oedométriques. La perméabilité des matériaux du corps de barrage devra être mesurée par des essais de perméabilité à l’oedomètre sur les matériaux destinés à être réutilisés Les essais au laboratoire devront être réalisés :

Sur des échantillons de matériaux destinés à la réutilisation pour le corps de barrage compactés à l’optimum Proctor

Sur des échantillons des sols de fondation et des talus naturels non remaniés

6.3.3 - Susceptibilité à la suffusion

La susceptibilité à la suffusion des matériaux de corps de barrage pourra être évaluée par des essais HET (Hole Erosion Test) ou JET (Jet Erosion Test) sur des échantillons compactés à l’optimum PROCTOR.



13-451_I_3_0_AVP_annexes annexes

ANNEXES



13-451_I_3_0_AVP_annexes annexes

ANNEXE 1 Calculs de stabilité sur P04

Output Version 2012.2.14975.10081

Project description

Project filename Step

Date

User name

P04 - exploitation 19/08/2015

Chatelard-ProfilP04 8 GEOLITHE

Groundwater flow |q| (scaled up 2.00*103 times)

Maximum value = 1.638*10-3 m/h (Element 221 at Stress point 2651)

Minimum value = 0.01150*10-9 m/h (Element 1561 at Stress point 18727)

[*10-3 m/h]

0

2.5

5

7.5

10

12.5

15

17.5

20

22.5

25

27.5

-48.00 -40.00 -32.00 -24.00 -16.00 -8.00 0.00 8.00 16.00 24.00 32.00 40.00 48.00

1072.00

1080.00

1088.00

1096.00

1104.00

1112.00

1120.00

Output Version 2012.2.14975.10081

Project description


Date

User name



Groundwater flow |q|

Maximum value = 1.696*10-3 m/h (Element 790 at Node 77)

Minimum value = 9.994*10-12 m/h (Element 1561 at Node 8748)

[*10-3 m/h]

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

1.10

1.20

1.30

1.40

1.50

1.60

1.70-48.00 -40.00 -32.00 -24.00 -16.00 -8.00 0.00 8.00 16.00 24.00 32.00 40.00 48.00

1072.00

1080.00

1088.00

1096.00

1104.00

1112.00

1120.00

Output Version 2012.2.14975.10081

Project description


Date

User name






[*10-3 m/h]

0

1

2

3

4

5

6

7

-35.00 -30.00 -25.00 -20.00 -15.00 -10.00 -5.00 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00

1090.00

1095.00

1100.00

1105.00

1110.00

1115.00

1120.00

1125.00

Output Version 2012.2.14975.10081

Project description


Date

User name

P04 - PHE - drain obturé 19/08/2015





[*10-3 m/h]

0

2.5

5

7.5

10

12.5

15

17.5

20

22.5

25

27.5

-48.00 -40.00 -32.00 -24.00 -16.00 -8.00 0.00 8.00 16.00 24.00 32.00 40.00 48.00

1072.00

1080.00

1088.00

1096.00

1104.00

1112.00

1120.00

Output Version 2012.2.14975.10081

Project description


Date

User name



Groundwater flow |q|

Maximum value = 2.381*10-3 m/h (Element 1294 at Node 9267)

Minimum value = 0.4584*10-9 m/h (Element 1550 at Node 2578)

[*10-3 m/h]

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

1.60

1.80

2.00

2.20

2.40-48.00 -40.00 -32.00 -24.00 -16.00 -8.00 0.00 8.00 16.00 24.00 32.00 40.00 48.00

1072.00

1080.00

1088.00

1096.00

1104.00

1112.00

1120.00

Output Version 2012.2.14975.10081

Project description


Date

User name






[*10-3 m/h]

0

1

2

3

4

5

6

7

-40.00 -35.00 -30.00 -25.00 -20.00 -15.00 -10.00 -5.00 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00

1090.00

1095.00

1100.00

1105.00

1110.00

1115.00

1120.00

1125.00

COMMUNE DE LA ROCHE DES ARNAUDS (05) LIEU DIT LE …

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