ETUDE D’UN GLISSEMENT HORS NORMES EN DEBLAI FERROVIAIRE

Journées Nationales de Géotechnique et de Géologie de l’Ingénieur JNGG2010 -Grenoble 7-9 juillet 2010

ETUDE D’UN GLISSEMENT HORS NORMES EN DEBLAI FERROVIAIRE

STUDY OF AN EXCEPTIONAL LANDSLIDE IN A RAILWAY EXCAVATION SLOPE

Jean-Luc DEHERRIPONT1, Francis BLONDEAU2, Jérémie VAN MELLE3. 1 SNCF - Direction de l’Ingénierie, Paris, France 2 Ingénieur Civil des Pont s et Chaussée, Paris, France 3 SNCF – Pôle Régional Ingénierie, Lyon, France

RÉSUMÉ – Au sud de Valence, la plateforme de la LGV Méditerranée est affectée par la proximité d’un grand glissement au niveau du déblai des Ayasses. La singularité géologique du site a nécessité un volume important de reconnaissances et d’instrumentations pour bâtir une modélisation complète du glissement. Enfin, un modèle prédictif de l’impact de la pluviométrie sur l’activité a été établi pour optimiser les modalités de surveillance du site.

ABSTRACT – To the South of Valence city, the LGV (High Velocity Line) Méditerranée rail platform is affected by a large land slide. To build the land slide model and because of the geological uniqueness of this site, many investigations and measurements were necessary. A model of rainfall impact prediction on land slide activity was established permitting the optimisation of monitoring methods for the site.

1. Introduction

Le déblai des Ayasses se situe sur la ligne à grande vitesse de Combs-La-Ville à

Saint-Louis, à une vingtaine de kilomètres au Sud de Valence. L’ouvrage, orienté Nord-Sud, a une longueur de 690 m pour une hauteur de 45 m. Il est affecté d’un glissement sur le talus Est relativement atypique par ses dimensions qui impacte la plate forme sur une quarantaine de mètres.

Dans ce contexte, divers travaux de confortement ont été réalisés depuis la création de la ligne en 1997. Un masque poids de 8m de large en pied a été mis en place en 1997 lors des travaux de construction suite à l’identification d’une surface de rupture amorcée sur le talus inférieur V1. En 2004, des travaux de terrassement ont été effectués après caractérisation de l’extension amont de nouvelles surfaces de ruptures. Par la suite, la surveillance régulière du déblai a permis de mettre en évidence la persistance de désordres avec un impact sur la qualité du nivellement des voies dès juin 2005.

Plusieurs programmes de reconnaissance et d’instrumentation complémentaires ont été nécessaires pour démontrer l’interaction étroite entre la singularité géologique du site et la cinématique du glissement.

Compte-tenu des enjeux et dans l’attente des travaux de confortement, il était important de disposer d’un outil de prévision fiable de l’impact d’épisodes pluvieux sur l’amplitude des déplacements afin d’optimiser les modalités pratiques de la surveillance.

419


2. Caractérisation géologique et géotechnique

2-1 Contexte géologique Le déblai des AYASSES se situe dans les formations tertiaires d’origine

sédimentaire qui, selon la carte géologique de CREST au 1/50 000 (BRGM, 1977), se caractérisent par les unités suivantes :

- des sables, grès et conglomérats de l’Helvétien et du Tortonien inférieur (miocène supérieur) ;

- des marnes bleues et sables jaunes du Pliocène inférieur marin; - des cailloutis peu ou pas cimentés, à galets calcaires du Pliocène supérieur. Les sondages réalisés lors des investigations en phase amont des travaux de

terrassement de la ligne avaient restitué un profil en long géotechnique notant déjà une singularité géologique avec la présence d’horizons plus limoneux et argileux au Nord en discordance sur des sables molassiques plus homogènes au Sud

Les campagnes de reconnaissance et les terrassements successifs ont permis de lever progressivement la nature et la cartographie précise de ces formations discordantes (cf. Figure 1) et, en regard, la morphologie et l’extension de la surface de glissement, au prix d’un important programme de sondages.

Figure 1 : Modélisation géologique de la lentille pliocène

En final, l’ensemble des observations réalisées fait apparaître dans la partie

Nord des argiles sableuses, des bancs gréseux faiblement cimentés reposant sur des bancs marneux francs à passés silteux, le tout sur une épaisseur de l’ordre de 30 m. Ces horizons que l’on pourrait apparenter au Pliocène supérieur, sont disposés en cuvette sur un substratum molassique (Miocène supérieur) avec un pendage de l’axe de cette cuvette en direction du Nord-Ouest.

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Photo 2 : Vue du talus après terrassement 2004 faisant apparaître les différentes

strates de la lentille pliocène Les informations que nous livre la notice explicative de la carte du BRGM

confirment tout l’intérêt de bien exploiter ces sources de données et de disposer impérativement en amont d’un regard exercé de géologue avant modélisation dans toutes approches géotechniques complexes.

En effet, les dépôts sont mis en place d’abord dans le contexte transgressif de la mer pliocène qui a envahi les vallées pré-pliocènes. Une érosion quaternaire importante ne permet pas d’en définir les contours avec précision. Dans ce contexte transgressif, les marnes sont prédominantes en base de la formation. Puis elles laissent place progressivement vers le sommet à des sables fins et des bancs de grès. Ces derniers marquent le début de la régression.

Il est à noter que la formation des marnes pliocènes intervient après la crise messinienne à l’origine d’un très fort creusement de la vallée du Rhône et des différentes rivières affluentes (jusqu’à -110 m NGF au niveau de Péage de Roussillon).

Les formations pliocènes transgressives se mettent donc en place sur une surface paléo topographique fortement accidentée et érodée. Cette particularité est à l’origine des discordances et des variations latérales de faciès; ce qu’illustre parfaitement le site des Ayasses à petite échelle.

Ces formations subissent ensuite la contrainte tectonique alpine, d’où la position altimétrique actuelle et le pendage général des strates de l’ordre de 20 à 30 ° vers le Nord-Ouest.

Le suivi de l’instrumentation mise en place a permis de confirmer que la relation entre cette lentille et la localisation des désordres est extrêmement étroite.

2.2 - Exploitation du suivi de l’instrumentation

2.2.1 – Suivi topographique

Des repères ont été implantés le long des pistes latérales de la plateforme ferroviaire ainsi que sur la crête de talus au niveau de la première berme inférieure.

421


Quel que soit le profil, les déplacements en planimétrie (vers l’Ouest) sont quatre fois supérieurs à ceux enregistrés en nivellement (soulèvement).

Passé la limite au Nord et au Sud de la lentille pliocène, les suivis ne détectent plus aucun déplacement (cf. figure 3). Cette transition franche coïncide donc parfaitement avec une zone de contact géologique anormal.

Bien que son axe soit incliné selon une orientation biaise par rapport à l’axe de la plateforme, la lentille pliocène, se déplace selon la ligne de plus grande pente du talus, perpendiculairement à l’axe de la plateforme. Le suivi inclinométrique confirme également cette cinétique de glissement.

Figure 3 : Corrélation entre le suivi de repères topographiques (déplacements

verticaux) en plateforme et l’extension de la lentille pliocène

2.2.1 – Suivi inclinométrique La caractérisation de la surface de rupture en profondeur et en périmètre a

nécessité l’équipement du site par une vingtaine de tubes inclinomètriques de 15 à 40 m de profondeur.

Les pics de déformation observés (cf. figure 4) traduisent des surfaces de cisaillement très nettes se développant essentiellement dans l’horizon marneux de la lentille (soit à une profondeur pouvant atteindre plus d’une vingtaine de mètres sous la surface du talus). En pied du glissement, des pics sont mesurés jusqu’à 3.50 m de profondeur sous la plateforme ferroviaire ; la surface de rupture s’amortissant en bordure opposée de la plateforme, en pied de talus Ouest. Le contour du glissement est très fortement guidé par l’extension de la lentille pliocène. Elle prend naissance à environ 200 m de la plateforme ferroviaire, soit à proximité du sommet de la butte des Ayasses. L’activité des déplacements mesurés est variable suivant les tubes et fortement influencée par les conditions météorologiques (notamment durant les

Δz 93 mm entre 2001 et 2009

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intempéries du deuxième semestre 2008). Ces différences d’activité semblent refléter des mécanismes de ruptures emboitées. Il est par ailleurs possible que la surface de rupture ait régressé vers l’amont à plusieurs reprises depuis la création de la ligne, en relation avec des mécanismes de libération de contrainte du massif après terrassement du déblai. La chronologie des évènements et des différentes campagnes d’instrumentation n’a pas permis de confirmer cette hypothèse.

Notons enfin que selon les caractéristiques pressiométriques mesurées sur site, les matériaux en place s’apparentent davantage à des matériaux rocheux (marnes et grés), ce qui milite fortement pour des mécanismes de rupture influencés par l’orientation générale discontinuités stratigraphiques.

Figure 4 : Profil en travers géotechnique avec report des pics de déformations mesurées sur les tubes inclinométriques

2.2.1 – Suivi piezométrique

Des battements de 2 à 8m du niveau piézomètrique sont observés dans le talus tandis que les niveaux mesurés sous la plate-forme restent relativement stables. Cette oscillation est localisée dans un banc à forte dominance sableuse. Le niveau bas est situé à l’interface entre ce banc et les marnes sous-jacentes. Compte tenu de cette particularité géologique, il est probable que ce niveau mesuré correspond à une nappe perchée dans le banc sableux constituant un aquifère.

Pour des raisons techniques, il ne nous a pas été possible de caractériser l’état des pressions interstitielles et d’établir des corrélations exploitables les reliant à la pluviométrie et aux déplacements.

Pour ces raisons, l’exercice de modélisation s’est principalement axé sur la relation entre la pluviométrie et les déplacements.

7.5 m

21 m 20.5 m 19 m

14.5

3.5 m

200 m

423


3- Corrélation entre la pluviométrie et l’activité du site Afin d’établir cette corrélation, il a été pris en compte la pluviométrie mensuelle et

annuelle de juillet 2001 à fin février 2009. Durant cette période, deux événements majeurs de fortes précipitations sur la durée ont été enregistrés, soit en 2002 et 2008. Le suivi d’un repère topographique implanté sur support de poteau caténaire, caractéristique des déplacements et affichant une bonne corrélation avec la pluviométrie, a été pris comme référence.

Un modèle de corrélation avec la pluviométrie réalisé il y a une dizaine d'années par M. BLONDEAU pour l'analyse d'un glissement semblable dans le Sud-Ouest a été appliqué à ce site. Il est fondé sur un principe très simple :

La vitesse d'un glissement est d'autant plus grande que le coefficient de

sécurité demeure proche de l'unité A géométrie figée, le niveau de sécurité est fonction du niveau de la nappe Le niveau de la nappe est imposé par le bilan entre entrée et sortie de

quantité d'eau sur une période donnée, au sein de la masse en mouvement.

Les entrées d'eau proviennent de l'infiltration directe sur la surface de la zone instable et des infiltrations en profondeur provenant des zones amont.

Les sorties sont constituées du drainage gravitaire de surface (ruissellement) en profondeur et de l'évapotranspiration.

Ce modèle est traduit par l'équation suivante :

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ −−−−−++= −+

−=+ ∑

+

02

1 365sin

1

ttePPdPPbqatPtP irefjrefj

t

ntiiijj

j

j

π

dans laquelle les paramètres sont : P (tj) = valeur au jour j du paramètre étudié (niveau piézométrique,

déplacement d'un repère ou d'un tube inclinométrique, rotation d'un ouvrage etc.)

Σ(aiqi) = apport entre j et j+1, dû à la pluviométrie sur les n jours précédent le jour j, modulé en fonction du recul par rapport à la date de l'épisode pluvieux qi (terme équivalent à un produit de convolution)

b (Pj - P+ref)

= traduit un éventuel effet de seuil de l'alimentation par l'eau infiltrée en provenance de l'amont de l'emprise du site du glissement si le paramètre P est un niveau piézométrique

d (Pj - P-ref)

= effet de l'exhaure par drainage naturel si le paramètre P est un niveau piézométrique

e sin² […] = effet de l'évapotranspiration, modulée selon la saison

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Les paramètres [ai, b, d, e, Pref, etc.]. sont déterminés par minimisation des écarts (moindres carrés) entre mesures et valeurs théoriques du modèle, à l'aide d'un solveur.

A l'instar des diverses tentatives qui ont pu être présentées dans la littérature, l'objet de ce modèle n'est pas de prendre en compte les propriétés hydrauliques d'un site –en général inconnues au regard de la précision nécessaire pour un calcul d'écoulement – mais de caler expérimentalement les paramètres d'une "boîte noire" simple et qui se veut être un outil efficace de prise de décision.

La figure 6 illustre l'application de ce modèle au soulèvement du poteau caténaire. La figure 7 donne les valeurs des coefficients ai – rapportés à Σ(ai)= 1 – c'est-à-dire le poids relatif des épisodes pluvieux précédant le jour considéré.

Figure 6 : Modélisation du soulèvement d’un poteau caténaire en fonction de la pluviométrie.

Figure 7 : Histogramme des coefficients d’influence quotidiens sur 20 jours

Il en ressort que : • le modèle estime la réalité à mieux que ± 4 mm près sur une période de plus

de sept années et un déplacement mesuré de 70 mm ; • il n'y a pas de tendance à une dérive du modèle par rapport à la mesure pour

ce repère ;

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

100

janv-01

juil-01 janv-02

juil-02 janv-03

juil-03 janv-04

juil-04 janv-05

juil-05 janv-06

juil-06 janv-07

juil-07 janv-08

juil-08 janv-09

juil-09 janv-10

juil-10 janv-11

dZ (

mm

)

MESURE MODELE

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

a(-1

9)

a(-1

8)

a(-1

7)

a(-1

6)

a(-1

5)

a(-1

4)

a(-1

3)

a(-1

2)

a(-1

1)

a(-1

0)

a(-9

)

a(-8

)

a(-7

)

a(-6

)

a(-5

)

a(-4

)

a(-3

)

a(-2

)

a(-1

)

a(0)

MODELE 20 J

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• il faut remonter à plus de 13 jours avant la date de mesure pour voir apparaître les coefficients d'influence quotidiens (ai) les plus significatifs ;

• ils sont tels que 10 % du phénomène sont dus à la pluie de (j-2) 14% à (j-7) et le reste, soit 75 % environ, dus à la pluie tombée quinze jours avant.

Cela signifie que l'on dispose ainsi d'un outil de prévision fiable dès lors que l'on y

actualise quotidiennement la donnée pluviométrique et que l'on dispose d'une quinzaine de jours pour réagir à un épisode pluvieux particulièrement sévère.

Selon ce modèle et par extrapolation, on peut estimer qu’une précipitation de 100 mm peut générer un déplacement transversal du PC (V1vers V2) de l’ordre de 5 mm une quinzaine de jours après l’évènement (75% des déplacements).

Lors des épisodes 2001/2003 et 2008, la répartition des pluies de forte intensité a été telle qu’il n’y pas eu d’amortissement entre deux séquences pluvieuses sur plusieurs trimestres. Durant cette période, les déplacements se sont donc amplifiés de façon exponentielle et ont persisté pendant près de 7 mois jusqu’au retour de conditions atmosphériques plus clémentes.

Compte-tenu de ces éléments, il apparaît que seul un évènement type 2008 est susceptible de générer des pics d’accélération capables de produire des déformations suffisamment rapides pour donner des valeurs hors tolérances entre deux contrôles de nivellement des rails (15 jours). Dans ces conditions, et avec le retour à des conditions météorologiques plus normales, il a pu être confirmé que les modalités de surveillance spécifiques mises en place étaient bien adaptées.

4. Conclusions

Dans l’approche de site complexe ou d’ouvrage de grande dimension comme le déblai des AYASSES, il est impératif de s’attacher en priorité à la compréhension des phénomènes en amont de toute modélisation géotechnique. Dans cet objectif, une analyse géologique de terrain approfondie accompagnée de recherche documentaire apparaît essentielle, notamment pour justifier au plus tôt d’un volume de sondages et d’instrumentation adapté (suffisamment étendu en termes de périmètre et de profondeur) et non au fur et à mesure de la connaissance et de la compréhension des mécanismes.

L’analyse des séquences pluviométriques et leur impact sur la vitesse des déplacements a permis également d’établir d’étroites corrélations très utiles pour optimiser la périodicité des suivis tout en préservant la capacité d’alerte des possibilités d’évolution en cas de forte pluviométrie. Cette analyse a fourni une aide précieuse quant à la politique de surveillance pour garantir des conditions optimales de sécurité ferroviaire, le temps de réaliser les travaux de confortement.

5. Références bibliographiques

Bureau de Recherches Géologiques et Minières (1977) Carte géologique de Crest, n°842, Confluent Drôme-Rhône. Service géologique National.

Pouget P. Livet M. "Relations entre la pluviométrie, la piézométrie et les déplacements d'un versant instable (site expérimental de Sallèdes, Puy de Dôme)". Rapport de recherche des Laboratoires des Ponts et Chaussées, Paris, série géotechnique, n° GT 57 - 1994

Durville J.L. , Chapeau C. "L'eau et les risques de glissements de terrains"- Revue du BRGM Géosciences – n°2 L'eau souterraine – septembre 2005

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