Prédiction du comportement hydromécanique et de la stabilité des digues soumises à la fissuration par l'étude des interactions sol–atmosphère

Ce projet de thèse s’inscrit dans cette problématique en visant à mieux caractériser les mécanismes de dessiccation et de fissuration des digues en terre, à quantifier leur influence sur les propriétés hydrauliques et mécaniques des matériaux, et à améliorer les outils de modélisation pour le calcul de la stabilité des ouvrages. Les résultats attendus contribueront à une meilleure évaluation de la prédiction des phénomènes de retrait, fissuration et dégradation sur les digues en terre à partir des données météorologiques et à la modélisation de la stabilité au regard de l’existence d’un réseau de fissure de dessiccation préalable face au risque de crue et de mise en charge de l’ouvrage.

Méthodologie

1. Analyse et exploitation des données in situ : Analyser les données couplées sol–météorologie acquises par instrumentation sur la digue de La Riche (Indre-et-Loire), afin de caractériser les variations hydriques (teneur en eau, succion) des matériaux. Établir des corrélations entre les mesures géotechniques et les variables météorologiques et environnementales, en vue d’identifier des indicateurs pertinents de l’initiation et du développement de fissures de dessiccation au sein de l’ouvrage.
2. Évaluation de l’apport des données et indices climatiques existants : Intégrer et analyser des données issues de Météo-France, notamment les indices d’humidité des sols (SWI) et les scénarios d’évolution climatique disponibles, afin d’évaluer leur représentativité et leur pertinence pour la prédiction de l’état hydrique des digues, en comparaison avec les données instrumentées du site de La Riche.
3. Développement et comparaison de modèles numériques de stabilité : Développer un modèle numérique aux éléments finis, dans un premier temps à l’aide du logiciel COMSOL, pour simuler le comportement hydro-mécanique d’une digue fissurée. Ce modèle sera comparé à des approches existantes afin de définir les conditions de stabilité de l’ouvrage vis-à-vis des mécanismes de rupture pressentis. L’utilisation d’autres codes de calcul pourra être envisagée pour prendre en compte des mécanismes spécifiques, tels que le soulèvement de blocs ou la propagation de discontinuités liées aux fissures de retrait.
4. Validation et application de l’approche prédictive : Tester et valider l’approche développée à partir de données historiques issues de digues présentant des phénomènes avérés de fissuration, et/ou réaliser des simulations prédictives appliquées à La Riche et à d’autres digues. Cette étape visera à évaluer la capacité du modèle à anticiper des situations de dégradation et à contribuer à l’aide à la décision pour la gestion et la surveillance des ouvrages.

Résultats Attendus

• Caractérisation et anticipation de la dessiccation des digues

Une meilleure compréhension des interactions sol–atmosphère permettant d’identifier des indicateurs hydriques et climatiques pertinents pour anticiper l’apparition et le développement des fissures de dessiccation à partir de données météorologiques et de mesures in situ.

• Outils de modélisation intégrant la fissuration

Le développement et la validation d’un modèle hydro-mécanique capable de représenter l’influence des fissures de dessiccation sur le comportement et la stabilité des digues, et d’analyser les mécanismes de rupture associés.

• Aide à la gestion prédictive des ouvrages

Des apports méthodologiques et opérationnels pour la surveillance et la gestion prédictive des digues, incluant l’évaluation de la pertinence des indices climatiques existants et leur intégration dans une démarche d’aide à la décision dans un contexte de changement climatique.

Faisabilité et Moyens Nécessaires

Accès aux données :

• Données de site disponibles (digue de La Riche instrumentée depuis 2023) ;
• Données Météo France (SWI et Drias) ;
• Participation au projet PEPR Irriclim / Ouvrasur.

Outils techniques :

• Logiciels : COMSOL (a minima)

Partenariats envisagés :

• Collaborations avec Météo France, éventuellement ISL ou EDF sur les aspects gestion de la sécurité des ouvrages hydrauliques.
• Collaboration avec l’IPGP et l’ASNR sur des développements utilisant la fibre optique méthode DAS pour l’auscultation des digues

Conclusion et Impact du Projet

Ce projet de thèse propose une approche innovante et attendue par les acteurs de la gestion des digues et par les pouvoirs publics, en réponse aux enjeux croissants de stabilité des ouvrages de protection contre les inondations dans un contexte de changement climatique. En intégrant explicitement les effets de la dessiccation des sols et de la fissuration induite par les conditions climatiques, ce travail contribuera à améliorer la compréhension des mécanismes de vieillissement des digues et à renforcer les capacités d’anticipation des situations de dégradation.

Les résultats attendus auront un impact scientifique et opérationnel significatif, en apportant des outils et des indicateurs adaptés à la surveillance, à l’évaluation du risque et à la gestion prédictive des ouvrages hydrauliques. À terme, ce projet vise à soutenir l’élaboration de stratégies de gestion plus robustes et résilientes, contribuant ainsi à la sécurité des territoires face aux risques d’inondation dans un environnement climatique en évolution.

Le laboratoire SRO (Sols, Risques et Ouvrages) réunit plusieurs métiers dans le domaine de la géotechnique (terme ici pris au sens large) qui correspondent à trois types d’approches :

Approche naturaliste : observation à différentes échelles, du nanomètre au kilomètre) 

Approche expérimentale : essais et mesures sur sites, laboratoires, ouvrages in situ

Approche théorique et numérique : rhéologie des matériaux, approche multiphasique, modélisation numérique dont utilisation de CESAR-LCPC

Le laboratoire SRO est l’une des rares unités de recherche à développer simultanément ces trois approches, dont la combinaison permet de répondre à ses différentes missions:

recherches finalisées (appliquées) en géotechnique (étude des sites, des matériaux naturels et des ouvrages dans leur environnement) ;

études, expertises, conseil technique, aide à la normalisation ;

appui aux politiques publiques;

mise au point de matériels innovants, de méthodes d’étude, d'essai et de dimensionnement (y compris la normalisation) ;

enseignement : formation initiale, formation continue, accueil et encadrement de doctorants et stagiaires.

Les thématiques de recherche du laboratoire sont les suivantes :

construire la ville de demain et protéger l'existant.

adaptation des ouvrages au changement climatique et aléa naturel.

éco-conception et développement durable.

réponse dynamique des sols et des structures.

Compétences requises

• Maîtrise des connaissances fondamentales en géotechnique, ouvrage en terre, stabilité mécanique, sols non saturés et interactions sol-atmosphère
• Connaissance en modélisation numérique aux éléments finis
• Connaissance des méthodes statistiques