Ruptures de barrages

Risques Technologiques

Ruptures de barrages

Préparé par GHHD – Centre européen sur les risques géodynamique liés aux grand barrages GHHD (Tbilissi, Géorgie)

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Comme l’a souligné la Commission internationale des grands barrages en 2007, les barrages resteront un élément crucial du développement humain au XXIe siècle, car la gestion de l’eau sera le principal défi en raison notamment du changement climatique (augmentation de son irrégularité) et de la croissance démographique (Augmentant sa demande).
Comme dans le cas de toute infrastructure de génie critique, l’érection de barrages est une source potentielle de danger: une défaillance d’un grand barrage de stockage causerait des dommages considérables à l’infrastructure, à l’environnement et au réseau social et causerait un revers dans le développement de la région.
La sécurité des barrages est donc une condition préalable pour le développement durable d’un projet de stockage ou pour le fonctionnement durable d’une installation de stockage existante. En fait, une technologie qui n’est pas sûre n’a pas d’avenir et l’histoire de la construction de barrages, qui s’étend sur plusieurs milliers d’années, a montré que la sécurité est la base de la durabilité.

Pour plus d’informations sur les Ruptures de barrages, cliquez ICI

Les barrages sont des barrières artificielles qui peuvent retenir l’eau ou tout liquide pour le stockage ou le contrôle de l’eau. Les barrages sont connus depuis des milliers d’années. Ils ont été érigés par les civilisations anciennes dans la Chine ancienne, la Mésopotamie, la Perse, l’Egypte et l’Inde. Les barrages, ainsi que les digues (longs murs de terre), sont également utilisés pour défendre les habitats et les terres des inondations, c’est-à-dire pour réduire les risques de catastrophe.

Outre son rôle traditionnel dans l’irrigation, les barrages apportent un grand bénéfice à l’humanité dans des domaines aussi importants que:

Alimentation en eau domestique et industrielle
Une source fiable d’eau est nécessaire tant pour soutenir la civilisation existante que pour soutenir la croissance future. Les barrages contribuent de façon significative à satisfaire nos besoins en eau. Pour tenir compte des variations du cycle hydrologique et éviter l’extinction des eaux souterraines, des barrages et des réservoirs sont nécessaires pour stocker l’eau et fournir ensuite des approvisionnements plus réguliers en cas de pénurie.
Demande agricole d’irrigation et d’approvisionnement alimentaire
«La nourriture pousse là où l’eau coule» est un dicton bien connu dans de nombreuses régions du monde. Selon les estimations, 80% de la production alimentaire supplémentaire d’ici 2025 devra provenir des terres irriguées.
Contrôle des flux
Les barrages et les réservoirs peuvent être utilisés efficacement pour réguler les niveaux des rivières et les inondations en aval du barrage en stockant temporairement le volume d’inondation et en le libérant plus tard. L’abaissement du niveau du réservoir pour créer plus de stockage avant la saison des pluies élimine le risque d’inondation.
Energie hydraulique
L’eau a été utilisée depuis les temps anciens pour entrainer des roues hydrauliques pour divers procédés mécaniques, tels que le broyage du maïs, le sciage du bois ou la conduite de moulins à textile. Depuis le milieu du 19e siècle, l’énergie hydraulique a été utilisée pour produire de l’électricité pour la première fois. Comme l’eau est la source, l’hydroélectricité est une source d’électricité renouvelable et largement utilisée. Ce qui est très important, c’est une source d’énergie propre, car il ne s’agit pas de brûler du combustible qui peut polluer l’environnement.
Autres fins
Loisirs, amélioration de la navigation, élevage de poissons.

Un barrage a besoin de plusieurs composants pour fonctionner correctement: le réservoir (lac) qui permet de stocker l’eau, le déversoir (structure par laquelle le débit est évacué d’un réservoir pour éviter le débordement du barrage), les ouvrages de sortie et une installation de contrôle. Dans des conditions d’exploitation normales, le niveau du lac est géré par l’installation de contrôle qui régule les rejets dans les ouvrages de sortie, consistant en un grand tunnel ou un conduit avec des grilles de contrôle. En cas d’inondation, le niveau du réservoir est maintenu à la fois par l’évacuateur de crues et les ouvrages de décharge.

Par conséquent, une situation d’urgence liée à un barrage est une situation où l’utilisation principale des barrages (à savoir la rétention d’eau) n’est plus assurée.

Il existe plusieurs types de barrages:

  • barrages de remblais construits en terre ou en roches (75% de tous les barrages sont de ce type)
  • barrages construits en béton, pierre ou autre maçonnerie, appelées barrages à gravité
  • barrages à arc ou barrages à contreforts.

La sélection du site et du type de barrage implique une évaluation détaillée de facteurs tels que la géologie, la topographie, les roches de fondation, l’hydrologie, les conditions sismiques et la nécessité de matériaux de construction. Dans les vallées étroites avec des roches solides, il est préférable de construire un barrage de béton, tandis que dans les vallées larges avec des roches moins solides, les barrages de remblai sont favorisés. Les barrages de remblai de terre sont le type le plus courant car ils utilisent en partie du matériel excavé des fondations.
En raison de l’exposition à un danger de personnes, de biens, de systèmes ou d’autres éléments présents dans les zones à risque, ils sont sujets à des pertes potentielles et cela est considéré comme une vulnérabilité. Le risque de catastrophe est le produit du danger et de l’exposition, source de pertes humaines et économiques.

Risque lié aux grands barrages (Risque de rupture de barrage, Ministère français du Développement Durable, 2003).

Il existe différents types de dangers possibles pour les grands barrages de stockage (un aperçu complet peut être trouvé dans le rapport final publié par la Commission mondiale des barrages en 2000):

  • Séismes
  • Glissements de terrain
  • Inondations
  • Vieillissement du barrage et de ses composantes

Il faut distinguer les principaux types de dangers liés aux barrages suivants:

Naturels: Tremblements de terre, excès de précipitations ou fonte de neige, glissements de terrain, qui peuvent endommager le système ou provoquer un débordement d’eau dû à des chutes de roche ou à des glissements dans le réservoir.

Fait par l’homme ou humain:
 erreurs d’exploitation (libération excessive d’eau du déversoir et fluctuations soudaines de la libération d’eau lors de l’exploitation de la centrale); terrorisme; Erreurs au cours des phases de conception ou de construction; déficiences dans les matériaux de construction; Vieillissement des installations et des matériaux des barrages; Problèmes de qualité de l’eau dans le réservoir (maladies d’origine hydrique, détérioration de la qualité de l’eau due à la matière organique, rejet de substances dangereuses, déchets provenant de l’aquaculture, etc.) affectant les populations, la pêche, etc.

Les risques naturels résultent de processus naturels à grande échelle (comme les tremblements de terre qui se produisent à cause du déplacement d’énormes plaques tectoniques) et il est impossible (en cas de tremblements de terre) ou très difficile (en cas de glissements de terrain et d’inondations) de les empêcher.
Les dangers de l’environnement naturel sont spécifiques au site, alors que les dangers causés par l’homme dépendent essentiellement du comportement et des actions des gens et ne sont généralement pas spécifiques au site. De plus, il existe un certain nombre de dangers propres au projet, qui dépendent du type de barrage, de la conception du barrage, de la construction du barrage, de la forme et de la hauteur du barrage, des conditions de ses fondations, du contrôle des infiltrations, de l’âge du barrage, du volume du réservoir et de la profondeur de l’eau, etc.
Le résultat d’un tel événement dangereux pourrait être une défaillance du barrage et une vague d’inondation (cette dernière est principalement due soit à la destruction du barrage, soit au débordement de l’eau). Une autre distinction doit être faite entre les dangers techniques attendus dans un nouveau projet et les dangers qui affectent un projet existant.

Dans le monde il y a actuellement environ 50.000 grands barrages avec des réservoirs. Les grands barrages sont définis comme ceux qui ont une hauteur de 15 mètres de la fondation ou, si la hauteur est entre 5 à 15 mètres, une capacité de réservoir de plus de 3 millions de mètres cubes.
Le barrage le plus grand au monde, qui stocke un énorme volume d’eau, est le barrage des Trois Gorges (Chine):

Barrage des Trois Gorges (Chine)
Le barrage Hoover aux Etats-Unis (à gauche) et le barrage d’Enguri en Géorgie sont des barrages très uniques.

De grandes catastrophes liées à des barrages avec de grandes conséquences peuvent donc se produire partout dans le monde, où les plus grands sont érigés.
De nombreux barrages sont érigés dans des canyons étroits, qui sont en règle générale le résultat d’un mouvement tectonique actif. À son tour, la tectonique active signifie que la zone (et les barrages) pourraient être sujets à l’impact des tremblements de terre, des glissements de terrain importants et le fluage tectonique.
De grandes inondations, ainsi que les actions humaines, peuvent également endommager les barrages. On peut se rappeler, par exemple, qu’un grand désastre a eu lieu à Vajont (Italie) en raison de la descente de terrains, la destruction des barrages a eu lieu pendant la Seconde Guerre mondiale en Allemagne et un certain nombre de barrages ont échoué en Inde et en Chine en raison de grandes inondations.
Cependant, il y a aujourd’hui un certain nombre de nouveaux projets avec un potentiel de dommages beaucoup plus grand que les barrages mentionnés ci-dessus. En raison de la croissance de la population, du développement économique, etc., les risques ne cessent de croître tandis que la sécurité demeure inchangée.

Les causes des plus grands accidents de barrage avant 2000 sont présentées dans le tableau suivant:

Failure of Shih-Kang Dam due to Chi-Chi earthquake 1999 (China)
Dam failure due to San Fernando earthquake 1971.

Depuis 2000, plusieurs accidents majeurs ont eu lieu dans le monde:

  • Des précipitations extrêmes lors des inondations européennes de 2002 ont affecté le barrage de Soběnov (République tchèque)
  • Des pluies inattendues en 2005 ont touché le barrage Shakidor (Pakistan)
  • Une erreur informatique ou de l’opérateur (les jauges destinées à marquer que le barrage est plein n’ont pas été respectées et le barrage a continué de se remplir) a touché en 2005 le barrage de Lesterville (Missouri, États-Unis)
  • Le mauvais entretien et la forte pluie de mousson en 2009 ont touché le réservoir Taum Sauk à Tangerang, en Indonésie
  • Un accident de turbine en 2009 a touché le barrage de Sayano-Shushenskaya, en Russie

L’effondrement du barrage a toute une série de conséquences et crée de nouveaux types de dangers tels que environnementaux, écologique, économique, financier, social, socio-économique, politique et sur le patrimoine culturel, la réinstallation des populations autochtones, etc.
La rupture du barrage conduit généralement à de grandes pertes humaines, car la zone en dessous a généralement une population dense.

Dans le tableau ci-dessous, certaines des situations d’urgence liées aux barrages avec les pertes humaines les plus importantes sont mentionnées:

L’impact environnemental de la rupture du barrage peut être significatif: l’eau des crues peut couvrir de grandes surfaces, détruisant les conditions naturelles pour les plantes et la faune, mais il s’agit d’un impact à court terme. Il convient de prévoir des règles opérationnelles pour réglementer les flux en aval à des moments critiques pour protéger l’habitat.

Les risques environnementaux dus à l’érection du barrage dans un bassin fluvial sont encore plus graves, car le cycle naturel de l’eau peut être affecté. Lors de la conception du projet, des mesures d’atténuation devraient donc être prises en compte:

  • la végétation dans la zone à inonder doit être dégagée,
  • les structures de sortie devraient optimiser la température et la qualité de l’eau en aval pour préserver les conditions naturelles,
  • des mesures de migration des poissons et autres organismes aquatiques devraient être mises en œuvre.

De tels accidents entraînent également des pertes socio-économiques importantes: perte de propriété, perte de production, pertes dues à la non disponibilité du réservoir, chômage, ralentissement du développement économique, etc.
D’autres conséquences peuvent également apparaître, telles que la pénurie d’eau pour l’irrigation et les usages domestiques, l’agitation politique, etc. Les monumeants du patrimoine culturel peuvent également être endommagés à cause de fortes inondations.
Enfin, la création d’un réservoir peut également provoquer des tremblements de terre en raison d’une contrainte supplémentaire de l’eau sur la croûte terrestre ou d’une augmentation de la pression interstitielle dans les roches; Cet effet (sismicité induite par le réservoir ou SIR) peut être décrit comme déclenchement d’un événement naturel par l’action humaine.

Les risques naturels sont causés par des processus à grande échelle et il est très difficile d’éviter les conséquences dangereuses pour les barrages. La seule véritable méthode de réduction des risques de catastrophe consiste à concevoir le barrage de manière à résister ou à réduire l’impact des forces naturelles qui peuvent l’endommager. Dans le cas d’un tremblement de terre, cela est fait par une étude détaillée de la zone de construction: les failles actives, leur potentiel sismique, la période de récurrence des séismes, les propriétés géotechniques du site et la construction de celui-ci pour résister aux secousses sismiques sans dommages substantiels.
Contrairement aux dangers naturels à grande échelle, les dangers causés par l’homme peuvent être réduits par une intervention rapide. Par exemple, un bon réseau de surveillance en temps réel mesurant les déformations des barrages et des fondations peut signaler que les contraintes dans le système sont proches des valeurs critiques théoriquement prédites, estimées dans le processus de conception du barrage. Dans ce cas, le personnel d’exploitation du barrage peut diminuer le taux de remplissage / décharge pour diminuer la vitesse de déformation.

Un danger important lié au barrage causé par l’activité humaine est le phénomène de sismicité induite par les réservoirs (RIS). Il existe deux principaux modèles de RIS:

  • Impact du chargement direct de la croûte terrestre par le poids du lac;
  • Augmentation de la pression interstitielle du fluide en formation géologique poreuse

Dans le premier cas, la charge peut libérer la contrainte normale sur certains types de défauts tectoniques, diminuant ainsi la résistance au frottement aux contraintes tectoniques et facilitant le glissement le long de la faille, c’est-à-dire déclenchant le séisme.
Dans le second cas, la résistance au frottement de la faille diminue du fait de l’augmentation de la pression interstitielle. Comme la pression de l’eau dans les pores des roches augmente, il « lubrifie » les plans de glissement de la faille. Ceci active les failles, qui sont déjà soumis à une contrainte tectonique, mais qui sont empêchées de glisser par le frottement des surfaces rocheuses.
On ne sait toujours pas si la sismicité induite par le réservoir peut être prédite avec une précision suffisante, nécessaire pour la mise en œuvre de mesures pro-actives.
Dans le tableau ci-dessous sont présentés les principaux risques et les mesures de protection correspondantes:

Commentaire à la table:

(A) L’alerte interne déclenchée par une situation inhabituelle peut être gérée et contrôlée par le personnel du barrage.

(B) Une situation de développement existe lorsque l’incident observé tend à devenir une grave menace pour la sécurité du barrage et pour la population de la zone aval. À ce stade, on ne sait pas encore si la situation peut être maîtrisée.

(C) Une situation imminente s’est développée quand il est devenu évident que le progrès de l’incident ou de la menace ne peut être arrêté, mais que ses conséquences peuvent encore être atténuées, par exemple par l’évacuation de la population en danger.

The most important issue is to protect people and to prevent loss of life; therefore, the main aim is to have safe dams. All other issues are much less relevant as long as people’s lives are not at risk. That is why the design and use of dams should take into account all possible hazards.

By means of a fully operational water alarm system and emergency planning, the loss of lives can be minimized in the case of a dam failure.

Dam-related hazards can therefore, to some degree, be reduced by safety surveillance involving:

  • regular visual inspection of dam surfaces and foundations, the reservoir and other related constructions;
  • continuous instrumental monitoring of the dam and foundations. 

In the 1970s the time-consuming manual acquisition and processing of instrumental data was mitigated by the development of digital data-loggers and computers. The last step in the automation of monitoring systems was made recently through telemetry systems for remote acquisition of instrumental data: Automatic Data Acquisition Systems (ADAS). The idea of using monitoring systems for dam safety assessment is that continuous monitoring allows the identification of deviations of strains (tilts) in the dam body and its foundation using values providing stability of the edifice and calculated theoretically during dam design.

Training in emergency management is undeniably useful. For this purpose civil defence organisations and other institutions responsible for emergency management must hold regular training courses and people should be aware of what they have to do in the case of an emergency.
All other consequences can only be reduced effectively by land-use planning, which will take a long time to implement.

Finally, economic damage can be insured even if insurance is not the best solution; it only helps to cope with one of the many consequences of dam failure.

Il existe différentes façons de prédire le danger, à savoir les prédictions indépendantes du temps et dépendantes du temps (ces dernières sont également appelées prévisions). Les prévisions indépendantes du temps fournissent l’information sur les zones exposées au risque, leurs intensités prévues et les temps de récurrence.

Par exemple, le risque sismique est prédit de cette façon: les calculs statistiques permettent d’évaluer la probabilité d’occurrence (ou de non-occurrence) d’un événement dangereux d’une intensité donnée à un endroit donné dans un intervalle de temps donné: la base opérationnelle de tremblement de terre (OBE) avec un intervalle de récurrence de 237 ans doit être prise en compte, c’est-à-dire que la structure doit résister en toute sécurité à ce tremblement de terre sans dommage. Le risque d’inondation d’un barrage peut être prédit de la même façon: l’Inflow Design Flood (IDF) est utilisé pour concevoir et / ou modifier un barrage particulier, en particulier pour le dimensionnement des ouvrages de déversoir et de sortie. Toutes ces évaluations améliorent la résistance du barrage aux événements extrêmes.

Malheureusement, la prévision fiable du temps d’occurrence du tremblement de terre est toujours impossible. La prévision des inondations est plus réaliste car le suivi des paramètres météorologiques (données sur les précipitations, la température, la couverture de neige, etc.) permet de calculer le volume d’eau rejetée. Ensuite, les travaux de sorties spéciales peuvent réguler l’écoulement des eaux de crue.
Le risque de glissement de terrain peut également être surveillé par la technologie moderne (système de positionnement global ou GPS, détection de la lumière et systèmes d’alignement ou LIDARS, radar à ouverture synthétique inverse ou INSAR), qui fournit la valeur du déplacement des points de surface; La surveillance régulière de la vitesse du mouvement de masse donne une base solide pour la prédiction de l’état critique, qui peut être causée par les fortes pluies, la fonte intensive de la couverture de neige, etc.

Comme pour le zonage sismique, le «zonage des inondations» (traçage des cartes d’inondation) est très utile pour prédire l’ampleur de l’inondation potentielle, la hauteur de l’eau et le temps d’arrivée de la vague frontale. Il est possible de calculer plus précisément le scénario temps-espace d’inondation en utilisant des cartes numériques d’élévation détaillées.

De nombreux risques liés aux barrages peuvent être évités grâce à une étude géologique, géophysique et technique approfondie de l’emplacement futur du barrage.

Les questions les plus importantes pour évaluer correctement les dangers sont générées par:

  • les failles tectoniques actifs
  • glissements de terrain et stabilité des talus
  • grande perméabilité de la roche ou du sol entourant le barrage
  • débits de crue
  • assèchement du réservoir
  • impacts sur les habitations humaines
  • impacts négatifs sur les pêches fluviales, les forêts et la faune

Bien entendu, les risques naturels à grande échelle (comme les tremblements de terre) ne peuvent pas être évités, mais il est possible de prévoir des secousses fortes attendues dans la conception du barrage. Les mêmes mesures préventives peuvent être prises contre les risques technologiques par des inspections régulières ou par des systèmes de surveillance spéciaux.

L’atténuation des effets des tremblements de terre et des risques d’inondation est possible en tenant compte, lors de la conception du barrage, de l’intensité attendue des secousses sismiques (SST) et de la forte probabilité d’inondation (Inflow Design Flood, IDF).
Les établissements humains devraient également être planifiés en tenant compte des impacts possibles des vagues de crue. L’installation de systèmes de surveillance et d’alarme réduit considérablement le risque de pertes humaines.
Bien sûr, une police d’assurance correcte est très importante pour l’atténuation des catastrophes liées au barrage.

  1. Avant l’accident:
    1. La détection précoce des signes de détresse est essentielle à la sécurité des barrages. Si l’affaiblissement de la structure est détecté à un stade très précoce, des mesures correctives peuvent être prises pour la réparer et l’empêcher de devenir un danger. Même si la détection des problèmes structurels se produit relativement tardivement, des mesures peuvent être prises pour en atténuer les effets, par exemple en abaissant les niveaux d’eau. Même si elle est détectée seulement quelques heures avant une brèche, cela permettrait encore une action pour sauver des vies et des biens.
    2. Connaître la zone d’inondation potentielle: Comme tous les types de modélisation, la modélisation des inondations est une approximation réaliste et nous donne une image générale. Le logiciel de simulation pour la modélisation des inondations est utilisé pour calculer les profondeurs d’eau et les vitesses en cas d’effondrement du barrage. Les résultats peuvent être utilisés pour l’analyse de l’effondrement du barrage, la gestion des catastrophes, la planification de l’évacuation, l’évaluation des dommages causés par les inondations, l’analyse des risques et la planification du paysage, de l’infrastructure et de l’urbanisme.
    3. Connaître les sites élevés, où l’on peut chercher refuge (collines, étages supérieurs de bâtiments résistants)
    4. Connaître le signal d’alarme.

    a. Système d’alarme et signaux d’alarme utilisés en France (Ministère du Développement Durable)

b) Signe international spécial pour les ouvrages et installations dangereux

Pendant l’accident:

Atteindre dès que possible les sites élevés.

Afin d’identifier les risques auxquels un barrage donné est enclin, les types de cartes suivants sont pertinents:

  1. Cartes numériques d’altitude pour la modélisation des effets d’inondation potentiels;
  2. Cartes géologiques montrant le matériau terrestre sur lequel le barrage est érigé;
  3. Cartes de failles tectoniques actives, sources possibles de séismes et de déformations lentes;
  4. Carte des risques sismiques, présentant pour un site donné l’impact prévu du séisme;
  5. Cartes géomorphologiques, délimitant les sources possibles de mouvements de masse (glissements de terrain, écoulements de débris, etc.);

La carte de modélisation des inondations montrent la hauteur et la vitesse de l’onde de crue et la dynamique d’inondation dans le domaine temporel:

Les principaux dangers liés au barrage sont les secousses sismiques et les débordements dus à la descente d’un glissement de terrain ou à une grande inondation. Le barrage doit être conçu pour résister à l’intensité de secousses choisie (c’est-à-dire au tremblement de terre maximal MDE). Pour le calcul de l’impact sismique potentiel, les cartes des failles tectoniques actives de la zone sont compilées d’abord. L’intensité et l’intervalle de récurrence des tremblements de terre générés par ces failles sont ensuite évalués et enfin l’impact du tremblement de terre (l’accélération spectrale du sol) sur la zone du barrage est calculé. Il est également important de prendre en compte les conditions du site (sol) et de connaître la fréquence naturelle du barrage, car à cette fréquence de secousses le barrage est le plus vulnérable.
Si toutes ces informations sont prises en compte lors de la conception et de la construction du barrage, la résistance sismique de la structure du barrage est garantie.