Département de génie civil (Laboratoire de géologie de l'ingénieur et de l'environnement GEOLEP)

Les circulations d'eau dans les massifs cristallins alpins et leurs relations avec les ouvrages souterrains

Maréchal, Jean-Christophe ; Parriaux, Aurèle (Dir.)

Thèse Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 1998 ; no 1769.

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    Summary
    The present study has been achieved within the framework of the scientific program AQUALP, supported by the EVIAN Foundation. Its theme is the study of the hydrogeology of the Alpine crystalline. The AQUALP programme consists of two co-coordinated parts : while the "source" part, lead at the Savoy University, studies natural circulation towards springs, the "work" part, which concerns this study, has focused on the interaction between civil engineering works and underground waters. The approach adopted is that of a field study during which water inflows encountered in various Alpine underground works and replaced in their geological contexts were followed up as from the discharge, the physico-chemical and the isotopic chemistry point of view. A tracer test and numerical simulations of underground flows were also undertaken. Main results The summary of the hydrogeological data in the numerous existing underground works allowed to calculate, on the basis of simple analytical solutions, the distribution of the hydraulically conductivity of the massifs crossed. These results show that the deeper one goes the more the hydraulical conductivity decreases. They bring us to specify the thickness of the decompressed zone, i.e. about 500 m. This zone strongly influences the underground flow in these massifs. Presence of mica inhibits the hydraulical conductivity in conferring a more plastic comportment to the rocks during past tectonic phases. The temperature of the water inflows encountered is a complex function of the thickness of the overlying rock and the quantity of waters circulating in the massif. Therefore it constitutes a precious indicator, during the excavating of underground works, of the presence of possible more permeable sections in formations to come. A numerical simulation of such a case has been undertaken and shows the possibility of using this tool to improve the expectation of water inflow in the work. The temperature study as well as the application of the chalcedony geothermometer to the entire of the inflow studied has shown the existence of ascending flow systems, fed by precipitation. Waters circulating in the Alpine massifs have a chemical composition strongly influenced by the reservoir rock. Chemical analyses of major and trace elements have allowed to distinguish waters issued from the various petrographies encountered. One must first of all underline the complementarity of major and trace elements analyses. The discriminating power of these two types of analyses does not apply to the same type of rocks. The major structures hydraulically conductive in crystalline Alpine massifs have been defined. One can mainly quote isolated fractures, strongly fractured and tectonised zones, kakirite zones, the decompressed zone, the down-bending zone, contacts between distinctive hydrogeological units and large metasedimentary structures. Hydraulical and physico-chemical characteristics of waters associated to each type of defined structures have been determined. These structures are straightened and induce water circulation close to the vertical, from the surface towards the work. The infiltration zones of waters determined on the basis of the orientation of major structures generally coincides with the altitudes calculated on the basis of isotopic analyses of waters (0-18). Some anomalies have nevertheless been put into evidence. They are mainly relative to circulation in the decompressed zone or in overlying Quatemary beds. Relationship between surface waters (barrier lakes or rivers) and underground works have also been put in evidence on the basis of the interpretation of isotopic results. Numerous water inflows are poor in tritium and attest of the time of transit through to the work in the order of a number of decades, in relation with the weak permeability observed in depth. These waters are often rich in sodium, because of the alteration of silicates contained in rocks. More recent waters have been encountered in shallow depths, in the decompressed zone or in association with a great geological fault. The examples of the interaction between underground works and springs are systematically linked to important water inflows in the works either through a decompressed zone of the massif, or through a particularly transmissive zone connected with the surface. These examples show that in this fissured environment, extremely divided into compartments and anisotropic, the drying up of springs is not linked with the progressive lowering of a water table along side the work but at punctual and localized inflows. A conceptual model of the hydrogeology of the Alpine crystalline is proposed in this study. It is accompanied with an interaction model between a work and the natural middle. It must help the project manager to foresee the water inflows in underground works and to adopt the optimal solution to minimize the impact of the work on water resources.
    Résumé
    Le présent travail a été réalisé dans le cadre du programme scientifique AQUALP, soutenu par la Fondation EVIAN. Son thème est l'étude de l'hydrogéologie du cristallin alpin. Le programme AQUALP comporte deux volets coordonnés : tandis que le volet "sources", mené à l'Université de Savoie, s'intéresse aux circulations naturelles vers les exutoires superficiels, le volet "ouvrages" qui constitue ce travail s'est focalisé sur l'interaction entre les ouvrages du génie civil et les eaux souterraines. L'approche adoptée est celle d'une étude de terrain durant laquelle des venues d'eau rencontrées dans divers ouvrages souterrains alpins et replacées dans leur contexte géologique ont été suivies du point de vue des débits, de la physico-chimie et de la chimie isotopique. Un essai de traçage ainsi que des simulations numériques des écoulements souterrains ont également été réalisés. Principaux résultats L'inventaire des données hydrogéologiques dans les nombreux ouvrages souterrains existants a permis de calculer, sur la base de solutions analytiques simples, la distribution de la conductivité hydraulique des massifs traversés. Ces résultats montrent la diminution de la conductivité hydraulique avec la profondeur. Ils nous amènent à préciser l'épaisseur de la zone décomprimée, soit 500 m environ. Cette zone influence fortement les écoulements souterrains dans ces massifs. La présence de micas inhibe la conductivité hydraulique en conférant aux roches un comportement plus plastique lors des phases tectoniques passées. La température des venues d'eau rencontrées est une fonction complexe de l'épaisseur de la couverture rocheuse sus-jacente et de la quantité d'eau circulant dans le massif. Elle constitue dès lors un indicateur précieux, lors du creusement d'un ouvrage souterrain, de la présence d'éventuels tronçons plus perméables dans les terrains à venir. Une simulation numérique d'un cas de ce genre a été effectuée et montre la possibilité d'utiliser cet outil pour améliorer la prévision des venues d'eau dans l'ouvrage. L'étude des températures ainsi que l'application du géothermomètre calcédoine à l'ensemble des venues étudiées a montré l'existence de systèmes d'écoulement ascendants, alimentés par les précipitations. Les eaux circulant dans les massifs alpins possèdent une composition chimique fortement influencée par la nature de la roche réservoir. Les analyses chimiques des éléments majeurs et en traces ont permis de distinguer les eaux issues des diverses pétrographies rencontrées. On soulignera avant tout la complémentarité des analyses des éléments majeurs et en traces. En effet, le pouvoir discriminant de ces deux types d'analyses ne s'applique pas aux mêmes roches. Les structures majeures hydrauliquement conductives dans les massifs cristallins alpins ont été définies. On citera principalement les fractures isolées, les zones fortement fracturées et tectonisées, les zones de kakirites, la zone décomprimée, la zone fauchée, les contacts entre unités hydrogéologiques distinctes et les grandes structures métasédimentaires. Les caractéristiques hydrauliques et physico-chimiques des eaux associées à chacun des types de structures définis ont été déterminées. Ces structures sont très redressées et induisent des circulations d'eau proches de la verticale, de la surface vers l'ouvrage. Les zones d'infiltration des eaux déterminées sur la base de l'orientation des structures majeures coïncident généralement avec les altitudes calculées sur la base des analyses isotopiques (0-18) des eaux. Quelques anomalies ont cependant été mises en évidence. Elles sont relatives principalement à des circulations dans la zone décomprimée ou dans des terrains de couverture quaternaire. Des relations entre les eaux de surface (lacs de retenue ou rivières) et les ouvrages souterrains ont également été mises en évidence sur base de l'interprétation des résultats isotopiques. De nombreuses venues d'eau sont pauvres en tritium et attestent de temps de transit jusqu'à l'ouvrage de l'ordre de plusieurs décennies, en relation avec les faibles perméabilités observées en profondeur. Ces eaux sont souvent riches en sodium, du fait de l'altération des silicates contenus dans la roche. Les eaux plus récentes ont été rencontrées à faible profondeur, dans la zone décomprimée ou en association avec un grand accident géologique. Les exemples d'interaction entre les ouvrages souterrains et les sources sont systématiquement liés à d'importantes venues d'eau dans les ouvrages au travers soit de la zone décomprimée du massif, soit d'une zone particulièrement transmissive connectée avec la surface. Ces exemples montrent que dans ce milieu fissuré, extrêmement compartimenté et anisotrope, le tarissement de sources n'est pas lié à un abaissement progressif d'une nappe le long de l'ouvrage mais à des venues très ponctuelles et localisées. Un modèle conceptuel de l'hydrogéologie du cristallin alpin est proposé dans ce travail. Il est accompagné d'un modèle d'interaction entre un ouvrage et le milieu naturel. Il doit aider le maître d'oeuvre à prévoir les venues d'eau dans les ouvrages souterrains et à adopter la solution optimale pour minimiser l'impact de l'ouvrage sur les ressources en eau.