Faculté de l'environnement naturel, architectural et construit ENAC, Section de génie civil, Institut des infrastructures, des ressources et de l'environnement ICARE (Laboratoire de géologie de l'ingénieur et de l'environnement GEOLEP)

Méthodes d'analyse du fonctionnement hydrogéologique des versants instables

Tullen, Pierre ; Parriaux, Aurèle (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2002 ; no 2622.

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    Summary
    Significant progress was made these last decades in the development of hydrogeological methods. However, these new methods are still very little used in the problematics of unstable slopes, mainly because of the hydrogeological complexity, which characterizes them (thin aquifers, discontinuous media, succession of saturated and unsaturated zones, lower permeability, higher hydraulic gradients, evolution of the permeability in time in relation to slope movements, etc.). Consequently, the approach usually developed to study slope instabilities is based on the setting-up of relations between hydroclimatologic parameters and slope movements. This approach exclusively concentrates on causes and effects, without developing the processes induced by these causes and responsible for these effects. This "black-box" type of relation is in some cases satisfactory, but in others, the analysis of the induced hydrogeological processes becomes essential to understand the functioning of the instability phenomenon and to predict the movements. Our project aims at introducing this missing link to allow a better understanding of the hydrogeological processes caused by particular hydroclimatologic conditions. It is a matter of determining the relation between hydroclimatologic phenomena and a critical hydrogeological state, which can lead a phenomenon of instability to reactivation or to a state of rupture. Unfortunately, this relation cannot be approached in the same way for all instabilities throughout the world. Owing to the specificity of each slope, the relation must be established individually, which may lead to a hydrogeological typology of unstable slopes. Accordingly, we propose a methodology comprising a succession of stages that are useful for the understanding of the hydrogeological processes underlying slopes. This approach aims at establishing a hydrogeological assessment on the scale of the slope or, if necessary, on a regional scale, in order to determine groundwater infiltration zones, trajectory and velocity of groundwater run-off as well as outlet areas. The usual ways of doing this are generally the measurement of the river flow rate, a pluviometric follow-up or direct hydrogeological measurements via piezometers. These traditional approaches generally remain limited by problems of space representativeness or life span; on top of this come problems of cost due to the often chaotic morphology of the slope instabilities and the fact that they are not easily accessible. To make up for these various problems, we propose a complete methodological approach to improve the understanding of the groundwater run-off systems for the unstable slopes: A characterization of the geological domain based on geophysical measurements in addition to the borehole data. This approach, original in the specific context of unstable slopes, makes it possible to obtain a three-dimensional representation of the heterogeneity which composes the subsurface grounds in a fast, efficient and economic way; A spatialization of the climatologic observations in order to take into account the distribution of the precipitations while considering the various states (rain and/or snow) that constitute the water contribution to a slope in relation to altitude; A hydrogeochemical characterization of the outlets, which makes it possible to assess the general groundwater circulation system within the slope, and to come to a decision about one or several possible trajectories of groundwater run-off; An isotopic characterization of the outlets, which allows estimating the altitude of infiltration of the groundwater. This characterization can also give some information on the infiltration zones. These methods also make it possible to characterize the general groundwater run-off system. In some cases, it is also possible to come to a conclusion, quantitatively speaking, concerning the mixing between several reservoirs and to estimate the time of residence of the water in the aquiferous system; A qualitative validation of the assumptions on the basis of artificial tracing tests which will attest the existence of hydrogeological connections between a catchment area and an outlet. This approach will also inform about the time of residence of water; A validation of the conceptual model on the basis of a bi- or three-dimensional numerical simulation of the groundwater run-off in order to validate the hydrological and hydrogeological relations. The calibration of these numerical models is based on a set of hydrogeological data, in particular the outlet discharge, the isotopic composition of water and/or their hydrochemical composition. These strictly hydrogeological numerical simulations can then be translated into a mechanical state to evaluate the stability of the slope. The whole of the points suggested by this methodological approach is not always essential to determine the hydrogeological processes that govern each slope. According to the characteristics of each study site and the means at disposal, some could be treated only partly, or not at all, depending on the established objectives. In the end, a hydrogeological typology of the unstable slopes should make it possible to propose a standard methodological approach and specific tools for analysis in direct relationship to the hydrogeological context which characterizes each slope. The methodological approach suggested in this PhD thesis was tested and validated on three representative sites through Switzerland and the alpine arc that present quite distinct characteristics of hydrogeological functioning. They are the slopes of Hohberg in the canton of Fribourg, Triesenberg in the Principality of Liechtenstein and Peney in the canton of Geneva. This validation phase allowed to assess the hydrogeological functioning of the three studied slopes and to evaluate the relation between the hydrogeological processes and the phenomena of instability. An approach such as that presented in this study opens up prospects to carry out means of sustainable stabilization with an aim of solving problems of slope instabilities.
    Résumé
    Des progrès significatifs ont été réalisés ces dernières décennies dans le développement des méthodes hydrogéologiques. Toutefois, ces nouvelles méthodes sont encore très peu utilisées dans la problématique des versants, notamment en raison de la complexité hydrogéologique qui les caractérise (aquifères minces, milieux discontinus, succession de zones saturées et non saturées, faibles perméabilités, gradients hydrauliques élèves, évolution des perméabilités au cours du temps en relation avec les mouvements de terrain, etc.). Par conséquent, l'approche usuelle développée pour étudier les problèmes d'instabilité de versant se base sur l'établissement de relations entre des paramètres hydroclimatologiques et des déplacements. Cette approche s'intéresse exclusivement aux causes et aux effets, sans développer les processus induits par ces causes et responsables des effets. Cette relation de type "boîte noire" est dans certains cas satisfaisante, mais dans d'autres, l'analyse des processus hydrogéologiques induits devient indispensable pour comprendre le fonctionnement du phénomène d'instabilité et prédire les mouvements. Par conséquent, notre projet vise a introduire ce maillon manquant pour permettre une meilleure compréhension des processus hydrogéologiques provoqués par des conditions hydroclimatologiques extrêmes. Il s'agit de déterminer la relation entre des phénomènes hydroclimatologiques et un état hydrogéologique critique qui peut conduire un phénomène d'instabilité à un état de réactivation ou de rupture. Cette relation ne peut malheureusement pas être abordée de manière unilatérale pour l'ensemble des instabilités à travers le monde. Elle doit être établie de cas en cas en raison de la spécificité de chaque versant, ce qui pourra conduire à une typologie hydrogéologique des versants instables. Pour cela, une méthodologie qui comporte une succession d'étapes utiles à la compréhension des processus hydrogéologiques des versants est proposée. Cette approche vise à établir un bilan hydrogéologique à l'échelle du versant, ou à l'échelle régionale si cela s'avère nécessaire, dans le but de déterminer les zones d'infiltration qui vont alimenter le versant, le trajet et les vitesses des écoulements souterrains et les zones d'exutoire. Pour cela, il existe des moyens standards qui sont constitués par des mesures de débit des rivières, un suivi pluviométrique ou encore des mesures hydrogéologiques directes (essais de pompage, niveau piézométrique, pressions interstitielles) par l'intermédiaire de piézomètres. Ces approches restent généralement limitées par des problèmes de représentativité spatiale ou des problèmes de durée de vie, auxquels il faut malheureusement ajouter des problèmes de coût en raison de conditions d'accès souvent difficiles liées à la morphologie souvent chaotique des instabilités de versant. Pour remédier à ces différents problèmes, nous proposons une démarche hydrogéologique complète qui comprend: Une caractérisation du domaine géologique basée sur des mesures géophysiques rapides en complément des données de forage. Cette approche, originale dans le contexte des instabilités de versant, permet d'obtenir une représentation tridimensionnelle de l'hétérogénéité qui compose les terrains de subsurface; Une distribution spatiale des observations climatologiques pour tenir compte de la répartition des précipitations en considérant leurs différents états (pluie et/ou neige) qui constituent les apports en eau d'un versant en relation avec l'altitude; Une caractérisation hydrogéochimique des exutoires qui permet d'apprécier le fonctionnement général des écoulements au sein du versant et de déterminer un ou plusieurs trajets d'écoulements souterrains possibles; Une caractérisation isotopique des exutoires qui permet d'estimer l'altitude d'infiltration des eaux souterraines, ce qui donne une information sur la localisation des zones d'infiltration. Ces méthodes permettent également de caractériser le fonctionnement général des écoulements souterrains. Dans certains cas, il est aussi possible de se prononcer de manière quantitative sur le mélange entre plusieurs réservoirs et d'estimer un temps de transit moyen de l'eau dans le système acquière; Une validation qualitative des hypothèses sur la base d'essais de traçage artificiel qui vont attester l'existence de liaisons hydrogéologiques entre un bassin d'alimentation et un exutoire, renseigner sur les temps de transit et déterminer le type de milieu rencontré; Une validation du modèle conceptuel sur la base d'une simulation numérique bi- ou tridimensionnelle des écoulements souterrains dans le but de valider des relations hydroclimatologiques et hydrogéologiques. La calibration de ces modèles numériques se base sur un ensemble de données hydrogéologiques, dont notamment le débit des exutoires, la composition isotopique des eaux ou leur composition hydrochimique. Ces simulations hydrogéologiques pourront ensuite être exportées vers un modèle numérique mécanique pour évaluer la stabilité du versant. L'ensemble des points proposés par cette démarche méthodologique n'est pas toujours indispensable pour déterminer les processus hydrogéologiques qui régissent chaque versant. Selon les caractéristiques du site d'étude et les moyens à disposition, certaines pourront n'être traitées que partiellement, voire pas du tout, selon les objectifs établis. A terme, une typologie hydrogéologique des versants instables devrait permettre de proposer une approche méthodologique type et des outils d'analyse spécifiques en relation directe avec le contexte hydrogéologique de chaque versant. La démarche méthodologique proposée dans cette thèse a été testée et validée sur trois sites qui présentent des fonctionnements hydrogéologiques bien distincts à travers la Suisse et l'arc alpin. Il s'agit des versants du Hohberg dans le canton de Fribourg, du Triesenberg dans la Principauté du Liechtenstein et de Peney dans le canton de Genève. Cette phase de validation a permis d'apprécier le fonctionnement hydrogéologique des trois versants étudiés et d'évaluer la relation entre les processus hydrogéologiques et les phénomènes d'instabilité. Une approche telle que celle proposée par ce travail ouvre des perspectives pour proposer des projets d'assainissement durable dans le but de stabiliser des phénomènes d'instabilité de versant.