Implémentation d'un modèle numérique de couplage hydromécanique des discontinuités géologiques

La présence d'une exploitation minière a des répercussions importantes sur le milieu qui l'entoure. D'un point de vue mécanique, les excavations entrainent le transfert des contraintes initiales sur une portion plus restreinte du massif. D'autre part, les lieux de stockage des rejets miniers créent de nouvelles surcharges. D'un point de vue environnemental, l'apparition de zones excavées bouleverse le réseau d'écoulement initial et la possible création de drainage minier acide est une menace directe pour le biotope. Le massif dans lequel se déroule l'exploitation minière est généralement parcouru par des discontinuités géologiques témoignant de son histoire tectonique. Le long d'une discontinuité, la modification des contraintes in situ génère des déformations. Ces déformations (ouverture ou fermeture de la discontinuité) modifient les caractéristiques hydrauliques du réseau d'écoulement. Ces modifications changent la répartition des pressions interstitielles et par là-même, celle des contraintes effectives qui agissent dans le massif. La relation qui existe entre grandeurs mécaniques (ouverture mécanique et contrainte effective) et les grandeurs hydrauliques (pression interstitielle, débit et ouverture hydraulique) constitue le comportement hydromécanique du massif. Les discontinuités constituent, à la fois, des chemins d'écoulements préférentiels pour l'eau souterraine et des zones de faiblesses mécaniques du matériau. Il est donc essentiel, pour comprendre le comportement hydromécanique d'un massif fracturé, de s'intéresser au comportement hydromécanique des discontinuités qui le parcourent. Cependant, lors des modélisations, les comportements hydrauliques et mécaniques sont souvent évalués individuellement par manque de modèles et d'outils adéquats. Le présent travail propose ainsi un modèle de couplage entre contraintes mécaniques et pressions interstitielles le long d'une discontinuité géologique. Le modèle de couplage a été implémenté dans le logiciel FLAC 2D, en utilisant le langage natif du logiciel : FISH. Le modèle analytique retenu est le modèle CSDSw (pour Complete Stress Displacement Surface withWater) qui propose une relation entre contraintes effectives et déformations ainsi qu'une expression de la dilatation du joint sous forme de double exponentielle. Le mode de couplage est de type discret, direct et la discontinuité est supposée saturée. C'est-à-dire que les joints sont modélisés individuellement et les pressions sont actualisées en même temps que les pressions interstitielles lors des étapes de calculs. Le modèle est validé en le comparant à des essais de la littérature. Il est également appliqué à des exemples typiques.

Abstract

A mine site has important effects on its surrounding area. In a mechanical point of view, loads previous to mining are redistributed on a smaller part of rock mass. Moreover, mining wastes storage parks overload local areas of the rock mass. In an environmental point of view, the excavated zones disturb the hydrogeological flow and possible creation of acid waters is a direct hazard for wildlife. The mining operations generally take place in a rock mass which contains discontinuities. These discontinuities result from the tectonical history of the rock. Along a discontinuity, a change in local stresses brings deformations. Deformations modify the hydrogeological behavior of the discontinuity. Pore pressures are thus modified and effective stress are modified too. Relationship between mechanical values (mechanical aperture and effective stress) and hydrological values (hyrdaulic aperture, pore pressure and flow) is the hydromechanical behavior of the rock mass. This behavior is entirely conditionned by the one of discontinuities as they are both preferential flow path for underground water and weakness zones. However, hydrogeological studies and mechanical studies are generally performed separately due to a lack of efficient models. In the present document, a hydromechanical model for rock joints is introduced. The coupled model is implemented with FLAC embedded language~: FISH. The chosen analytical model is the CSDSw (stands for Complete Stress Displacement Surface with water) model which consists in a stress -- strain relation and a dilation -- shear displacement relation. Both of these relations are made from two exponential forms. It is a discrete and direct coupling model, which respectively means that joint are individually modeled and pore pressures are updated at the same time as stresses. The model has been validated by comparisons with tests reported in literature. Some typical applications of it are also shown.