De certains effetshydromécaniqueslors du creusementet de l'exploitationde galeries de stockageen milieu fracturé

cet article porte sur une analyse, par modélisationnumérique, du comportement hydromécanique desouvraçtes de stockage creusés en milieu fracturé. on acherché à évaluer, à l'aide du logiciel 3DEC, les variationsde pression hydraulique, de déplacement, de contrainteet de débit dans les fractures qu'intersecte une galeriecirculaire au cours de son creusement. Nous avons pumontrer l'importance des effets mécaniques, puisquantifier la sensibilité des résultats à la position, à laraideur et à l'orientation des fractures.

Mots-clés ; stockage souterrain, hydromécanique, 3DEC,fracture.

A. T.HO tINË'RIS, Ecole supérieure

des mrnes de NanryParc de Saurupt

54A42 Nancy CedexaI ain. th o r av al @in eris. fr

N. GATELIER

T, YOUGEOSTOCK

7, rue E.-et-A. -Peugeot92563 Rueil-Malmaisdn

C ed.exnga@geostock.frtyo@geostack.fr

l'SlIEl=Itll.GllÉ,

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NDIR : les discussions surcet article sonf acceptéesjusqu'au 1"' awil 2006.

About some hydromecanical effectso ccurring during exc avationand exploitation of storage worksin fractured rockmass

This article deals with the anaiysis of hydraulic behaviour ofstorage works excavated in fractured rock using numericalmodelling. The 3D distinct element code 3DEC is used to assessthe variations of water pressure, displacement, stress, flow-ratein the fractures intersected by a circular galiery. We could showthe importance of the mechanical effects, and then quantify thesensitiviW of the results to the localization, the stiffness and theorientation of the fractures.

Key words: underground storage, hydromechânics, 3DEC,fracture.

41REVUE FRANçAIsE or cÉorrclNteuE

N" 1134e trimestre 2005

Elntroduction

La prévision des conditions hydrogéologiquesautour d'un stockage souterrain d'hydrocarbure encavités minées non revêtues est de la plus grandeimportance puisque le confinement du produit stockéest assuré par la présence d'écoulements convergentsen tous points de la paroi de la cavité du massif vers lesgaleries de stockage (Amantini et a1.,2005, van Hasseltet al., 2003). lJn système dit de rideaux d'eau est sou-vent nécessaire pour éviter la désaturation du massif etassurer la stabilité de la nappe pendant les phases deconstruction et d'opération.

La compréhension préalable de possibles effetshydromécaniques couplés sur les critères de stabilité etde confinement du produit présente donc un intérêtparticulier pour le dimensionnement de l'ouwage. Eneffet, les fissures sont des chemins préférentiels pourles écoulements or les essais de cisaillement au labora-toire (Gentier, 2002) montrent que la transmissivitéd'une fissure est fortement affectée par les contraintesnormales s'exerçant sur les épontes et par le cisaille-ment (effet de dilatance). La redistribution descontraintes induites par le creusement modifie donc laperméabilité du massif autour de l'ouwage.

L'influence du couplage hydromécanique a été clai-rement mise en évidence par (Rutqvist, 2003) pour desproblèmes aussi divers que la géothermie, le stockagede radionucléides,, de matière polluante, d'hydrocar-bure, de C Or, \a construction d'ouwage de génie civil(barrage, tunnel) ou des problèmes de stabilité de frontrocheux ou d'ancienne exploitation minière.L'éTude deces phénomènes a nécessité ces dernières années ledéveloppement d'outils numériques adaptés. Sans vou-loir faire une présentation exhaustive de l'état de l'art(nous renvoyons le lecteur à la synthèse faite par (Jing,2003)), nous citons plus loin quelques travaux récentsrelatifs à cette problématique.

Le but de l'étude présenté dans cet article estdouble : d'une part vérifier la pertinence de l'outilnumérique choisi (3DEC) pour la modélisation du com-portement couplé hydromécanique des milieux fractu-rés, d'autre part estimer l'influence du creusement del'ouwage de stockage sur les conditions hydrauliquesdans les fissures.

Dans la plupart des cas,, compte tenu de la géomé-trie des ouwages et de l'orientation de la fracturation,les effets hydromécaniques ne peuvent pas être appré-hendés correctement en deux dimensions. Nous avonsdonc souhaité utiliser un outil de simulation tridimen-sionnel pour quantifier l'influence de la fracturation(position et orientation) sur le comportement hydromé-canique d'une galerie de stockage au cours de soncreusement et de son exploitation.

Pour cette première approche nous avons sciem-ment choisi des hypothèses simplificatrices fortes, lebut n'étant pas de modéliser un stockage réel, afin depouvoir dégager clairement f influence des paramètresétudiés. Les hypothèses simplificatrices portent princi-palement sur :

- la géométrie de la galerie supposée circulaire ;

- la distribution et l'orientation des fractures considé-rant un nombre limité de fractures d'extension infinie à

pendage vertical et orientées par rapport à l'axe de la

A O galerie;+'/IL

- la loi de comportement de la matrice rocheuse et desfractures, supposée élastique linéaire ;

-le caractère monophasique des écoulements.

Dans une première partie nous vérifierons le bonfonctionnement du modèle tridimensionnel pour unegéométrie adaptée à une comparaison 2D /3D. Dans laseconde partie, les simulations portent sur une galeriede stockage où est tout d'abord évaluée l'importancede la prise en compte des effets gravitaires et méca-niques. Le modèle est utilisé ensuite pour quantifier lasensibilité des résultats à la position, à la raideur et àl'orientation des fractures intersectant l'ouvrage.

EMise au point etvérificationdu mod èle tridimensionnelpour une géom étrie adap téeà une comparaison 2D/3D

WApproches pour modéliserle comportement hydromécaniquedes milieux fracturés

Deux grands types d'approche ont été utilisés pourdécrire le comportement hydromécanique d'un réseaude fractures :

- l'approche continue, qui suppose que le milieu frac-turé peut être décrit par un milieu continu équivalent.Les techniques d'homogénéisation sont applicableslorsque les fractures sont petites devant le volume élé-mentaire représentatif (VER) du massif fracturé etqu'elles sont bien connectées. Tous les codes de calculsimulant le comportement hydromécanique desmilieux poreux peuvent, a priori, être utilisés dans lecadre de cette approche. Cette approche n'est pasadaptée lorsque la densité du réseau de fracture estfaible et ne pourra donc être retenue dans notre câs ;

- l'approche discrète qui suppose que la localisation et lagéométrie exacte des fractures sont connues. Les outilsles plus fréquemment utilisés dans ce cas sont les codesUDEC (ITASC A, 1993) ou 3DEC (ITASCA 1994), (Damja-nac 8., 1994), développés par Cundall depuis 1971et1986, et basés sur les méthodes des éléments distincts,bien qu'ils négligent aujourd'hui les écoulements à tra-vers la matrice poreuse. Des efforts ont été faits ces der-nières années pour simuler le comportement hydromé-canique des fracfures dans des codes initialement conçuspour décrire uniquement le comportement hydrom éca-nique des milieux poreux continus. On citera notammentles codes MPLEF (Tijani, 1996), CASTEM 2000 & TRIO-EF (Millard, 1999), ROCMAS (Rutqvist,2002).

ffiffiDescription du logiciel 3DEC

Les calculs tridimensionnels de cette étude sont réa-lisés avec le logiciel 3DEC développé par la sociétéITASCA. Ce logiciel est la version tridimensionnelle dulogiciel UDE C (Universal Distinct Element Code) conçuexclusivement pour le calcul en deux dimensions.

REVUE FRANÇAIsE or cÉomcHNtQUEN'1134€ trimestre 9005

ce logiciel a été développé spécifiquement poursimuler la réponse quasi statique ou dynamique d'unmilieu rocheux fracturé à une sollicitation. Dans 3DEC,la modélisation du massif rocheux fracturé est faite parun assemblage 3D de blocs rigides ou déformablesavec possibilité de grands déplacements et rotations.Plusieurs lois de comportement mécaniques sont dis-ponibles pour les joints et la matrice rocheuse.

IJn module hydraulique et hydromécanique est dis-ponible depuis la version 3.00.073 de 3DEC. Le principedes calculs hydromécaniques est similaire à celui ducalcul fait avec UDEC mis à part le fait que le milieufracturé soit supposé totalement saturé (pas de milieunon saturé dans la version actuelle). Dans le cadre decette étude, c'est la version 3.00.088 qui a été utilisée.Les calculs ont été faits en double précision.

L'écoulement dans 3DEC est consid éré commelaminaire. I1 est régi par la loi cubique. Deux algo-rithmes permettent des calculs d'écoulement en régimetransitoire suivant que l'on considère le fluide commecompressible ou incompressible.

Les calculs hydromécaniques supposent une varia-tion de l'ouverture hydraulique des fractures avec lesvariations de la contrainte normale exercée sur sesépontes et de la pression hydraulique en son sein sui-vant la relation :

à=ào+AUnOU:

- a0 est défini comme cr l'ouverture hydraulique corres-pondant à 1'état de contrainte et de pression initialeavant creusement de l'ouvrage )). Les variations del'ouverture hydraulique des fractures seront donc uni-quement liées au creusement de la galerie ;

- la fermeture mécanique au., s'obtient en divisant lacontrainte normale effective exercée sur les épontes dela fracture par la raideur normale de la fracture selonla formule :

Arn - - Ao n'/ Kn

- sachant que, par ailleurs, la variation de la contraintenormale effective s'obtient en soustrayant la variation dela pression hydraulique à la variation de la contraintenormale totale, selon la relation de Terzaghi:

Aon' = Âon - AP (3)

Les logiciels UDEC et 3DEC respectent les conven-tions suivantes : la variation de la contrainte normale(totale ou effective) s'exerçant sur un joint est comptéepositivement si la compression mécanique du joint aug-mente alors que la variation de la fermeture mécaniqueaun correspondante est comptée négativement. Dans lamatrice rocheuse consid érée comme imperméable, laconvention sur les contraintes totales est inversée(négative en compression et positive en traction).

Des travaux antérieurs réalisés par I'INERIS ontpermis de vérifier le bon fonctionnement des logicieisUDEC et 3DEC pour simuler des écoulements enrégime stationnaire (Thoraval, 2003). L'utilisation deslogiciels UDEC et 3DEC en hydromécanique desmilieux fracturés a permis également :

- de déterminer les caractéristiques hydromécaniquesdes fractures par interprétation de tests de pompage etd'injection réalisés dans le massif calcaire de Co araze(cappa et al., 2004). L'interprétation de ces essais àl'aide des logiciels 3 DEC et ROCMAS (Capp a et aI.,2005) fait apparaître une grande cohérence entre lesmesures et les 2 approches numériques utilisées ;

-de qualifier les effets d'une injection d'eau dans lespuits géothermiques de Soultz-sous-Forêts (Hosni efal.,2003). Cette injection induit une augmentation de Iaperméabilité du milieu consécutif à un cisaillement irré-versible des fractures ;

-de quantifier l'impact du choix de Ia loi de comporte-ment mécanique des fractures sur f importance desdébits entrant dans une cavité souterraine (Mas Ivars,2004).

rËrTDescription du modèle utilisépour la comparaison 9Dl3D

Nous avons simulé le comportement hvdroméca-nique en régime stationnaire d'une galerié fictive desection rectangulaire de 10 m de hauteur, de trèsgrande largeur (120 m), de longueur infinie, située à125 m de profondeur. Ce choix géométrique pour lacomparaison 2D/3D peut apparaître assez irréaliste,mais il a pour avantage de conserver certains aspectsde la géométrie réelte que l'on retiendra par laiuitetout en amplifiant les effets induits par le creusement(du fait des dimensions de l'ouwageJ et donc les écartséventuels entre les résultats des modèles 2D et 3D.

Le milieu, dans lequel les galeries sont creusées,est supposé homogène et éiastique. II est fracturé parune série de cinq fractures verticales, toutes orientéesparallèlement à I'axe de la galerie fictive, soit perpen-diculairement à l'axe de la galerie < réelle >. Les frac-tures sont situées respectivement à une distance de1m, 6 m, 11m, 16 m et 26 m du front de taille de lagalerie < réelle >.

Cette géométrie se prête à une comparaison 2Dl3D,le plan 2D étant choisi perpendiculaire à l'axe de Iagalerie fictive. Le calcul 2D sera réalisé avec le logicielUDEC dans l'hypothèse des déformations planes.

On suppose un état de contrainte initial isotrope de-3,5 MPa (contraintes négatives en compression) et unepression hydraulique initiale de 1,25 MPa. On néglige,dans ce calcul, les variations de pression hydrauiiqueet de contrainte liées à la gravité. On impose une pres-sion hydraulique nulle sur les parois de la galerie (lesparois de la galerie sont supposées drainantes). Lesjoints sont alimentés sous pression constante en impo-sant une pression hydraulique de L,25 MPa au nivèaudes limites inférieure et supérieure du modèle.

Dans ce calcul, on impose des dépiacements nulsperpendiculairement aux limites extérieures du modèle(positionnées à 20 m du parement de la galerie). Onimpose également une pression hydraulique de1,25 MPa sur toutes les faces, sauf sur le plan de s5rmé-trie vertical passant par le centre de Ia galerie. Le creu-sement de la galerie est simulé par I'application d'unepression hydraulique et d'une contrainte nulles sur lesparements de Ia galerie. Le maillage du modèle 3DECet les conditions appliquées aux limites sont indiguéssur la figure 1.

Nous avons considéré, dans ie cadre de cette étude,que Ia matrice rocheuse et les fractures ont un com-portement élastique : E (module de Young de Ia matricerocheuse) = 40 GPa; v (coefficient de Poisson) = 0.25.Les fractures ont une raideur (normale et tangentielle)constante : K. (raideur normale) = 10 GPa/m ; K^ (rai-deur tangentièlle) = I GPalm.

(1)

(2)

43REVUE FRANçAISE DE GEOTECHNIQUE

N.1134e trimestre q005

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:;t:r:t:tt:,:;:,;1:,:,:1ffifi11tt. Géométrie, maillage et conditions aux limites du modèle utilisés pour l'étude comparative UDEC/3DEC.Model geometry, mesh and boundary conditions used for UDEC/3DEC comparison.

La loi d'écoulement retenue est la loi cubique : âo

(ouverture hydraulique correspondant à \'état decontrainte et de pression initiale avant creusement del'ouvrage)méable ; tous les écoulements s'effectuent à travers lesfractures. I1 n'y a donc pas lieu de préciser les caracté-ristiques hydrauliques de la matrice rocheùse.

Les résultats sont visualisés sous la forme de profils1e long de la verticale passant par l'axe de la galerie etappartenant au plan de fracture et sous la forme d'iso-valeurs dans le plan de fracture considéré.

WSynthàse de l'analyse comparative 2Dl3D

La cohérence des résultats (répartition des pres-sions hydrauliques, des contraintes totales et effectives)fournis par les codes UDEC et 3DEC (Fig . 2) a pu êtrevérifiée. D'après les résultats, le comportement desfractures n'est plus influencé significativement par laproximité du front de creusement à une distance supé-rieure à 5 m. On observe toutefois une influence dufront sur la fracture localisée à 1 m qui se traduit parune diminution plus importante des ouvertureshydrauliques et des débits à proximité du parement dela galerie.

Sans être rrgoureusement identiques, les résultatsobtenus avec le logiciel 3DEC sont très proches de ceuxobtenus avec UDEC. Les variations de pression hydrau-lique sont identiques. Les variations d'ouverture hydrau-lique sont légèrement plus élevées avec le code 3DEC,en particulier dans la fracture la plus proche du front decreusement où Ia réduction à proximité de la galerie estde 13 % au lieu de B % (les différences sont 5 fois plus

I I faibles dans les autres fractures). Ces écarts sur les44tlREVUE FRANçAISE or cÉoreclNtQUEN'1134e trimestre 2005

ouvertures hydrauliques induisent également que lesdébits entrant dans la galerie, calculés avec le code3DEC, soient un peu plus faibles d'environ 13 % (Fig. 3)

Nous avons cherché à vérifier si ces résultats pou-vaient s'expliquer par le choix du maillage ou de l'algo-rithme de couplage. On a pu vérifier que les écartsdiminuaient lorsque l'on augmentait la finesse dumaillage de 3DEC. Les écarts se stabilisent toutefois àpartir d'une certaine finesse du maillage. Sachant quenous avons choisi, pour le modèle de référence, unefinesse plus grande que ce seuil, les écarts obtenus nepeuvent s'expliquer par la qualité du maillage. Les dif-férents algorithmes disponibles (considérant ou nonque le fluide est incompressible) ont été utilisés.Aucune différence notable rr'a été constatée. Nousavons également vérifié l'impact de la tr brutalité > ducreusement sur les résultats. Pour ce faire, le creuse-ment de Ia galerie a éte simulé en déconfinant progres-sivement les parements de la galerie et en réduisant dela même manière la pression hydraulique imposée auniveau des parements de la galerie. De petites diffé-rences (inférieures à 10 %) apparaissent à proximitéimmédiate de la galerie (elles ne concernent pas la frac-ture la plus proche de la galerie). L'origine des faiblesdifférences constatées entre les résultats de UDEC etde 3DEC reste donc encore à préciser.

L'interaction hydromécanique des fractures a étéétudiée, avec 3DEC,, en comparant le modèle de réfé-rence à cinq fractures avec un modèle ne retenant quetrois de ces fractures. On observe que la diminution del'ouverture hydraulique induite par le creusement de lagalerie est légèrement plus faible (plus particulièrementà proximité du front) lorsque la densité des fracturesaugmente. Les écarts observés (qui restent inférieurs à10 %) peuvent s'expliquer par l'augmentation de ladéformabilité globale du milieu lorsque l'on augmentele nombre de fractures.

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Isovaleurs de pression hydraulique (a), de contrainte normale effective (b), d'ouverture hydraulique (c)dans les plans de fracture obtenues avec 3DEC.3DEC isovalues of hydraulic pressure (a), normal effective stress (b), hydraulic aperture (c) into the fractures.

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a - fractures les plus éloignées b - fractures les plus proches

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Distance à l'axe de la galerie (m)

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ComParaison des profils verticaux d'ouverture hydraulique obtenus avec UDEC (traits flrns) et 3DEC (traitsépais) dans les 5 fractures.UDEC (fine lines)/3DEC (thick lines) comparison of vertical hydraulic aperture profiles in the 5 fractures.

EMise au point d'un modèlercpr ësentatif d'u ne ga leriede stockage

WDescription du modèle de rëférence

on modélis era, en 3 dimensions avec le logiciel3DEC, une galerie de stockage circulaire de 10 m de dia-

mètre et de 120 m de longueur (il s'agit donc de la gale-rie cc réelle ) précédente). Le modèle est un parallélépi-pède dont 4faces sont situées à25 m de l'axe de la gale-rie. Les 2 faces perpendiculaires à l'axe de la galerie sontsituées respectivement au milieu de la galerie (axe desymétrie) et à 40 m du front de la galerie. Les dimen-sions du modèle sont donc de 100 m x 50 m x 50 m.

Le modèle de référence néglige les effets de la gra-vité sur la répartition des contraintes et des pressionshydrauliques. On considère les conditions initiales etaux limites suivantes (Fig . 4) : contrainte initiale iso-trope de - 3,5 MPa ; pression hydraulique initiale de1,25 MPa ; contrainte mécanique de - 3,5 Mpa impo - / F4\TJ

REVUE FRANçAIsE or cÉorrctNleuEN" 113

4e trimestre 2005

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ffiffi Géométrie, maillage et conditions aux limites du modèle utilisés pour le modèle de la galerie de stockage.Model geometry, mesh and boundary conditions used for the storage gallery model.

sée sur toutes les faces sauf sur le plan de symétrie oùun déplacement normal nul a été imposé ; pressionhydraulique de 1,25 MPa imposée sur les faces saufsur le plan de symétrie où un débit nul a éte imposé.

Le comportement mécanique de la matricerocheuse et des discontinuités est à nouveau supposéélastique linéaire. Les propriétés sont identiques àcelles définies dans le paragraphe 2.

WSynthèse des résultats du cas de référence

Cette modalité de calcul néglige la gravité maisprend en compte le couplage hydromécanique. Elle apermis de quantifier les variations d'ouverture hydrau-lique des fractures en fbnction de leur positionnementpar rapport au front de creusement de la galerie et de ladistance au parement de celle-ci.

La figure 5 montre les fermetures mécaniques etles déplacements tangentiels induits par le creuse-ment de la galerie. Les valeurs les plus fortes sontobservées en bordure de galerie à proximité du frontde taille.

Les réductions d'ouverture sont sensiblementidentiques dans les 4 fractures les plus éloignées (6 m,11,m, 16 m et26 m). Elles sont environ 50 % plus éle-vées dans la fracture localisée à 1 m du front de creu-sement.

La figure 6 montre les isovaleurs d'ouverturehydraulique (a), de pression hydraulique (b), decontrainte normale effective (c) ainsi que 1a distributiondes vitesses d'écoulement dans la fracture la plus

proche du front de creusement de la galerie pour lemodèle de référence.

WÉvaluation des effets gravitaires

La prise en compte de la gravité ne modifie pas defaçon significative les résultats précédents. Elle induitprincipalement une dissymétrie de part et d'autre de lagalerie du fait de la modification des contraintes impo-sées sur les limites extérieures du modèle. Les vitessesd'écoulement entrant dans la galerie restent globale-ment identiques (même si les valeurs maximales peu-vent différer légèrement du fait d'une variation localedu gradient de pression hydraulique).

WÉvaluation des effets mécaniques

II s'agit d'évaluer l'importance de Ia prise en comptedu couplage hydromécanique sur le calcul des écoule-ments. Ce calcul est identique au cas de référence, maisil est réalisé en hydraulique pure, l'ouverture des frac-tures restant donc égale à 1 mm.

La non-prise en compte du comportement méca-nique, qui revient à considérer que les ouvertureshydrauliques restent partout égales à la valeur initiale,,soit 1 mm,, même après le creusement de la galerie, induitune augmentation des vitesses d'écoulement maximalesentrant d'environ 10 % dans toutes les fractures.

46REVUE FRANçAISE DE GEOTECHNIQUEN" 1134e trimestre 2005

a - Fermetures mécaniques des fractures b - Déplacements tangentiels des fractures

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WFermeturesmécaniquesetdéplacementstangentielsdesfracturesinduitsparlecreusementdelagaleriedans le cas du modèle de référence.Fracture mechanical closures and fracture shear displacements induced by the excavation of the storage gallery(reference casel.

ESensi bi lité des r ésul tatsaux caractéristiquesde la fracturation

ffiïfil ffiïtrffirnffil

lmpact de la densité des fractu res

Afin de quantifier les interactions hydromécaniqueséventuelles des cinq fractures du modèle de référence,nous avons réalisé une variante avec uniquement troisdes cinq fractures précédentes. Les trois fractures quiont été conservées sont les fractures localisées à 26 m,11, m et 1m du front de creusement. Les écarts restentglobalement faibles. Ils sont un peu plus importantsdans la fracture la plus proche du front à proximité dela galerie (l'ouverture hydraulique minimale diminued'environ 10 %). Ils s'expliquent par l'augmentation deIa déformabilité globale du milieu lorsque la densité defracture augmente.

ffiffilmpact de la raideur des fractures

Il s'agit d'évaluer l'effet de la réduction des raideursdes fractures . La diminution de la raideur normale desfractures de 10 GPa /m à 4 GPa /m et de Ia raideur tan-gentielle de 1 GPa/m à 0,4 GPa/m induit une augmenta-tion, de 1.,5 à 2 fois, de la fermeture des fractures àproximité de la galerie. On constate également unediminution globale des ouvertures hydrauliques. Lafigure 7 montre que l'ouverture minimale, observée àproximité du parement de la galerie dans la fracture laplus proche du front, passe de 0,85 mm à 0,7 mm. Celainduit, assez logiquement, une réduction des vitessesd'écoulement maximales entrant dans la galerie de20 % à 40 o/o selon la fracture.

lmpact de l'orientation des fractures

L'objectif est ici de quantifier les effets d'une modi-fication de l'orientation de l'axe de la galerie par rap-

47REVUE FRANçAIsE oe cÉorccHNteuE

N" '113

4e trimestre 2005

a - Ouverture hydraulique (m) b - Pression hydraulique (Pa)

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c Contrainte normale effective (Pa) d - Débit (m/s)

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Isovaleurs d'ouverture hydraulique (a), de pression hydraulique (b), de contrainte normale effective (c) etdistribution des vitesses d'écoulement (d) dans la fracture la plus proche du front de creusement de lagalerie (modèle de référence).Isovalues of hydraulic aperture (a), hydraulic pressure (b), effective normal stress (cl, and flowrate distribution (d) in thefracture close to the gallery head (reference case).

port aux plans de fracture sur les variations hydromé-caniques induites par le creusement de cette galerie.Dans ce calcul, les fractures recoupent la galerie avecun angle de 45" par rapport à l'axe de la galerie.

La diminution des ouvertures hydrauliques est trèssensible au changement d'orientation des fractures, leminimum d'ouverture passe d'environ 0,85 mm à

0,7 mm (Fig. B). La distribution des ouvertures hydrau-liques n'est plus régulière autour de la galerie (les dimi-nutions les plus fortes sont observées au-dessous ouau-dessus de Ia galerie).

La distribution des vitesses d'écoulement est cohé-rente avec celle des ouvertures hydrauliques (Fig. B).

Les valeurs augmentent à droite et à gauche de la gale-

48REVUE FRANçAISE DE GEOTECHNIQUEN" 1134e trimestre 2005

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6,58-04

les calculs) que dans les fractures localisées à 6 m et au-delà. En effet, l'ouverture après creusement y vaut0,85 mm au lieu de 0,9 mm. Cet effet est d'autant plussensible que la raideur des fractures diminue (quasiproportionnellement) et lorsque les plans de fracturene sont plus perpendiculaires à l'axe de la galerie. Tou-tefois, cette augmentation ne se produit dans ce der-nier cas que selon un axe vertical ;

- les variations d'ouverture hydraulique induisent unevariation des vitesses d'écoulement entrant dans lagalerie. Cette diminution des vitesses d'écoulementreste cependant très limitée dans 1e cas du modèle deréférence (à raideur élevée) du fait de la faible variationabsolue de l'ouverture hydraulique. Elle devient plusimportante lorsque la raideur des fractures est réduite.Dans ce cas, on constate une réduction des vitessesd'écoulement entrant dans la galerie de 20 % à 40 %selon les fractures. Le changement d'orientation desfractures par rapport à l'axe de la galerie n'induit pasde modification importante du débit entrant. I1 a pourprincipal effet de distribuer de façon asymétrique lesvitesses d'écoulement autour de la galerie.

E

Distance au centre de la galerie (m)

;'t'11t11ti;i:it1'n1:!I,ii1îiii:i:1'1iiffini,,tjir'1fii,i Impact de la raideur des fractures sur lesprofils verticaux d'ouverture hydrauliquedans les fractures les plus proches du frontde creusement de la galerie (traits fins :

K,, = 10 GPa/m, K, = 1 GPa/m; traits épais :

Kr, = 4 GPa/m, K, -- o,4 GPa/m).Impact of the fracture stiffness on the verticaihydraulic aperture profiles in the fractures closeto the gallery face (fine lines : K- = 1,0 GPa/m,K, = l GPa/m ; thick lines ' K; = 4 GPa/m,K, = 0.4 GPa/m).

rie par rapport au cas où la fracture est perpendiculaireà l'axe de la galerie. Elle diminue par contre dans ladirection verticale. Compte tenu de l'asymétrie de ladistribution des vitesses d'écoulement autour de lagalerie, l'influence de l'orientation sur le débit entrantdans Ia galerie doit être plus faible.

ESynthèse des calculs numériques

Compte tenu des limitations des codes de calculbidimensionnels pour dimensionner les ouvrages destockage dans des milieux rocheux plus ou moins frac-turés, cette étude avait pour but d'évaluer la faisabilitédu dimensionnement à l'aide du logiciel tridimension-nel 3DEC, puis de quantifier les variations de pressionhydraulique, de déplacement, de contrainte, de débitdans les fractures qu'intersecte une galerie circulaireau cours de son creusement.

Les résultats des différents calculs mettent en évi-dence les faits suivants :

- la prise en compte de la gravité ne modifie pas signi-ficativement les résultats mécaniques et hydrauliques.Par contre, oD ne peut négliger les effets mécaniquessans surestimer significativement les vitesses d'écoule-ment entrant dans la galetie (d'environ 10 %) ;

- dans le cas du modèle de référence , la diminutiond'ouverture hy{çaulique induite par le creusement dela galerie est environ 50 % plus élevée dans h fracturelocalisée à proximité du front de creusement (1 m dans

Concl usions et perspectivesCette première approche nous

la cohérence des résultats entre3DEC pour une géométrie adaptéeanalyse couplée hydromécanique.

a permis de vérifierles codes UDEC etdans le cadre d'une

Une étude de cas sur un modèle simplifié d'unegalerie de stockage a mis en évidence l'influence signi-ficative de l'effet mécanique sur l'écoulement autour del'excavation au cours du creusement. En particulier,sous l'hypothèse d'un comportement élastique linéairedes fractures, la redistribution de l'état de contrainteinduit une diminution significative de l'ouverturehydraulique au voisinage de la paroi de la galerielorsque le front de taille passe au niveau d'une fracture.

Ces aspects sont particulièrement importants pourun stockeur qui a généralement le choix de l'orienta-tion de ses galeries.

Afin de s'approcher de conditions géologiques,géotechniques et hydrogéologiques plus réalistes, etqui peuvent être parfois particulièrement complexes(You et a1.,2003), il nous paraît nécessaire de poursuiwecette étude en intégrant :

- f influence d'une loi de comportement élastoplastiqueou non linéaire pour les fractures avec prise en comptede la dilatance,

- l'anisotropie des contraintes initiales,

- l'influence de la distance aux conditions limites.

- l'effet des dispositifs de soutien hydraulique parrideaux d'eau,

- l'effet que pourrait avoir une zone injectée autour desgaleries.

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-+6m +<-1m --€--6m --+-- 1m

-1FÈt

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tJd$-r

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-C)ti-(t-È)$-tO

J

\̂J

1,00E-03

9,50E-M

9,00E-04

8,50E-04

8,00E-04

7,50F.-M

l,mE-04

6,50E-04

-25 -20 -15 -10 -50 510galerie (m)

15 20 25

Distance à I'axe de la

^ffiw W$ -fIf J

J

( K

)I -

* Impact de l'orientation des fractures sur les profils verticaux d'ouverture hydraulique dans les fracturesles plus proches du front de creusement de la galerie et sur la distribution des vitesses d'écoulement dansla fracture la plus éloignée du front (traits pointillés : fracture à 9O' axe galerie ; traits pleins : fracture à45'axe galerie).Impact ofthe fracture orientation on the vertical hydraulic aperture profiles in the fractures close to the gallery face andon the flowrate distribution into the fracture far from the galiery face (dash lines : K" = 10 GPa/m, K. = 1 GPa,/m ; fulllines : K.= 4GPa/m, K" = 0.4 GPa/m).

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