MINISTÈRE DE L'INDUSTRIE ET DE LA RECHERCHE

BUREAU DE RECHERCHES GÉOLOGIQUES ET MINIÈRES

SERVICE GÉOLOGIQUE NATIONAL

B.P. 6009 - 45018 Orléans Cedex - Tél.: (38) 63.00.12

ÉTUDE DU COMPORTEMENT HYDROMÉCANIQUEDES ROCHES POREUSES ET FISSURÉES

par

C. LOUIS et R. P A S Q U E T

avec la collaboration de P. ERNEK

Département géologie de l'aménagementDivision géotechnique

B.P. 6009 - 45018 Orléans Cedex - Tél.: (38) 63.00.12

76 SGN 100 AME Mars 1976

R E S U M E

Le présent rapport décrit les différentes techniques de

mesure des paramètres hydromécaniques sur les roches poreuses et fis-

surées : mesures in situ (essai Lugeon) et mesures sur échantillons

(essai de percolation radiale, essai de percolation axiale et mesure

du spectre de porosité).

En vue de comparer les propriétés hydromécaniques des

roches étudiées (schistes, calcaires, grès, granite) nous présentons

un simple tableau de leurs propriétés physiques et nous donnons les

résultats de tous les essais effectués.

Ce travail méthodologique a été réalisé sur fonds propres du départementGéologie de l'Aménagement (crédits du Ministère de l'Industrie et de laRecherche)

S O M M A I R E

1 - INTRODUCTION 1

2 - LES METHODES DE MESURE 3

2.1 - Essai d'eau en forage (essai Lugeon) 32.2 - Essai de percolation radiale 52.3 - Le perméamètre sous contrainte (BRGM) 8

2.31 - Principe de l'appareil 82.32 - Les essais de percolation axiale 8

2.4 - Détermination du spectre de porosité 102.41 - Principe de la mesure au porisimètre à mercure 112.42 - Principe de la mesure au sorptomatic 122.43 - Résultats 12

3 - CARACTERISTIQUES PHYSIQUES MOYENNES DES DIFFERENTESROCHES ETUDIEES 13

4 - RESULTATS PAR ROCHE 14

4.1 - Les schistes du barrage sur l'Arnon 144.11 - Mesures du débit de percolation sous

contrainte radiale 144.12 - Essais d'eau en forage 144.13 - Mesure de la perméabilité par percolation

radiale 144.2 - Le schiste de Travassac 184.3 - Le schiste d'ADassac 214.4 - Le calcaire de Lavoux 214.5 - Le Tuff eau de Touraine 274.6 - Le calcaire de Saintes 274.7 - Le calcaire de Saint-Même 274.8 - Le granite de Bemont 354.9 - Le grès de Manchester 354.10 - Les gneiss de la fondation du barrage de

Grand Maison 41

5 - ANALYSE DES RESULTATS 43

6 - CONCLUSIONS 50

I - INTRODUCTION

Les roches et les massifs rocheux sont des milieux défor-mables. Toute sollicitation mécanique appliquée à un massif rocheux va doncentraîner une modification de la géométrie du milieu, de ses vides et enparticulier des fractures. Il va ainsi en résulter une variation des carac-téristiques hydrauliques, elles-mêmes étroitement liées à la géométrie desvides du milieu.

Le comportement hydromécanique particulier des massifsrocheux a son origine essentiellement dans le fait que la déformabilitédes massifs fracturés est très nettement plus élevée que celle de la ma-trice rocheuse. Ce contraste de déformabilité de la matrice rocheuse etdu massif aura pour effet de concentrer les déformations sur les fractureslors de toute action mécanique extérieure. Réciproquement, toute variationde la pression du fluide entraînera une perturbation elle-même influençantles caractéristiques hydrauliques.

L'équilibre de tout massif est déterminé par la loi géné-rale de répartition des contraintes normales :

Z étant la contrainte totale due aux charges et surcharges appliquéesau massif,

a la contrainte effective intergranulaire ou interfaciale le long desfissures et fractures,

p la pression intersititelle du fluide dans la matrice ou dans lesdiscontinuités.

L'ouverture des fractures et plus généralement la géométriedes vides sont liées à la contrainte effective ae. Il est possible d'entraînerune variation de cette contrainte de deux manières bien distinctes :

a) en agissant sur la contrainte totale par surcharge oudécharge du massif (surcharge due, par exemple, à l'im-plantation d'un ouvrage tel qu'un barrage ou encoredécharge due à l'excavation d'une grande fosse tellequ'une mine à ciel ouvert). Si la pression du fluidereste invariable, on a alors Aae = AE^, toute laperturbation se répercute sur la contrainte effective.

b) en imposant une variation de la pression interstitielle Apsans agir sur la contrainte totale, ce qui est généralementle cas lors de pompage ou d'injection. Du fait que lacontrainte totale ne varie pas (AZt = 0 ) , la variation dela contrainte effective est alors opposée à la variationde pression (Aae = -Ap). Ainsi, lors d'un pompage Ap < 0il en résulte Aae > 0 ce qui explique les tassements con-sécutifs aux rabattements de nappe (Martin et Louis, 1972)et lors d'une injection Ap > 0 et Aae < 0 ce qui peutentraîner un claquage, ou fracturation hydraulique, et unsoulèvement du terrain.

- 2 -

Le premier phénomène est ainsi important pour le constructeur,tandis que le second l'est davantage en hydrogéologie ou en production pétro-lière.

Ces phénomènes de sensibilité des caractéristiques hydrauliquesaux variations de contrainte ont été l'objet d'une analyse très poussée tant surle plan théorique qu'expérimental avec mesures en laboratoire et in situ.

Cette étude expérimentale a été menée conjointement sur plusieursfronts par des essais in situ et au laboratoire à différentes échelles et pardifférentes méthodes de mesure des caractéristiques hydromécaniques des roches.

Elle fut réalisée sur des échantillons de roches très variées,telles que :

Schistes,

Calcaires,

Grès,

Granite.

Dans le présent rapport, nous nous attachons à exposer toutesles méthodes de mesure, surtout celles mises au point par le B.R.G.M. Nous pré-sentons ensuite, un tableau résumant les principales caractéristiques des rochesétudiées, puis les résultats des différents essais. Enfin, nous comparons etdiscutons les résultats acquis.

Pour l'étude du comportement hydromécanique des roches poreuseset fissurées, diverses techniques peuvent être utilisées. En ce qui concernecette étude, nous avons retenu, en plus des essais d'injection en forage (essaiLugeon) diverses techniques de mesure en laboratoire, à savoir :

- l'essai de percolation radiale à l'aide du perméamètreBernaix (1967)

- l'essai de percolation axiale à l'aide du perméamètreBRGM

- la détermination du spectre de porosité (pour caractériserla matrice rocheuse).

Au cours de la préparation des échantillons l'orientation ducarottage a toujours été minutieusement notéede manière à éliminer l'influencede 1'anisotropie des matériaux. La plupart des essais ont été conduits parallè-lement à la plus forte perméabilité.

_ Q _

2 - LES METHODES DE MESURE

Parmi les méthodes de mesure des caractéristiques hydro-mécaniques des roches, il faut faire la distinction entre celles effectuéesau laboratoire et celles mises en oeuvre in situ. Dans la présente étude,nous donnons principalement les résultats des nombreux essais de mesure despropriétés hydromécaniques effectuées en laboratoire.

Les essais in situ tels que : essais d'injection et de pom-page peuvent cependant être adoptés pour l'étude hydromécanique des massifsrocheux. Ils permettent de faire varier le champ de contrainte en jouant surla pression d'injection ou en comparant les essais à diverses profondeurs.

2.1 - Essai_d^_eau_en forage

Les essais de pompage, utilisés par les hydrogéologues,permettent de calculer la perméabilité en grand du massif alors que les essaisd'eau en forage (type essai Lugeon) ne peuvent fournir que des coefficientsd'injectabilité du massif. Ce coefficient est lié à la perméabilité du massif,mais celle-ci ne peut être calculée qu'avec des dispositifs de mesure supplé-mentaires.

La figure 1 rappelle le dispositif expérimental mis en oeuvrepour l'essai Lugeon.

fl/iojt.

Oi/i/ra feur

Ztnt. I

L.

Fig.l : Principe de l'essai Lugeon

Q

Les courbes ci-dessous, tirées des essais d'eau en foragedans la fondation du barrage sur l'Arnon (Cher) montrent une très sensiblediminution de 1'injectabilité du massif avec la profondeur. Cela indique, enconsidérant que le massif est homogène du point de vue de la fracturation, quela perméabilité diminue quand la contrainte effective augmente(fig. 3)

to

25 U.L.Profondeur 5m

ï-

% -iO

10 U.L15m

Fig. 2 - Courbes types pression-débit

3 U . L .25 m

t HO t»r

S.12

Fig. 3 - Relations : absorption-profondeur (Barrage sur l'Arnon)

- 5 -

2.2 - Essai_de_£ercolation_radiale

Pour l'essai, on utilise une carotte dans laquelle on aréalisé un petit forage axial. Suivant le type de l'essai la pression depercolation est appliquée à l'intérieur de la carotte dans le forage axial(pour réaliser un écoulement divergent) ou à l'extérieur de la carotte(pour l'écoulement convergent). Les variations de volume lues dans uneburette graduée recevant l'eau de percolation permettent de calculer lesdébits (fig.4). Ce type d'essai a été préconisé par BERNAIX (1967)qui aainsi testé les roches de fondation d'un grand nombre de barrages.

purgt d'air

Fig.4 : Perméamètres radiaux(d'après BERNAIX, 1967)

s s

PERMEAMETRE RADIAL

DIVERGENT

PERMEAMETRE RADIAL

CONVERGENT

Dans ce type d'essai l'écoulement qui s'établit est radialplan, du moins dans la partie centrale.

La perméabilité K de la roche est donnée par l'expression :

QK 2.TT.1.P

Dans cette expression, valable tant pour l'écoulementdivergent que convergent, Q est le débit de percolation et 1, ri et r2 desparamètres géométriques de la carotte.

- 6 -

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Fig.5 : Carotte pour essai depercolation radiale

(dans la pratique, ri = 30 r2 = 6 1 = 150 cm)

La perméabilité est déterminée pour différentes pressionsde percolation et on trace la courbe des variations de la perméabilité enfonction de la pression (fig.6).

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Fig. 6 : Présentation des résultats de l'essai de percolation radiale

- 7 -

CcrriAzofepression maximale.'200 bar /

'ax

<Tr

CPaxJEau

Purge d'air

L

manchon enélastomère

échantillon0= 4cmL = 4cm

Fig. 7 : PERMEAÍ1ETRE SOUS CONTRAINTE

- 8 -

BERNAIX a défini un paramètre S pour comparer les rochesentre elles :

s =ipK50

K-i est la perméabilité mesurée par percolation convergente sous 50 barde pression,

K50 la perméabilité mesurée par percolation divergente sous 1 bar de pression.

Ce rapport caractérise l'état de fissuration des roches.Plus S est grand, plus la roche est fissurée et fracturée.

2.3 - Le_p_erméamètre_sous_contrainte IB^R^G^M^

2.31 -

La figure 7 indique le principe de l'appareil. L'échantillonse présente sous la forme d'une carotte placée dans un cylindre en élastomèrequi transmet les contraintes radiales à l'échantillon exercées par la pressiond'une bouteille d'azote. La pression d'eau de percolation est appliquée surune face de la carotte, l'autre face est à l'air libre.

L'échantillon est une carotte de diamètre 40 mm et de 40 mmde longueur. Les faces doivent être parfaitement planes. Le perméamètre estun tube aux extrémités filetées extérieurement. L'extrémité inférieure, obturéepar une embase maintient le diamètre intérieur du cylindre d'élastomère danslequel se trouve l'échantillon. Cette embase percée d'un trou, laisse passerl'eau de percolation. L'extrémité supérieure, obturée par une autre embase,porte une purge d'air et un conduit ä travers lequel se transmet la pressionde percolation. Deux couvercles, vissés sur le tube, serrent les deux embases.Des joints toriques assurent 1'étanchéité. On peut intercaler de part et d'autrede l'échantillon des plaques poreuses. Le débit sortant, collecté dans une burettegraduée ou dans un bêcher, permet de mesurer le volume d'eau écoulé. La pressionradiale atteint 200 bars (pression de la bouteille d'azote).

2.32 - L_es e^saijs de_ ja escalation axiale

Ces essais ont été réalisés sur des échantillons intacts etsur d'autres fissurés. Les carottes, taillées dans la roche non fracturée, sontfissurés par fendage. La figure 7 représente une carotte avec deux fissures detraction perpendiculaires entre elles. Le fendage était exécuté sur des carottesd'élancement supérieur à 1, ce qui permettait d'obtenir après façonnage, unéchantillon avec des fractures régulières.

- 9 -

Deux types d'essais ont été menés :

- l'un visant à étudier le régime d'écoulement en faisantvarier la pression axiale,

~ l'autre destiné à analyser l'influence du confinementsur les débits de percolation. La pression de percolation est alors constanteet la contrainte radiale varie.

prise égale à :Au cours de ces essais la contrainte effective moyenne est

Pax

a) Essai de percolation à confinement constant

f L'essai est mené en faisant varier la pression de percolation,c est-à-dire le gradient hydraulique. Cet essai permet de tracer les variationsdu débit en fonction de la pression de percolation (fig.8). On peut effectuerdes cycles de variations de la pression de percolation, afin d'observer éven-tuellement les phénomènes d'hystérésis liés aux variations de la pression inter-stitielle dans l'échantillon.

Fig.8 : Résultats d'un essai de percolationaxiale ä confinement constant.Influence de la pression de percolation.

- 10 -

b) Essai de percolation à confinement variable

Dans cet essai, on fait varier la contrainte radiale exercéesur l'échantillon en maintenant constante la pression de percolation. On étu-die ainsi l'influence des contraintes radiales (ar) sur la perméabilité. Lesessais avec cycles de variation de or ont mis en évidence des phénomènes d'hys-térésis (fig.9)•

-100

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Fig.9 : Résultats d'un essai de percolation axialeavec un confinement variable.

2.4 - Détermination_du_s_2ectre_de_2orosité

La détermination du spectre de porosité peut s'obtenir àpartir de deux manipulations :

- mesure de la macroporosité (rayon de pore entre 7,5 et750 microns) au porosimètre à mercure (appareil B . R . G . M . )

- mesure de la microporosité (rayon de pore entre 75 angstromset 7,5 microns) au sorptomatic par une méthode d'absorptiongaz-solide.

- 1 1 -

2.41 - Pri.n£Í£e_d£ j a_mesiire_ au_p£ro^imè_tre à_ mercure^

L'essai consiste à mesurer le volume de mercure entré dansles pores de l'échantillon sous une pression connue

Mercure

Pression

: Variation de volume

Echantillon poreux

Fig.10 : Schéma de principe de la mesure au porosimètreà mercure.

La relation entre la pression exercée et la taille des poresest donnée par l'égalité suivante, dans le cas de pores cylindriques :

2.TT .r .a.cosGforce poussant un liquide horsd'un capillaire.

TT.r2.P (à l'équilibre)pression exercée pourlimiter cette force.

avec

d'où :

P

r

a

0

r =

pression absolue exercée

rayon de pore

tension de surface du mercure (480 dynes/cm)

angle de mouillage (141,3° pour le mercure)

2 .a.cosG 7 500P

Pour des pores irréguliers, cette méthode donne une valeurde r par défaut.

- 12 -

2.42 - rincip_e_de^ .l.a_mesiire_ au_S£r£tomatic

La mesure de la microporosité a pour fondement la théoriede Brunauer, Emmet et Teller (B.E.T.) sur l'absorption d'un gaz (azote) surles surfaces des pores d'une roche à une température donnée. Expérimentale-ment, on réalise une isotherme d'absorption et une isotherme de désorption.A partir du cycle complet, il est possible de calculer la surface spécifiqueet le spectre de microporosité d'un matériau.

2.43 - Résultats

Les différentes mesures au laboratoire sont directementtranscrites sur bordereau puis traitées par ordinateur qui exprime les résul-tats par deux courbes :

- une courbe différentielle donnant la porosité en fonctiondu rayon de pore ;

- la seconde courbe représentant la porosité cumulée enfonction du rayon de pore.

- 13 -

3 - CARACTERISTIQUES MOYENNES DES DIFFERENTES ROCHES ETUDIEES

Le tableau ci-dessous indique les paramètres physiques etmécaniques des différentes roches étudiées dans l'ordre :

- teneur en eau,- densité sèche,- densité à saturation,- porosité,- module de déformabilité- résistance à la compression,- vitesse de propagation du son, mesurée au laboratoire.

ROCHES

Schiste de l'Arnon

Schiste de Travassac

Schiste d'Allassac

Calcaire de Lavoux

Tuffeau de Touraine

Calcaire de Saintes

Calcaire de St Même

Granite de Bemont

Grès de Manchester [sain]

Grès de Manchester(altéré)

W%

-

-

-

10,1

33,7

13,8

16,4

-

-

-

y.d.g/cm3

2,8

2,75

2,74

2,11

1,34

1,96

1,84

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-

-

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-

-

-

2,32

1,80

2,23

2,14

-

-

-

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1,30

-

-

21,5

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27,1

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25

Emodule

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-

-

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-

700 000

-

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1 700

1 300

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50

90

60

2 235

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-

Vitesse depropagationdu son.m/s

-

6 900 (//)

6 900 (//)

3 200

1 680

-

3 000

2 244

-

-

- 14 -

4 - RESULTATS PAR ROCHE

4.1 - Les_schistes5_du barrage_sur_l^_Arnon

Ces schistes présentent des lits phylliteux gris, assezépais, alternant avec des passages quartzeux plus clairs. Ce sont des mica-schistes à chlorite, feuilletés, très plissotés avec des lentilles de quartzd'exhudation et des remplissages de feldspath dans les fissures.

4.11 - Mejmres_ du_déb_it_d£ jpercolji ticm à_ onfinemen^ Xa2iAâkle_

L'essai est mené avec une pression de confinement variableet pour 20 bar de pression de percolation. Une fissure traverse l'échantillon.Le débit varie dans de grandes proportions. Les variations du débit sont li-néaires dans deux domaines de pression radiale : l'un entre 0 et 90 bar etl'autre de 90 à 180 bar (fig. 11).

4.12 -

Les essais d'eau réalisés en forages dans les schistes sur lesite du barrage sur l'Arnon indiquent une perméabilité moyenne du massif defondation. Dans tous les sondages, on constate une décroissance de l'absorptionavec la profondeur. Toutefois, des différences interviennent d'un sondage àl'autre, dues en premier lieu, à une fracturation hétérogène du massif et àdes variations de l'état de contrainte.

4.13 - Mej3ure_d£ .^P^^sab^lji^té j)ar_ £ejrcolatioii radiale^

Les essais furent réalisés par le laboratoire de la S.E.I.L.(+)sur deux échantillons (VI est fissuré et V2 très fissuré). Ces échantillonsprésentaient une foliation parallèle à l'axe de 1'éprouvette. Les résultats sontdonnés sur la figure , ils se résument comme suit :

ECHANTILLON VI : En écoulement convergent, la perméabilité ne varie pas avecla pression et se situe à 10"7 cm/s. Les valeurs obtenues en régime divergentsont inférieures à celles obtenues en régime convergent. Cet essai a donné unrésultat opposé à celui attendu.

ECHANTILLON V2 : En régime convergent, la perméabilité ne varie toujours pasavec la pression malgré la fracturation de l'échantillon. Elle se situe à3 . 10 6 cm/s. En régime divergent, les mesures donnent des perméabilités plusélevées.

Pour V2, le paramètre de fissuration défini par BERNAIX aune valeur de :

.„ 2,4 . 10"5 _ fts2 = 3 TTïï^ - 8

Le comportement de l'échantillon V2 est conforme aux obser-vations de J. Bernaix (4). Pour cet échantillon, S est compris entre 5 et 10et la roche contient quelques microfractures et macrofractures.

(+) S.E.I.L. : Société d'Etudes Industrielles en Laboratoire.

- 15 -

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Schishe de lArnon

Fig. Il - Courbe Q = f (<Te) Percolation axiale

- 16 -

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50bor

Fig. 12 ; Essais de percolation radiale.Schiste du barrage sur l'Arnon.

Une comparaison intéressante a été faite entre la rocheconstituant les appuis du barrage sur l'Arnon avec celles rencontrées surd'autres sites de barrage. Cette comparaison porte sur les valeurs du para-mètre S défini précédemment. Les valeurs citées sont tirées de la thèse deJean Bernaix (1967) "Etude Géotechnique de la roche de Malpasset".

Malpasset : valeurs moyennes du paramètre S = K-1/K50

Rive droite S = 70Rive gauche S = 100

Arnon : valeur ponctuelleEchantillon VI S = 1Echantillon V2 S = 8

- 17 -

Le caractère ponctuel de ces résultats appelle une certaineréserve quant à leur interprétation et leur extrapolation à l'ensemble du site.

Les valeurs très grandes de S pour la roche de Malpassetindiquent une importante fracturation et donc une grande susceptibilité hydrau-lique aux contraintes. Ces caractéristiques sont nettement plus faibles pourle schiste de l'Arnon. A l'échelle du massif, le schiste de l'Arnon est beau-coup plus homogène et moins déformable que la roche de Malpasset, composée dedifférents gneiss sains et altérés, avec des filons de pegmatites et une frac-turation dispersée.

Voici un schéma qui, pour plusieurs barrages, situe les va-leurs moyennes du paramètre S.

100

4c

6789

10

» O O »O

Barrage de St Vaast (Calcaire à milioles de St Vaast)

Barrage de St Cassien (Gneiss à biotite et muscovite)

Barrage sur l'Arnon à Sidiailles (Micaschiste)

Barrage de Vouglans (Calcaire jurassique fissuré)

Barrage de Malpasset

Rive droite (Gneiss sain fissuré)

Rive gauche (Gneiss altéré, fissuré)

- 18 -

4.2 - Le_schiste_de_Travassac

II s'agit d 'un schiste ardoisier noir, très bien lité ettrès compact.

Sur cette roche furent réalisés des essais de percolationsous pression axiale constante en faisant varier la contrainte radiale avecdes cycles.

Les deux essais avec cycles mettent en évidence le rôle dela fissure sur la perméabilité de l'échantillon. Ces schistes très compactsont un module d'élasticité très grand ; ils manifestent une augmentation dudébit très sensible et immédiate quand la contrainte radiale diminue (fig. 13et 14 ) . Presque instantanément s'établit dans l'échantillon un régime d ' é -coulement permanent. Les différences observées entre ces deux essais sontprobablement liées à la géométrie de la fissure.

Les essais de percolation à confinement constant et avecune pression de percolation variable, donnent des cycles non réversibles(fig.15).

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Schis fe d e Travassac

Fig. 14-Courbes Q = f (<3~e) percolation axiale

Fig. 14 a

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5chisfe de Travassac

F T P . 14 h

- 20 -

Schisïe de Travassac

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Fig. 15 : C0UR3ES Q = f (p a x )

PERCOLATION AXIALE

- 21 -

4.3 - Le_schis te_d _Al las s ac

Le schiste d'Allassac est assez semblable au schiste deTravassac ; nous présentons les résultats d'un essai de percolation souspression axiale constante avec variation de la contrainte radiale. La cour-be obtenue révèle une décroissance linéaire du débit dans l'échantillonfissuré quand la contrainte radiale augmente (fig.]6)-

4.4 — Le_calcaire_de_Lavoux

Le calcaire de Lavoux utilisé pour les essais est particu-lièrement homogène. Il est finement graveleux et moyennement dur.

Les essais de percolation sous pression axiale fixe aveccycles de variation de la contrainte radiale furent réalisés sur trois typesde carottes :

. sans fissure,

. avec une seule fissure axiale,

. et une autre avec deux fissures axiales approximativementperpendiculaires.

Le débit de percolation varie assez peu avec la contrainteradiale. Les résultats montrent une influence faible de la fissure sur laperméabilité, mais on remarque très bien l'augmentation logique du débit avecle nombre de fissures (fig .17).

L'accroissement de la contrainte radiale entraîne de grandesdéformations plastiques du milieu poreux, la fermeture des fissures et lebroyage des grains de la matrice, qui colmatent le milieu poreux avec ou sansfissures.

Un essai identique, sans cycle, fait apparaître une varia-tion linéaire du débit dans deux domaines de contrainte radiale : entre 0 et40 bar et entre 40 et 200 bar (fig.18). La pente très faible de la premièredroite est due vraisemblablement à une aspérité plus importante qui s'estécrasée sous l'action de la contrainte radiale.

La figure 19 montre les variations du débit en fonction dela pression de percolation avec une contrainte radiale fixe de 150 bar. Làencore, nous voyons l'influence faible des fractures sur la perméabilité etun accroissement régulier du débit avec le nombre de fissures.

Ce calcaire a été l'objet d'une détermination du spectre deporosité (fig.20). L'analyse du spectre indique une porosité importante del'échantillon (19 % ) , qui se situe essentiellement dans le domaine de la micro-porosité. Ce résultat explique la faible perméabilité de la matrice de laroche : 3 . 10"6 cm/s (calculée sur l'échantillon sans fissure) et les faiblesvariations du débit de percolation.

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Fig. 16 - Courbe Q = f (tf-e) percolation axiale

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Calcaire de Lavoux Calcaire de Lavoux Calcaire de Lavoux

Fig. 17 - Courbes Q = f ( çT e) percolation axiale

- 24 -

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Calcaire de Lavoux

Fig. 18 - Courbe Q = f (<Te) Percolation axiale

- 25 -

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Calcaire de Lavoux

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Fig. I9 : COURBE Q = f (P ax)PERCOLATION AXIALE

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POROSITE flACRû 1.51 POROSITE niCfî011.53 POROSITE TOTALE 13.10 DENCITE SXIDE 2.61

Fig.20 : Calcaire d e L a v O U X - S. ctre de ¡)oro:>ité

- 27 -

4.5 - Le_Tuffeau_de_Touraine

Le Tuffeau de Touraine, un calcaire homogène, tendre etgraveleux, contenant, suivant les échantillons, une proportion variable desable qui abaisse ses propriétés mécaniques.

Les essais de percolation à gradient constant et confinementvariable ont montré que l'effet de la fissure sur la perméabilité de l'échan-tillon était quasiment nul (fig.21, 22)- Comme pour le calcaire de Lavoux, onobserve une hystérésis importante due au broyage des grains, au colmatage dumilieu poreux. La roche est en effet tendre et friable aux contraintes appli-quées, elle a de plus un comportement plastique.

L'essai de percolation sous contrainte axiale constantesans cycles de variation montre deux domaines de pression où la perméabilitévarie linéairement : entre 40 et 120 bar et au-delà de 120 bar (fig.23) •

La figure 24 montre les variations du débit en fonction dela pression axiale (or : constante). Là encore, on observe que la fracture detraction ne joue aucun rôle hydraulique sous une contrainte radiale de 40 bar.

4.6 - Le_calcaire_de_Saintes (Référence SD 40 - Charente-Maritime)

Le calcaire de Saintes est un calcaire clair, graveleux,blanc et glauconieux du Santonien.

L'essai de percolation sur une carotte avec une fissure, àgradient constant et avec cycles de variation de la contrainte radiale (fig.25),montre que le débit à travers l'échantillon varie peu avec la contrainte ra-diale au-delà de 50 bar. L'hystérésis est assez importante. On distingue deuxdomaines de variations linéaires du débit : entre 0 et 60 bar et au-delà de60 bar.

Le spectre de porosité de ce calcaire (fig.26) indique unemicroporosité de 25,7 % avec un fort maximum à 7 500 angstroms, sur une poro-sité totale de 26 %.

4.7 - Le_çalcaire_de_Saint-Meme (Charente-Maritime)

Le calcaire de Saint-Même est également tendre, graveleux etblanc ; il ressemble au calcaire de Saintes.

Un essai de percolation sur une carotte avec une fissure, souspression axiale constante et sans cycle de variation de la contrainte radiale(fig27) montre une décroissance à tendance discontinue du débit. Les à-coups dudiagramme traduisent vraisemblablement la rupture d'aspérités sur les parois dela fracture.

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TUFFEAU

Fig. 21 et 22 - Courbes Q = f (<Te) percolation axiale

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TUFFEAU

Fig. 23 - Courbe Q = f (cfe) percolation axiale

- 30 -

Fig. 24 - Courbe Q = f (P.ax)Percolation axiale

IS So

- 31 -

Gdcaire de Saintes

Fig. 25 - Courbe Q = f ( C e ) percolation axiale

- 32 -Histogramme de repartition du volume des pores.

Carrière de Saintes-Distillerie

Fig. 26 : CALCAIRE DE SAINTES

SPECTRE DE POROSITE

0//o

COURBE DIFFERENTIELLE M ê m e échelle

POROSITE nACRÛ 0.31 POROSITE niCRO 65.13 POROSITE TOTALE eC.OC DENSITE SOLIDE e.C3

15(1

O 0.01 0.1

ECHANTILLON NO snlo150A

10 100

COURBE CUnULEE1000

RATONSPRESSIONS

- 33 -

Calca ire de Sî M ê m e

Fig. 27 - Courbe Q = f (<T"e) percolation axiale

4 Où

Granife de Bemonf Granite de Bemonf

0.04 0.05 O.I 0.1 0.3 0.4 0.3

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GRANITE DE

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BEMONT

- 35 -

4.8 - Le_granite_de_Bemont (Vosges)

Le granite de Bemont est une roche à grain fin, composée dequartz, biotite avec des cristaux millimétriques de feldspath brun, qui luidonne, avec la biotite, une couleur grise.

Les essais de percolation (fig.28) avec cycles de variationde la contrainte radiale sur une carotte et sur un bloc avec une fracture natu-relle révèlent nettement :

. le rôle hydraulique très important de la fracture,

. une assez faible variation du débit en fonction de lacontrainte,

. et une hystérésis assez marquée.

Un essai de percolation sous contrainte radiale constantemontre une diminution linéaire du débit quand la pression axiale augmente(fig.29). Dans ce cas, il est vraisemblable que la linéarité n'est qu'apparente,avec une turbulence compensée par l'ouverture de la fracture.

4.9 - Le_grès_de_Manchester (Grande Bretagne)

Le grès de l'aquifère de Manchester est un grès rouge, d'âgepermotriasique, poreux. Cet aquifère d'une puissance importante alimente laville de Manchester. Ce grès se caractérise par une très forte perméabilitématricielle ; il est peu fracturé (en grand) et les fractures ont généralementun remplissage qui atténue considérablement leur influence sur le plan hydrau-lique .

Le rôle particulièrement important joué par la perméabilitéet la porosité matricielle de cette roche sur ses caractéristiques hydrauliquesglobales (à l'échelle de l'aquifère) nous a conduit à faire une étude de sonespace poreux (observations sur lames minces, spectre de porosité).

Les observations sur lames minces, l'une taillée parallèlementà la schistosité, l'autre perpendiculairement, ont donné des résultats intéres-sants. Sur le plan de sa composition minéralogique, on observe des grains dequartz anguleux, peu usés (ils constituent la majorité des grains de la roche) ;quelques feldspaths altérés et des paillettes assez rares de micas. Une grandequantité de minéraux phylliteux inframicroscopiques enrobent les grains dequartz et de feldspath. Ce sont des argiles qui donnent au grès sa couleurrouge.

La lame perpendiculaire à la stratification fait apparaîtredes lits de grains de quartz de tailles légèrement différentes, toujours enrobésd'argile. Les plus gros éléments ont 0,4 mm de longueur et les plus petits0,04 mm. On voit une fissure dans la lame, mais probablement due à l'échantil-lonnage. Le milieu poreux apparaît nettement entre les grains de quartz, join-tifs, laissant un espace libre partiellement rempli par l'argile.

Fig. 29 : COURBES Q = f (P ax)PERCOLATION AXIALE

ranrte de Bernoil1

50

- 37 -

Quarïz

Espace poreux

ArgileFeldspathalfére

CX125)

Fig.30- Grès de Manchester - lame perpendiculaire à la stratification.

Photo -1- lame perpendiculaireà la stratification

Photo -2- lame parallèleà la stratification

- 38 -

COURBE DIFFERENTIELLE iioriuc * anntc ann-tti

POROSITE fHCHO 5.69 POROSITE PlICflC 15. S6 POflCS[TE TOTALE ül.25 DENSITE SOLIDE '¿.65;« uiirc - A Oi«

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ECHANTILLON NO 114

ISOOA 750A ?5A RATONS

10 100 1000 PRESSIONS

COURBE CUriULEE

Fig.31 : Grès de Manchester sain - Spectre de porosité

- 39 -

COURBE DIFFERENTIELLE iiiMU.1 tonrrutic * ouwc niu.ni

POROPITE 9.25 POROSITE HICRO 11.13 POHdR[TE TOTALE ÜO.?& ÜEÄISITE SÍLIDE ü,65

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m e CNO/o untre «A n/r

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•?5CMO O/OÍ 0/1 1ECHANTILLON NO 2190

Fig.32 : Grès de Manchester sain

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10 100COURBE CUMULEE

Spectre de porosité

15A RAYONS

1000 PRESSIONS

- 40 -

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COURBE DIFFERENTIELLE trou L U uxvriox * cnunic uiuii

POROSITE HACHO 21.29 POROSITE M C R 0 3.Ï? POROSITE TOTALE 24.41 DENSITE SOLIDE 2.65

TPW0SiTe (jo.'O innre - A Q<O

150(1 15H T/Sn T500A 150A ISA RAYONS

0 0,01 0/1 1 10 100 1000 PRESSIONS

ECHANTILLON NO 2180 COURBE CUHULEEFig.33 : Grès de Manchester altéré - Spectre de porosité

- 41 -

La lame parallèle à la stratification recoupe quant à elleun lit où la taille des grains est assez grande ; beaucoup d'entre eux ont uñdiamètre voisin de 1/2 mm. L'argile abondante enrobant les grains ne remplitpas tous les vides. La densité des pores observée est moins grande que dansla lame perpendiculaire à la stratification.

L'échantillon étudié correspond donc à un grès peu compactcaractérisé par une forte porosité d'interstices, avec remplissage argileux.

^ . L e s spectres de porosité sur des échantillons sains etalteres indiquent une porosité essentiellement capillaire. (Le domaine de lacapillarité est compris entre 0,1 micron et 2 millimètres).

Nous observons très nettement en passant du grès sain au

. l'augmentation de la porosité totale : 21 % à 25 %, dueà la variation très nette de la macroporosité,

. le déplacement du spectre vers des rayons de pores plusgrands,

. une diminution sensible de la microporosité.

En valeur numérique, les résultats suivants ont été obtenus

grès altéré

Grès sain

Grès altéré

POROSITE TOTALE

21 %

25 %

MACROPOROSITE

9 %

21,5 %

MICROPOROSITE

12 \

3,5 \

L'altération de ce grès se traduit donc par une augmentationde la taille des pores les plus gros. La fraction la plus fine de la microporo-site correspond a la porosité colloïdale des argiles (c'est-à-dire l'espace inter-foliaire des argiles). Dans ce cas particulier, l'altération consiste donc enun lessivage de la fraction mineralogique phylliteuse, ce qui conduit à augmen-ter la taille des pores intergranulaires et à réduire la porosité interfoliairedes argiles.

4.10 - Les_gneiss_de_la_fondation_du_barrage_de_Grand Maison

Ces gneiss ont une texture le plus souvent rubanée, ils sonttres compacts mais fissurés.

Ils forment la fondation du barrage avec des amphibolites. Lepassage des gneiss aux amphibolites est progressif, sans discontinuité hydrau-lique.

- 42 -

La figure 34 montre les variations de la conductivité hydrau-lique en fonction de la contrainte radiale et avec pression axiale constante.(La détermination, par une analyse structurale, de l'espacement moyen des frac-tures et de leur extension, permet dans ce cas de calculer la conductivitéhydraulique).

2.10 to-'

GNEISS DEGRAND MAISON

• Carotte 1• Carotte 2

Fig. 34 - Analyse de l'influence de l'état de contrainte sur la conductivity

hydraulique par essais au perméamètre à contrainte radiale

- 43 -

5 - ANALYSE DES RESULTATS

De ces nombreuses mesures sur les roches poreuses et fissurées,

il faut faire des corrélations et discuter les résultats.

Il est tout d'abord à préciser que, sauf exception, les essaishydrauliques en laboratoire sur roches fissurées, ne permettent pas d'estimerla valeur de la perméabilité globale. On peut certes mesurer le débit de perco-lation dans une fracture. Le calcul de la perméabilité du massif ne peut êtremené que si l'on connaît la distance entre fractures et l'extension de ces der-nières. Cette difficulté disparaît pour les milieux poreux car il suffit dansce cas de rapporter le débit à la section de l'échantillon. Si l'on faisait demême pour un échantillon avec une fracture, cela sous-entendrait que la distanceentre fractures parallèles serait b = ÏÏR/2 (R étant le rayon de l'échantillon),comme le montre la figure 35 •

échantillon

rectangle de m ê m esection

Fig-35 : Espacement des fractures

- 44 -

Parmi les roches étudiées, ilfaut distinguer celles dont la matrice a une porosité importante (calcaire deLavoux, Tuffeau de Touraine,..) et celles dont la matrice a une perméabilitépresque nulle (schistes de l'Arnon, de Travassac, d'Allassac et granite deBemont). De ce fait, l'effet de la fracture de traction sur la perméabilitésera très différent d'une roche à l'autre.

Pour le tuffeau, la fracture de traction n'a aucune influencesur la perméabilité de la roche. Au cours des essais de percolation, les débitsmesurés sont identiques avec ou sans fracture. Ceci est dû à la texture du tuf-feau, poreux et friable. Les deux faces de la fracture se ressèrent et peuventmême être colmatées par des grains broyés de la matrice. Le rôle hydrauliquedu milieu poreux est prépondérant sur celui de la fracture dans le domaine depression de confinement exercée pendant l'essai.

Pour le calcaire de Lavoux, la perméabilité augmente avecle nombre de fractures. Cette roche a un comportement conforme au phénomèneattendu. La fracture de traction ne provoque certes qu'une très faible aug-mentation de perméabilité. La régularité d'une telle fracture est presque par-faite en traction, les deux faces s'emboitent sans ponts rocheux ni passagespréférentiels. Pour les roches friables et poreuses, une fracture de tractioncorrespond plutôt à un accroissement local de la porosité de la roche, engen-drant un faible accroissement de sa perméabilité.

En ce qui concerne les roches à matrice compacte peuporeuse, les débits mesurés sur l'échantillon fissuré sont entièrement dusà la perméabilité de la fracture, surtout si cette dernière est naturelle(granite de Bemont).

Les fractures jouent un rôle hydraulique décisif lorsquela perméabilité de la matrice est faible. Les différences de débit mesuréessur des échantillons de même type de roches, sont dues aux différences degéométrie des fractures.

Un phénomène d'hystérésis des courbes avec cycles de varia-tion de la contrainte radiale ou de la pression axiale apparaît sur le plu-part des essais. Il est dû à des modifications géométriques irréversiblesdans les échantillons et au colmatage des fractures. Toutefois, sur certainescourbes avec cycles, on constate au cours de la descente en pression, que ledébit continue à augmenter avant de diminuer, conformément au phénomène atten-du. Ceci est probablement dû à un écoulement en régime transitoire qui s'ajouteà l'hystérésis. Le régime permanent ne s'établit qu'au bout d'un certain temps(variable suivant les roches mais toujours assez court à cause du fort gradienthydraulique). Le colmatage de la fracture et du milieu poreux lui-même, par lebroyage des grains contribue pour une part peut-être importante au phénomèned'hystérésis dans les variations du débit en fonction de la contrainte radiale.

De nombreux essais à gradient constant et confinement variablefont apparaître des courbes de la forme de celle schématisée sur la figure36 •(C'est le cas notamment des figures j ] t \¿¡y 17 18 23 25, 34).Le logarithme du débit varie linéairement dans deux domaines de contrainte ra-diale entre 0 et 200 bar. On pourrait penser qu'il s'agit en représentationsemi-logarithmique, d'une approximation d'une fonction hyperbolique par deuxsegments de droite. Un examen précis des résultats permet de lever ce doute.

Les autres courbes de variation montrent une diminution uni-formément linéaire (toujours en semi-log) du débit quand la contrainte radialeaugmente (fig. 16, 27).

- 45 -

Q cmVs

Fig. 36 : Courbe caractéristique Q = £(ae) lors d'un essaide percolation axiale à gradient constant etconfinement variable.

Les variations de débit et donc à un facteur près, dela conductivity hydraulique en fonction de la contrainte effective (contraintenormale) perpendiculaire à l'écoulement suivent donc une loi de la forme .

Q = m.exp (-n.ae)

ou encore :

K = K o exp (-aae)

où " m " , "n" a sont des constantes.

Citons une étude identique de SARDA, LE TIRANT et BARON, dont

les résultats figurents dans une publication du U l e Congrès de la S.M.I.R.

Le processus expérimental est différent de celui mis en oeuvre

au B.R.G.M. (fig.37) .

P | -JT _ SCMfM» DU MATERIEL X FBACTURATON HYDRAULKXf

- 46 -

Il est destiné à étudier la fracturation hydraulique, maisest mal adapté pour étudier l'influence de l'état de contrainte sur la conduc—tivité hydraulique.

La courbe type montrant les variations de la perméabilitéen fonction de la contrainte effective dans l'échantillon est la suivante(fig.38) :

ími)

Fig. 38 - Perméabilité en fonction de lacontrainte effective (grès c

-roouartzitique fissuré)

-to

bar•loo -1000

Remarquons qu'à partir d'une certaine contrainte, la décrois-sance de perméabilité est beaucoup plus accentuée. Cette observation peut s'in-terpréter par une fragmentation de la roche. Notons aussi que la représentationbilogarithmique accentue ce phénomène.

Les auteurs de cette étude donnent une expression analytiquede la loi de variation de la perméabilité en fonction de la contrainte horizon-tale :

K ma-nH

L'examen des courbes de la figure39 relatives aux variationsdu débit de percolation sous 10 bar de pression en fonction de la contrainteradiale pour quatre types de roche très différents :(tuffeau, calcaires de St-Même et de Lavoux, schiste d'Allassac) montre une certaine parenté de comporte-ment hydromécanique.

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Calcaire de Lavoux Schisfe d'Allassac

Fig. 39 - Comportement hydromécanique d'une fracture élémentairedans différentes roches.

- 48 -

II est intéressant d'associer à ces courbes les principalescaractéristiques physiques et mécaniques de ces roches, à savoir :

Tuffeau

Calcaire

Calcaire

Schiste

de St Même

de Lavoux

d'Allassac

d

1,34

1,84

2,11

2,74

n%

45 %

30 %

21,5 %

e

Vitessedu sonen m/s

1 680

3 000

3 200

6 900

en

1

Rcbar

50

60

210

300

(On peut penser également que leur module élastique variedans des rapports assez proches de ceux entre les vitesses de propagation duson ou les résistances).

En ce qui concerne le tuffeau et les calcaires de St-Mêmeet de Lavoux, les variations du débit ne sont pas réversibles. L'essai de per-colation a engendré des modifications plastiques de l'échantillon. Par contre,pour le schiste d'Allassac, on observe une quasi réversibilité du phénomène.

Des ruptures très locales se sont produites dans les troispremières roches alors que dans la dernière, la limite élastique a été à peinedépassée jusqu'à 180 bar de pression radiale. On peut tenter une interprétationsur le type de rupture survenu dans l'échantillon en observant l'allure descourbes.

Pour le tuffeau et le calcaire de St-Même, la rupture semblecontinue au cours de l'accroissement de la contrainte radiale et se traduit parune diminution progressive des sections ouvertes à l'écoulement et donc de laperméabilité.

Pour le calcaire de Lavoux, il se produit probablement unerupture brutale quand la limite élastique de la roche est dépassée. En effet,vers 40 bar de contrainte effective, le débit à travers l'échantillon chutebrusquement.

Suite à ce programme d'essais, un certain nombre de remarquespeuvent être formulées, à savoir :

a) La perméabilité de certaines roches varie en fonction de laquantité d'eau qui traverse l'échantillon, en raison de l'altérabilité de celui-ci. Il est ainsi impératif d'être prudent dans l'interprétation des phénomènesobservés, surtout si toutes les caractéristiques physico-chimiques des rochesétudiées ne sont pas bien connues.

- 49 -

b) Une différence fondamentale peut intervenir dans les loisde variation de perméabilité en fonction des contraintes selon que l'état decontrainte est stationnaire (influence des contraintes naturelles dans une zonehomogène) ou transitoire (influence d'un confinement appliqué instantanémentdans un perméamètre). Les variations de perméabilité en fonction de la profon-deur, dans un massif homogène fissuré ne s'apparentent pas tout-a-fait à cellesobservées au laboratoire, car le temps permet tous les rearrangements texturauxet minêralogiques possibles, sous l'effet des contraintes, ce qui n'est pas lecas dans les expériences décrites.

c) Les analyses de spectre de porosité et les observationsen lames minces conduisent à des conclusions complémentaires de celles obtenuessuite aux essais de percolation. Une porosité totale importante (20 %) composéede porosité capillaire (entre 0,1 micron et 2 millimètres) donne à la matricerocheuse une importante perméabilité (c'est le cas du grès de Manchester). Parcontre, si cette porosité se situe dans le domaine de la microporosité colloï-dale, la perméabilité est quasiment nulle. L'eau des pores ne s'échappe que parevaporation.

- 50 -

6 - CONCLUSIONS

A la lumière des résultats des essais réalisés au laboratoireet in situ sur différentes roches, quelques conclusions concernant les proprié-tés hydromécaniques des roches poreuses fissurées peuvent être tirées, à savoir :

Pour les roches à forte porosité matricielle sous fortecontrainte, le rSle hydraulique des fractures de traction disparaît devantcelui joué par l'espace poreux.

Pour un grand nombre de roches, la diminution de la perméabi-lité sous l'effet des contraintes radiales s'accélère brusquement à partir d'unecontrainte critique.

La loi de variation de la perméabilité ou de la conductivitëhydraulique en fonction de la contrainte effective moyenne est une loi exponen-tielle. Les observations faites à l'occasion des différents essais de percola-tion mettent en évidence le rôle des caractéristiques de la matrice et des frac-tures sur les caractéristiques hydrauliques du milieu.

Ainsi, pour la matrice rocheuse, la porosité totale, la poro-sité utile et le spectre de porosité d'une part, et les caractéristiques mécani-ques d'autre part, jouent un rôle déterminant sur la susceptibilité hydrauliquedu milieu aux contraintes. Par contre, pour les roches fissurées, les élémentsles plus importants sont la nature, la géométrie et l'extension des fracturesl'état de surface des fractures ainsi que la densité de fracturation.

- 51 -

BIBLIOGRAPHIE

(1) LE TIRANT P., BARON G. .- Ecoulement dans les roches fissurées et contrainteseffectives, application à la production d'hydrocarbures et à la fracturationhydraulique des réservoirs .- Symposium de la Société Internationale de Mécaniquedes Roches, Stuttgart, 1972 .- (Art. T 2 K 1 à 24)

(2) SARDA J.P., LE TIRANT P., BARON G. .- Influence des contraintes et de lapression de fluide sur l'écoulement dans les roches fissurées.- lile Congrèsde la Société Internationale de Mécanique des Roches , Denver, sept. 1974,Tome II A (p. 667-673)

(3) LOUIS C. .- Hydraulique des Roches .- Thèse de doctorat es Sciences,Université Pierre et Marie Curie, Paris VI, 1976

(4) BERNAIX J. .- Etude géotechnique de la roche de Malpasset .- Dunod,Paris, 1967.

(5) SCHNEIDER B. .- Contribution à l'étude des massifs de fondation debarrages .- Thèse de Docteur Ingénieur, Université de Grenoble, 1967