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Introduction

Les ruptures de digues de protection en remblai ou composites (remblai et matériaux rigides) sont le plus souvent la conséquence de plusieurs mécanismes élémentaires se produisant successivement et/ou simultanément. Dans la pratique courante de l’ingénierie, pour des raisons à la fois de simplicité et de disponibilité de ressources documentaires et de règles de calcul, les différents mécanismes élémentaires sont encore malheureusement souvent traités de manière indépendante.

Nous présentons dans cet article une approche analytique des ruptures de digues basée sur une synthèse de travaux antérieurs, dans le but de la promouvoir afin qu’elle puisse se généraliser dans les diverses activités d’ingénierie relatives aux digues et systèmes de protection contre les inondations, diagnostics, analyses de risques, conception, justification. Nous espérons ainsi formaliser un ensemble de concepts complémentaires, de manière à ce que la profession partage une approche et un vocabulaire commun, pour également faciliter la progression des pratiques (travaux, diagnostics).

Fig. 1 Scénarios conduisant à une brèche de digue (R. Tourment, extrait de la version française de l’ILH). Scenarios leading to dike breaches (R. Tourment, extract from the French version of ILH).

Les « modes de rupture » des digues

Mécanismes de dégradation et de rupture

Une rupture de digue, conséquence d’un ou le plus souvent de plusieurs mécanismes de dégradation ou de rupture des matériaux qui la composent, aboutit à une brèche dans l’ouvrage, c’est à dire à une ouverture qui peut laisser passer l’eau vers la zone protégée ; par conséquent dans ce cas l’ouvrage ne remplit plus sa fonction de protection. Les différents mécanismes de dégradation ou de rupture des matériaux de type « sol » sont généralement classés dans trois familles : érosion externe (par le courant, les vagues, des chocs, surverse ou franchissement), érosion interne (suffusion, érosion de contact, érosion interne régressive, érosion de conduit) et instabilités (cisaillement : glissements ou effondrements, liquéfaction…), cette liste n’étant pas exhaustive.

« Modes de rupture » des digues

Habituellement les quatre modes de rupture classiques des digues fluviales étaient baptisés du nom d’un mécanisme (Mériaux et al., 2001), voire de l’action qui en était à l’origine : surverse (plus précisément érosion par surverse), érosion externe, érosion interne, glissement.

En rentrant dans le détail, l’érosion externe par le courant comme le glissement de talus conduisent rarement à eux seuls à une brèche. Il faut par exemple que l’érosion externe soit suivie d’un glissement ou d’un effondrement, que le glissement soit suivi par exemple d’érosion interne. Notons que même l’érosion interne et la surverse, qui peuvent potentiellement conduire seuls à une brèche, peuvent néanmoins être associés à d’autres mécanismes. À titre d’exemple, on a souvent attribué la brèche de Saint-Laurent-de-la-Salanque sur l’Agly, lors de la crue de 1999, à la surverse, car il a été constaté d’importantes érosions liées à la surverse sur une très grande partie du linéaire de la digue. Or la brèche a lieu précisément au droit de la station d’épuration communale. Si on analyse les causes de la brèche en admettant qu’il puisse y avoir plusieurs mécanismes à l’œuvre, on peut fortement soupçonner qu’un phénomène d’érosion interne dû à la présence de canalisations traversantes ait joué un rôle prépondérant dans la localisation de la brèche (Tourment et al., 2018).

On a souvent complété ces quatre « modes de rupture » par un cinquième, le soulèvement hydraulique ou (« claquage ») du pied aval. Ce mécanisme se produisant au niveau du terrain naturel en pied de digue côté zone protégée doit lui aussi être suivi d’autres mécanismes pour conduire à une brèche, le plus souvent a minima de l’érosion interne régressive.

Scénarios de rupture

Pour éviter toute ambiguïté, il est donc préférable de distinguer mécanismes et scénarios en utilisant le terme approprié, et d’essayer d’éviter l’expression « modes de rupture ». Par ailleurs, les scénarios de rupture pouvant être relativement complexes et étant conditionnés par la composition de la digue (composants, zonage, transitions) et par les sollicitations du milieu environnant, il n’est pas souhaitable d’essayer d’en créer une liste générique.

L’International Levee Handbook (ILH) (CIRIA et al., 2013) a validé cette approche par scénarios dans son chapitre 3 consacré entre autres aux défaillances de digues. Il y a également été mis en évidence l’intérêt de distinguer clairement, au sein d’un scénario, les sollicitations et actions (en général hydrauliques) à l’origines de mécanismes, des détériorations ou endommagements de composants (et défaillances de fonctions associées) qui en retour peuvent causer l’apparition d’autres mécanismes (Fig. 1).

Le Comité Technique sur les digues de la Société Internationale de Mécanique des Sols et de la Géotechnique (ISSMGE TC201) a récemment publié un rapport centré sur cette approche de scénarios de rupture des digues qui combinent plusieurs mécanismes (Van et al., 2022). Il y a été proposé un logigramme « générique » (Fig. 2) présentant l’enchaînement possible de multiples mécanismes et surtout la manière dont ils peuvent interagir ; les mécanismes les plus courants y figurent. Ce logigramme n’est probablement pas le plus complet possible, mais on doit pouvoir y faire figurer de très nombreux scénarios de rupture (« chemins » ou « paths » dans la version originale) ; il a d’ailleurs été utilisé dans le rapport pour représenter neuf cas de ruptures de digues, ce qui a permis de vérifier son applicabilité.

Au niveau français, l’approche par scénarios de rupture des digues fait partie de la méthode proposée par INRAE pour l’analyse de risque des systèmes de protection contre les inondations (Tourment et Beullac, 2019) qui sera évoquée plus loin et qui a été utilisée dans plusieurs études de dangers réglementaires de systèmes d’endiguement en France.

Fig. 2 Arbre présentant les principaux mécanismes et la manière dont ils peuvent interagir au sein d’un scénario de rupture de digue (extrait de [Van et al., 2022]). Tree showing the main mechanisms and how they may interact in a dike failure scenario (from [Van et al., 2022]).

Fig. 3 Deux débuts de scénarios de rupture initiés par de l’affouillement (Van et al., 2022). Two early scour-initiated failure scenarios (Van et al., 2022).

Défaillance hydraulique et défaillance structurelle

Dans un cadre d’analyse de risque d’un système de protection contre les inondations, il est important de distinguer les défaillances hydrauliques et structurelles, qui bien que pas toujours indépendantes, sont toutefois clairement différentes (Tourment et al., 2015). En anglais le mot « failure » est utilisé à la fois pour parler d’une rupture ou d’une défaillance ce qui a pu entretenir une certaine ambiguïté entre ces deux notions. La défaillance hydraulique concerne la fonction de protection contre les inondations, elle s’évalue donc au niveau du système (qui assure dans son ensemble la fonction de protection) et correspond à une inondation avant l’atteinte du niveau de protection, alors que la défaillance structurelle (= la rupture /la brèche) concerne un tronçon de digue et correspond à une rupture avant l’atteinte du niveau de sûreté. Un scénario de défaillance hydraulique est un scénario d’inondation de la zone protégée, un scénario de défaillance structurelle est un scénario de rupture d’un tronçon de digue. Les défaillances hydrauliques ne sont pas l’objet de cet article, nous n’entrerons donc pas plus dans le détail de celles-ci, mais il convenait de présenter cette dualité et potentielle ambiguïté qu’il faut garder en tête.

Gradation des phénomènes

Dans l’analyse forensique post événement ou bien en cas de justification de résistance à un scénario de rupture de digue, on peut souvent être amené à distinguer une gradation entre différents niveaux de dégradation d’un ouvrage ou d’un de ses composants (Tourment et al., 2013), soit, du moins grave au plus grave : une détérioration (qui n’a pas forcément d’autre conséquence), un désordre (qui peut amorcer un processus de brèche), un départ de brèche (le processus de brèche est amorcé), la brèche partielle (ouverture qui laisse passer l’eau vers la zone protégée), la brèche totale (la digue, voire sa fondation, a complètement disparu). Une fois une brèche totale formée, elle va s’élargir, il est donc important d’en analyser la cinétique et les dimensions pour évaluer les conséquences en termes d’inondation, mais cela ne pose pas de question particulière en termes d’analyse de scénario de rupture.

Il est également utile de prendre en compte une différence de cinétique entre les différents mécanismes, ceux-ci produisant des détériorations progressives (comme par exemple les érosions) ou des ruptures brutales (comme par exemple les cisaillements).

Identification des scénarios de rupture et exemples

Dans le cadre d’une analyse de risque (étude de dangers), de la conception d’un ouvrage neuf ou de la réhabilitation d’un ouvrage existant, il faut pouvoir s’appuyer sur une analyse des scénarios de ruptures potentiels sur l’ouvrage en question. Nous avons proposé (Tourment et Beullac, 2019) des méthodes d’analyse des modes de défaillances¹ hydraulique et structurelle (analyse des modes de rupture, identification des scénarios de rupture) pour les systèmes et ouvrages de protection contre les inondations, basées sur des analyses fonctionnelles des fonctions hydrauliques et structurelles.

Lien entre fonctions/défaillances et détériorations/ruptures des composants d’une digue

Les principales fonctions structurelles des composants d’une digue sont l’étanchéité, le drainage, la stabilité au glissement, la résistance à l’érosion externe, la filtration (aux interfaces) et l’auto-filtration (à l’intérieur d’un matériau), ces deux dernières fonctions étant en lien avec la résistance à différents mécanismes d’érosion interne.

Les différents composants d’une digue portent une ou plusieurs de ces fonctions. Une dégradation (désordre voire ruine ou disparition) d’un composant amène à une dégradation de la performance d’une ou de plusieurs des fonctions qu’il porte, voire à sa défaillance complète. Cette défaillance entraîne des sollicitations imprévues sur d’autres composants qui peuvent à leur tour entraîner l’apparition de mécanismes de dégradation ou de rupture. La décomposition structurelle associée à l’analyse fonctionnelle d’un tronçon de digue suivie d’une analyse des défaillances correspondantes permet donc l’identification des différents scénarios de rupture.

Le « recueil de méthodes et de techniques de confortement et réparation des digues de protection en remblai » publié par le CFBR (CFBR, 2021) utilise, dans sa première partie « Cadre Général », ces fonctions comme point d’entrée à la définition des mesures de confortement ou de réparation, sur la base d’un diagnostic identifiant les mécanismes à l’origine de désordres ou pouvant potentiellement y conduire.

Exemples de scénarios de rupture

Les scénarios de rupture de digue peuvent être plus ou moins complexes, n’inclure qu’un seul mécanisme, ou quelques-uns comme dans les exemples décrits plus haut, ou au contraire un grand nombre. Ils peuvent être décrits sous différentes formes, en texte bien sûr, ou sous la forme d’arbres ou logigrammes. Un arbre ou un logigramme peut représenter un scénario unique ou bien encore une famille de scénarios, un scénario étant dans ce cas un des chemins possibles sur cet arbre. Nous présentons ci-dessous deux exemples, la Figure 4 qui présente deux scénarios de rupture partiels (n’allant pas jusqu’à la brèche) initiés par de l’affouillement, et la Figure 5 qui représente une famille de scénarios centrés sur la présence de sandboils.

Fig. 4 Famille de scénarios centrés sur la présence de sandboils (Van et al., 2022). A family of scenarios based on the presence of sandboils (Van et al., 2022).

Fig. 5 Deux scénarios partiels, avant le développement d’une brèche, impliquant plusieurs mécanismes d’érosion interne (Van et al., 2022). Two partial scenarios, before the development of a breach, involving several internal erosion mechanisms (Van et al., 2022).

Cas de l’érosion interne

L’érosion interne est une famille de mécanismes, qui historiquement étaient confondus au vu de leur conséquence (le « renard hydraulique »). On pourrait analyser un scénario de rupture en considérant globalement l’érosion interne comme un seul mécanisme mais ce serait dans beaucoup de cas une simplification excessive. Le projet de recherche européen FloodProBE a étudié les liens et enchaînements possibles entre les quatre mécanismes d’érosion interne (Morris et al., 2012). Au sein d’un même scénario il est possible que plusieurs mécanismes se produisent simultanément à différents points de l’ouvrage et successivement au même point, comme illustré avec deux exemples de scénarios sur la Figure 5, la Figure 6 représentant un ensemble de scénarios possibles.

Fig. 6 Les différentes interactions possibles entre mécanismes d’érosion interne d’après FloodProBE (Van et al., 2022). The various possible interactions between internal erosion mechanisms according to FloodProBE (Van et al., 2022).

Intérêt d’une démarche analytique des scénarios de rupture – Conclusion et perspectives

La prise en compte de l’ensemble des mécanismes impliqués dans un scénario de rupture, au lieu de considérer comme cela l’a souvent été par le passé des « modes de rupture » désignés et évalués sur la base d’un seul mécanisme, permet des diagnostics, des analyses de risque et des justifications d’ouvrages plus justes. Le fait qu’il faille s’attacher à des scénarios impliquant divers mécanismes élémentaires est désormais reconnu, aussi bien aux niveaux national qu’international.

Intérêt pour les diagnostics et analyses de risque

Dans le cadre d’un diagnostic ou d’une analyse de risque, par exemple lors de la réalisation d’une étude de dangers réglementaire, la reconnaissance de l’existence des scénarios associant plusieurs mécanismes, et l’identification au cas par cas des scénarios possibles permet de tendre vers l’exhaustivité en termes d’identification des scénarios de défaillance, surtout si on utilise une méthode rigoureuse comme celle évoquée plus haut. Ces scénarios étant potentiellement trop nombreux pour être tous évalués, il est ensuite souvent nécessaire de faire des choix quant à ceux qui le seront, mais on évitera de ne pas avoir considéré un scénario potentiellement très dangereux et/ou très probable, car trop spécifique.

L’estimation des probabilités de rupture par un « mode de rupture » donné est du coup plus précise, mais elle est également facilitée en évaluant dans un premier temps les probabilités de chaque mécanisme indépendamment, pour les combiner ensuite.

Enfin, la représentation détaillée sous forme d’arbre d’un scénario avec les différents mécanismes qui y participent, et si possible les détériorations de composants et défaillances de fonctions associées, permet d’identifier facilement des barrières de sûreté et des mesures de réduction des risques à mettre en place pour réduire la probabilité du scénario et/ou ses conséquences.

Intérêt pour la conception et les justifications d’ouvrages

Que ce soit dans le cas de la construction d’ouvrages neufs ou de confortement d’ouvrages existants, on peut procéder à une analyse des scénarios de rupture potentiels sur l’ouvrage projeté et son environnement, ce qui permet d’en adapter la conception : les défaillances de la fonction principale d’un composant peuvent être relayées par un autre composant assurant, en tant que fonction secondaire, son relai. En termes de justification, la prise en compte des différents composants de l’ouvrage, de leurs fonctions, principales et secondaires, et leurs performances vis-à-vis de chaque fonction, au lieu d’évaluer la résistance de l’ouvrage (souvent d’un seul composant) à chaque mécanisme, permet plus de précision et donc potentiellement des économies.

Perspectives et compléments

Il est actuellement envisagé de développer des outils qui permettent d’automatiser la construction des scénarios de défaillance potentiels sur la base de la décomposition structurelle et de l’analyse fonctionnelle d’un ouvrage.

Bien entendu, une meilleure connaissance des mécanismes élémentaires est souhaitable, avec si possible à terme un mode d’évaluation cohérent pour tous les mécanismes sur la base de lois de comportement des matériaux et d’équations aux états limites. À l’heure actuelle l’évaluation de nombreux mécanismes fait encore appel à une forte dose d’expertise, et certains mécanismes sont évalués sur la base de lois empiriques pas toujours adaptées (utilisation d’une loi pour un mécanisme voisin mais différent, ou en dehors de ses limites d’application).

Enfin, il est également souhaitable d’arriver à probabiliser l’apparition des différents mécanismes et/ou leur développement jusqu’à une valeur limite, pour faciliter la probabilisation des scénarios où ils interviennent.

Conclusion générale : nécessaire généralisation de l’approche par scénarios

Cette approche explicite et analytique par scénarios est encore relativement peu appliquée. Comme nous avons essayé de le démontrer dans cet article elle a pourtant de très nombreux avantages. Mais elle nécessite encore des développements dans plusieurs domaines, et sa pratique gagnera en facilité et en précision sur la base de retours d’expérience de son application et d’échanges au sein de la profession, en complément des recherches. Comme l’approche « risque » qui a progressivement été intégrée aux pratiques de l’ingénierie des ouvrages hydrauliques, nous pensons qu’il est inévitable à terme d’intégrer cette approche par scénarios dans la pratique courante des diagnostics, de l’analyse de risque, de la conception et de la justification des ouvrages hydrauliques et plus particulièrement des digues de protection contre les inondations.

Références

Liste des figures

	Fig. 1 Scénarios conduisant à une brèche de digue (R. Tourment, extrait de la version française de l’ILH). Scenarios leading to dike breaches (R. Tourment, extract from the French version of ILH).
Dans le texte

	Fig. 2 Arbre présentant les principaux mécanismes et la manière dont ils peuvent interagir au sein d’un scénario de rupture de digue (extrait de [Van et al., 2022]). Tree showing the main mechanisms and how they may interact in a dike failure scenario (from [Van et al., 2022]).
Dans le texte

	Fig. 3 Deux débuts de scénarios de rupture initiés par de l’affouillement (Van et al., 2022). Two early scour-initiated failure scenarios (Van et al., 2022).
Dans le texte

	Fig. 4 Famille de scénarios centrés sur la présence de sandboils (Van et al., 2022). A family of scenarios based on the presence of sandboils (Van et al., 2022).
Dans le texte

	Fig. 5 Deux scénarios partiels, avant le développement d’une brèche, impliquant plusieurs mécanismes d’érosion interne (Van et al., 2022). Two partial scenarios, before the development of a breach, involving several internal erosion mechanisms (Van et al., 2022).
Dans le texte

	Fig. 6 Les différentes interactions possibles entre mécanismes d’érosion interne d’après FloodProBE (Van et al., 2022). The various possible interactions between internal erosion mechanisms according to FloodProBE (Van et al., 2022).
Dans le texte