Le présent document a pour vocation de dresser une synthèse des travaux relatifs au programme de recherche financé sur le BCRD, intitulé « Analyse du comportement hydromécanique des massifs rocheux fracturés à partir d’essais in situ et de modélisation».
Après analyse du contexte et de l’état de l’art, nous avons choisi de porter nos efforts essentiellement sur l’amélioration de la caractérisation hydromécanique du milieu rocheux fracturé à partir d’expérimentations in situ, en s’attachant à quantifier les écarts avec le résultat d’une caractérisation de laboratoire sur échantillons. Cette amélioration a été rendue possible par le développement de nouveaux outils de caractérisation et de méthodes d’interprétation basées sur la modélisation numérique.
Nous avons tout d’abord bénéficié de la mise au point, en collaboration avec le laboratoire Géoscience-Azur de l’université de Nice et la société TELEMAC, d’une sonde amovible d’auscultation du comportement hydromécanique in situ des fractures réalisant des mesures simultanées de pression-déplacement. Les mesures sont basées sur la technologie des capteurs à fibre optique qui présentent un grand nombre d’avantages par rapport aux mesures classiques (mesures plus précises et plus stables, capteurs plus petits, grande rapidité de réponse, mesures non affectées par le champ magnétique). Le dispositif a été validé en laboratoire et in situ.
Le site de Coaraze s’est révélé particulièrement adapté à l’étude du comportement hydromécanique des milieux fracturés pour des raisons liées à sa géologie et sa géométrie d’abord, mais aussi parce qu’il a fait l’objet, depuis 1997, de nombreux travaux de thèse qui nous ont été très utiles. Dans le cadre de ce programme, l’instrumentation déjà existante sur le site a été complétée par des mesures faites en forage à l’aide de la sonde amovible. Deux types d'expérimentations ont été effectués dont les objectifs sont respectivement d’étudier le comportement hydromécanique global du massif fracturé sous l’effet des variations de pressions « naturelles » du massif (mesures passives) et de caractériser les fractures individuellement en les sollicitant par injection ou par pompage (mesures actives).
Les mesures réalisées in situ ont du être filtrées afin d’éliminer les fréquences correspondant au bruit instrumental de chaque capteur et du système d’acquisition. Un logiciel a été développé par Géosciences Azur, avec la participation du doctorant de l’INERIS, permettant de lire les différents signaux mesurés et d’appliquer différents types de filtrage selon la forme et la fréquence du signal échantillonné.
Parallèlement, nous avons développé et utilisé la modélisation numérique pour tenter de reproduire et d’analyser, plus en profondeur, les résultats des expérimentations et des essais de laboratoire. Nous avons utilisé le logiciel RESOBLOK pour représenter la géométrie du massif rocheux fracturé et les logiciels UDEC et 3DEC pour simuler la réponse du milieu à une sollicitation hydromécanique.
Un modèle géométrique déterministe du site de Coaraze a été construit à partir des relevés de fracturation. Signalons à ce propos qu’une nouvelle technique de mesure de la fracturation, basée sur l’utilisation d’un tachéomètre haute précision, a été mise au point et évaluée. Un traitement de ces mesures a permis de déterminer l’orientation et la position des différentes fractures. Les données de fracturation ont permis de construire un modèle à grande échelle du site de Coaraze dont la taille correspond à celle de la zone investiguée qui s’inscrit dans un cube d’environ 40 m de côté. Un modèle plus petit et plus précis (cube de 6 à 8 m de côté) a également été mis au point autour de la zone d’injection pour la simulation des essais d’injection et de pompage.
Les simulations hydromécaniques ont consisté à reproduire de la façon la plus fidèle possible les expérimentations in situ. Elles ont conduit à une remise en cause partielle des modèles classiques (relation deTerzaghi, loi cubique) in situ. On a notamment :
• mis en évidence in situ, la nécessité de reformuler la relation de Terzaghi comme suit : s’n = sn - P [1-Sc], où Sc est la surface de contact (normalisée) de la fracture qui est une fonction de la rugosité de la fracture et de la contrainte normale effective ;
• remis en cause in situ la loi d’écoulement de Poiseuille sur la base des décalages temporels constatés entre les évolutions mesurées et calculées. Nous avons montré qu’une modification de cette loi, en introduisant un coefficient prenant en compte la rugosité de la fracture, et donc la tortuosité des écoulements, permettait d’obtenir une légère amélioration des simulations. Une amélioration de la prise en compte de la sollicitation dans le modèle (ou on n’imposerait plus la chronique des pressions mesurées au point d’injection, mais la chronique du débit injecté) pourrait permettre d’améliorer cette analyse et de consolider ces conclusions.
Une caractérisation hydromécanique en laboratoire au L3S de Grenoble a également été réalisée à partir d’échantillons de fractures de taille décimétrique prélevés sur le site de Coaraze. L’objectif de ces essais est à la fois de déterminer les caractéristiques hydromécaniques des fractures à l’échelle du laboratoire et d’évaluer l’effet des paramètres morphologiques dans les lois d’écoulement, dans le comportement mécanique ou dans les relations de couplage hydromécanique. Cet objectif a été incomplètement atteint à échéance du programme, le travail sur les aspects morphologiques étant toujours en cours dans le cadre d’une collaboration avec le LAEGO. L’analyse des essais sur les joints de stratification doit également être réalisée.
Un certain nombre de résultats a pu toutefois être mis en évidence. Ainsi, une relation quasi linéaire entre la raideur normale de la fracture instrumentée R4 (échantillon F1) et la contrainte normale a été établie (pour 0 < sn < 100 MPa). Elle s’explique classiquement par l’augmentation de la surface de contact de la fracture. L’interprétation des essais hydromécaniques par modèle analytique conduit à une valeur d’ouverture hydraulique comprise entre 0,03 mm (pour une contrainte normale de 65 MPa) et 0,06 mm (pour une contrainte normale nulle).
La comparaison des débits mesurés et calculés (par modélisation numérique de l’essai) a montré qu’il était nécessaire de modifier également la relation entre ouverture hydraulique et ouverture mécanique en introduisant un terme f pour traduire la diminution du couplage entre ces deux ouvertures lorsque la contrainte normale augmente (a = a0 + f.un , avec 0 < f < 1), et vraisemblablement l’existence d’une ouverture résiduelle sous forte contrainte normale. La diminution de f avec la contrainte normale est à relier à l’augmentation progressive de la surface de contact. Ces résultats viennent confirmer des hypothèses ou des observations déjà faites par de nombreux auteurs.
Les modélisations des essais de laboratoire et des expérimentations in situ permettent également de préciser la valeur des ouvertures hydrauliques et des raideurs normales des fractures et de mettre en évidence un effet d’échelle. Sous une contrainte effective d’environ 0,1 MPa (représentative des conditions in situ), on observe en effet un rapport de 1 à 10 entre pour les valeurs d’ouverture hydraulique, et de 5 à 1 (environ) pour la raideur normale entre les résultats de laboratoire et les résultats in situ. Cette effet d’échelle est assez difficile à établir précisément, car on a pu observer in situ de fortes hétérogéneités au sein d’une même fracture.
Parallèlement aux travaux réalisés sur le site de Coaraze, et dans un souci d’adapter le modèle prédictif à l’objectif qu’on lui assigne et au contexte dans lequel il devra opérer, nous avons exploré une autre approche pour décrire le comportement hydromécanique d’un réseau de fractures. En effet, pour certaines problématiques, l’échelle de la modélisation est nécessairement plus importante et ne permet plus de prendre en compte l’ensemble de la fracturation de façon explicite. On privilégie, dans ce cas, l’approche continue, qui suppose qu’à une certaine échelle et dans certaines conditions, le milieu fracturé peut être décrit par un milieu continu équivalent.
Pour clore cette conclusion, soulignons à nouveau les acquis de ce programme. Ils sont de trois ordres : technologique, scientifique et méthodologique. D’un point de vue technologique, l’apport principal a été la mise au point d’une sonde amovible permettant de faire des mesures par fibres optiques très précises des variations de pression et de déplacement dans une fracture. Du point de vue scientifique, notre contribution concerne l’évaluation in situ des lois d’écoulement et de couplage hydromécanique des fractures et la quantification d’un effet d’échelle entre les résultats de laboratoire et les résultats in situ. D’un point de vue méthodologique enfin, nous avons amélioré les méthodes de reconnaissance de la géométrie des réseaux de fractures par tachéométrie et la caractérisation des propriétés hydromécaniques des fractures in situ par une simulation numérique précise des expérimentations.
De nombreux compléments sont bien sûr à prévoir pour consolider les résultats présentés ici. Les résultats des essais de laboratoire n’ont pas encore été totalement analysés. Nous souhaitons en particulier établir une relation entre la variation de l’espace des vides de la fracture et les sollicitations hydromécaniques imposées en s’inspirant des nombreux travaux existant sur le sujet (citons notamment [Gentier, 2003]). Ceci devrait permettre de préciser le sens physique des paramètres que l’on a introduit dans les lois d’écoulement et de couplage pour améliorer la qualité des simulations. L’idéal serait ensuite de pouvoir déterminer une relation directe (macroscopique) entre ces paramètres, la rugosité des fractures et la sollicitation hydromécanique (sn, P).
Nous avons pas étudié dans ce programme le comportement des fractures en cisaillement. Les sollicitations directes sur les fractures instrumentées étaient normales, même si elles pouvait induire indirectement des sollicitions tangentielles sur d’autre fractures avoisinantes (nous avons vu, par modélisation, le cisaillement des joints de stratification dans le cas des pulses-test). La sonde amovible pourrait être améliorée pour mesurer les déplacements relatifs des épontes dans toutes les directions de l’espace (c’est envisagé) ce qui permettra d’étudier plus finement ce phénomène en instrumentant ensuite simultanément fracture et joint de stratification. L’interprétation de ces nouvelles mesures permettrait d’évaluer la raideur tangentielle in situ des discontinuités et son évolution éventuelle au cours de l’expérimentation.
Le comportement des fractures en condition non saturée pourrait également être étudié sur le site de Coaraze puisqu’il est possible de faire varier la hauteur du niveau piezométrique par ouverture et fermeture d’une vanne. Toutefois, ce travail nécessiterait un complément d’instrumentation et l’amélioration préalable des outils de modélisation.
Une suite est prévue dans le cadre le programme BCRD-DRS01-03 sur le comportement hydromécanique des milieux poreux et fracturés (à double porosité) qui a démarré début 2005. Afin de bénéficier pleinement des acquis, nous avons souhaité notamment réaliser les premières expérimentations de ce nouveau programme sur ce même site. Nous prévoyons, dans ce cadre, de réaliser des expérimentations de durée suffisamment longue pour que les termes d’échanges matrice/fracture soient mesurables. Dans un second temps, nous envisageons de travailler sur un site localisé dans le grès vosgien où le contraste de perméabilité entre matrice et les fractures (plus faible) devrait permettre de mettre plus facilement en évidence les effets matriciels.
La présentation exhaustive de ce travail de recherche n’était pas possible dans le cadre de cette synthèse. Des compléments pourront être trouvés dans de nombreuses publications relatives aux différents travaux réalisés (3 publications dans des revues scientifiques internationales, 4 dans des colloques) et également dans le mémoire de doctorat de Frédéric Cappa qui sera soutenu très prochainement.
[The purpose of this document is to provide a summary of the work relating to the research program funded by the BCRD, entitled "Analysis of the hydromechanical behavior of fractured rock masses based on in situ tests and modeling".
After analyzing the context and the state of the art, we have chosen to focus our efforts mainly on improving the hydromechanical characterization of the fractured rock environment based on in situ experiments, by focusing on quantifying the differences with the result of a laboratory characterization on samples. This improvement was made possible by the development of new characterization tools and interpretation methods based on numerical modeling.
We first benefited from the development, in collaboration with the Géoscience-Azur laboratory of the University of Nice and the TELEMAC company, of a removable probe for auscultating the in situ hydromechanical behavior of fractures, performing simultaneous pressure-displacement measurements. The measurements are based on fiber optic sensor technology, which offers many advantages over conventional measurements (more accurate and stable measurements, smaller sensors, high response speed, measurements not affected by the magnetic field). The device has been validated in the laboratory and in situ. The Coaraze site has proven to be particularly suitable for studying the hydromechanical behavior of fractured media, firstly for reasons related to its geology and geometry, but also because it has been the subject of numerous thesis studies since 1997, which have been very useful to us. As part of this program, the instrumentation already existing on the site was supplemented by measurements made in drilling using the removable probe. Two types of experiments were carried out, the objectives of which were respectively to study the overall hydromechanical behavior of the fractured massif under the effect of the "natural" pressure variations of the massif (passive measurements) and to characterize the fractures individually by stressing them by injection or pumping (active measurements).
The measurements carried out in situ had to be filtered in order to eliminate the frequencies corresponding to the instrumental noise of each sensor and the acquisition system. A software was developed by Géosciences Azur, with the participation of the INERIS doctoral student, to read the different measured signals and apply different types of filtering according to the shape and frequency of the sampled signal.
At the same time, we developed and used numerical modeling to try to reproduce and analyze, in more depth, the results of the experiments and laboratory tests. We used the RESOBLOK software to represent the geometry of the fractured rock massif and the UDEC and 3DEC software to simulate the response of the environment to a hydromechanical stress.
A deterministic geometric model of the Coaraze site was constructed from the fracturing measurements. It should be noted in this regard that a new technique for measuring fracturing, based on the use of a high-precision tacheometer, was developed and evaluated. Processing of these measurements made it possible to determine the orientation and position of the various fractures. The fracturing data made it possible to construct a large-scale model of the Coaraze site, the size of which corresponds to that of the investigated area, which fits into a cube with sides of approximately 40 m. A smaller and more precise model (cube with sides of 6 to 8 m) was also developed around the injection zone for the simulation of injection and pumping tests. The hydromechanical simulations consisted of reproducing the in situ experiments as faithfully as possible. They led to a partial questioning of the classic models (Terzaghi relation, cubic law) in situ. In particular, we have:
• highlighted in situ the need to reformulate the Terzaghi relationship as follows: ’n = n - P [1-Sc], where Sc is the (normalized) contact surface of the fracture which is a function of the fracture roughness and the effective normal stress;
• called into question in situ the Poiseuille flow law on the basis of the time lags observed between the measured and calculated evolutions. We have shown that a modification of this law, by introducing a coefficient taking into account the roughness of the fracture, and therefore the tortuosity of the flows, made it possible to obtain a slight improvement in the simulations. An improvement in the consideration of the stress in the model (or we would no longer impose the chronicle of the pressures measured at the injection point, but the chronicle of the injected flow) could make it possible to improve this analysis and consolidate these conclusions.
A laboratory hydromechanical characterization at the L3S in Grenoble was also carried out using decimetric fracture samples taken from the Coaraze site. The objective of these tests is both to determine the hydromechanical characteristics of the fractures on a laboratory scale and to evaluate the effect of morphological parameters in the flow laws, in the mechanical behavior or in the hydromechanical coupling relationships. This objective was incompletely achieved at the end of the program, as work on the morphological aspects was still in progress as part of a collaboration with LAEGO. Analysis of the tests on the stratification joints must also be carried out. However, a certain number of results could be highlighted. Thus, a quasi-linear relationship between the normal stiffness of the instrumented fracture R4 (sample F1) and the normal stress was established (for 0 < sn < 100 MPa). It is classically explained by the increase in the contact surface of the fracture. The interpretation of the hydromechanical tests by analytical model leads to a hydraulic opening value between 0.03 mm (for a normal stress of 65 MPa) and 0.06 mm (for a zero normal stress).
The comparison of the measured and calculated flow rates (by numerical modeling of the test) showed that it was necessary to also modify the relationship between hydraulic opening and mechanical opening by introducing a term f to translate the decrease in the coupling between these two openings when the normal stress increases (a = a0 + f.un , with 0 < f < 1), and probably the existence of a residual opening under high normal stress. The decrease in f with the normal stress is to be linked to the progressive increase in the contact surface. These results confirm hypotheses or observations already made by many authors.
Modeling of laboratory tests and in situ experiments also makes it possible to specify the value of hydraulic openings and normal stiffnesses of fractures and to highlight a scale effect. Under an effective stress of approximately 0.1 MPa (representative of in situ conditions), we observe a ratio of 1 to 10 between the values of hydraulic opening, and 5 to 1 (approximately) for the normal stiffness between the laboratory results and the in situ results. This scale effect is quite difficult to establish precisely, because we were able to observe strong heterogeneities in situ within the same fracture.
In parallel with the work carried out on the Coaraze site, and in order to adapt the predictive model to the objective assigned to it and the context in which it will have to operate, we explored another approach to describe the hydromechanical behavior of a fracture network. Indeed, for some issues, the modeling scale is necessarily larger and no longer allows the entire fracturing to be taken into account explicitly. In this case, we favor the continuous approach, which assumes that at a certain scale and under certain conditions, the fractured medium can be described by an equivalent continuous medium. To conclude this conclusion, let us once again emphasize the achievements of this program. They are of three types: technological, scientific and methodological. From a technological point of view, the main contribution was the development of a removable probe allowing very precise measurements by optical fibers of pressure and displacement variations in a fracture. From a scientific point of view, our contribution concerns the in situ evaluation of the flow laws and hydromechanical coupling of fractures and the quantification of a scale effect between laboratory results and in situ results. Finally, from a methodological point of view, we have improved the methods for recognizing the geometry of fracture networks by tacheometry and the characterization of the hydromechanical properties of fractures in situ by precise numerical simulation of the experiments.
Many additions are of course to be expected to consolidate the results presented here. The results of the laboratory tests have not yet been fully analyzed. In particular, we wish to establish a relationship between the variation of the fracture void space and the imposed hydromechanical stresses by drawing inspiration from the many existing works on the subject (notably [Gentier, 2003]). This should make it possible to specify the physical meaning of the parameters that have been introduced into the flow and coupling laws to improve the quality of the simulations. The ideal would then be to be able to determine a direct (macroscopic) relationship between these parameters, the roughness of the fractures and the hydromechanical stress (sn, P).
We did not study the behavior of fractures in shear in this program. The direct stresses on the instrumented fractures were normal, even if they could indirectly induce tangential stresses on other neighboring fractures (we saw, by modeling, the shearing of the stratification joints in the case of the pulse tests). The removable probe could be improved to measure the relative displacements of the walls in all directions of space (this is envisaged) which will allow to study this phenomenon more finely by then simultaneously instrumenting fracture and stratification joint. The interpretation of these new measurements would allow to evaluate the in situ tangential stiffness of the discontinuities and its possible evolution during the experiment. The behavior of fractures in unsaturated conditions could also be studied on the Coaraze site since it is possible to vary the height of the piezometric level by opening and closing a valve. However, this work would require additional instrumentation and the prior improvement of modeling tools.
A follow-up is planned within the framework of the BCRD-DRS01-03 program on the hydromechanical behavior of porous and fractured media (with dual porosity) which began in early 2005. In order to fully benefit from the acquired knowledge, we wanted in particular to carry out the first experiments of this new program on this same site. In this framework, we plan to carry out experiments of a sufficiently long duration so that the matrix/fracture exchange terms are measurable. In a second phase, we plan to work on a site located in the Vosges sandstone where the permeability contrast between matrix and fractures (lower) should make it easier to highlight the matrix effects.
The exhaustive presentation of this research work was not possible within the framework of this synthesis. Additional information can be found in numerous publications relating to the various works carried out (3 publications in international scientific journals, 4 in conferences) and also in the doctoral dissertation of Frédéric Cappa which will be defended very soon.]