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UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL INFLUENCE DES CARACTÉRISTIQUES GÉOMÉCANIQUES DU RÉSEAU D

UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL INFLUENCE DES CARACTÉRISTIQUES GÉOMÉCANIQUES DU RÉSEAU DE FRACTURES SUR LES PRESSIONS D’INJECTION LIMITES SOPHIE LIM DÉPARTEMENT DES GÉNIES CIVIL, GÉOLOGIQUE ET DES MINES ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL MÉMOIRE PRÉSENTÉ EN VUE DE L’OBTENTION DU DIPLÔME DE MAÎTRISE ÈS SCIENCES APPLIQUÉES (GÉNIE CIVIL) DÉCEMBRE 2015 © Sophie Lim, 2015. UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL Ce mémoire intitulé : INFLUENCE DES CARACTÉRISTIQUES GÉOMÉCANIQUES DU RÉSEAU DE FRACTURES SUR LES PRESSIONS D’INJECTION LIMITES présenté par : LIM Sophie en vue de l’obtention du diplôme de : Maîtrise ès sciences appliquées a été dûment accepté par le jury d’examen constitué de : M. GERVAIS Félix, Doctorat, président M. CORTHÉSY Robert, Ph. D., membre et directeur de recherche Mme LEITE Maria Helena, Ph. D., membre et codirectrice de recherche, M. QUIRION Marco, Ph. D., membre et codirecteur de recherche M. LÉGER Pierre, Ph. D., membre iii REMERCIEMENTS Je tiens à remercier mes directeurs de recherche, professeur Robert Corthésy, professeure Maria Helena Leite et Marco Quirion, pour leur contribution au projet et pour l’accroissement de mes connaissances en mécanique des roches. Leur support et leur grande disponibilité ont permis l’achèvement de ce long travail. Je tiens également à remercier le FQRNT, le CRSNG et Hydro-Québec pour leur support financier au projet. Le programme de bourse en milieu de pratique — BMP Innovation a grandement contribué à accroitre ma volonté à poursuivre mes études. Finalement, il m’est impossible d’imaginer la réalisation du projet sans l’aide de mes proches et amis. Je tiens à remercier spécialement mon amoureux Gilbert Blais, mes beaux-parents Ginette Gilbert Blais et Pierre Blais, ma bonne amie Isabelle Jamison et ma famille pour leur soutien moral dans ce projet qui s’est apparenté à un «IronMan». iv RÉSUMÉ L’injection de coulis de ciment dans la roche fracturée permet d’améliorer l’étanchéité et la résistance des massifs rocheux sur lesquels reposent les fondations des ouvrages civils, notamment les barrages hydroélectriques. En Amérique du Nord, la méthode la plus répandue consiste à injecter le coulis à une pression égale ou inférieure au critère empirique de 25 kPa par mètre de couvert. Le critère utilisé pour définir la pression limite est conservateur car il réduit et simplifie l’état des contraintes naturelles en des contraintes dues à la gravité seulement et il ne tient pas compte des caractéristiques mécaniques du massif rocheux et du coulis d’injection. L’objectif de cette étude est de vérifier l’influence des paramètres géomécaniques sur la pression d’injection et la pertinence d’une pression d’injection établie sur la base du critère empirique de 25 kPa/m avec le logiciel d’éléments distincts UDEC à l’aide d’un modèle bidimensionnel comportant un réseau de fractures simple et un nombre d’intrants limité. Le soulèvement hydraulique observé lors de l’injection des fractures est sensible à la pression d’injection et aux paramètres rhéologiques du coulis d’injection ainsi qu’à la résistance mécanique et l’ouverture des fractures. Dans cette étude, l’injection de coulis est simulée dans un massif rocheux dont les conditions (ouvertures de fractures constantes et contrainte horizontale équivalente à la contrainte verticales) sont favorables à l’hydrosoulèvement des fractures. Ce soulèvement a été observé à des pressions d’injection légèrement supérieures à celles prescrites par l’industrie. Le mécanisme de soulèvement est principalement lié aux fractures près de la surface. Comme le modèle ne comporte pas la possibilité d’introduire des paramètres du coulis variant dans le temps, celui-ci parcourt une distance beaucoup plus grande que ce que l’on observe en réalité. De plus, le modèle bidimensionnel comporte certaines limites et hypothèses restreignant l’interprétation des résultats parce que celui-ci reproduit difficilement la géométrie complexe des fractures et le phénomène de diffusion du coulis dans un espace tridimensionnel. Toutefois, une comparaison des pressions limites est quand même possible et elle permet de mettre en lumière l’influence des paramètres géomécaniques sur la grandeur de ces pressions. v ABSTRACT Grouting jointed rock masses improves their water tightness and strength for civil infrastructure foundations such as hydroelectric dams. In North America, the most common method involves injecting grout in fractures at a pressure given by a rule of thumb of 25 kPa per meter of rock cover. The criterion used to define the limit pressure is conservative because it considers a state of stress due to gravity only and does not take into account the geomechanical characteristics of the rock mass and the properties of the injection grout. The objective of this study is to verify the influence of geomechanical parameters on maximum injection pressures and compare it to the empirical criterion of 25 kPa /m using UDEC, a distinct element code for 2D modelling of fractured rock masses. The hydrojacking mechanism during fracture injection is sensitive not only to the grout pressure but also to its rheological parameters as well as the strength and the opening of the fractures. In this study, grouting in different rock mass models is simulated with conditions (constant-width fractures openings and horizontal stress equivalent to the vertical stress) favorable to hydrojacking. With the numerical model, hydrojacking was observed at injection pressures slightly higher than those prescribed by the industry. The jacking mechanism is mainly related to fractures near the surface. Because the model does not include the possibility of introducing time dependent grout parameters, grout flows at larger distances than what is observed in the field. In addition, the two-dimensional model has certain limitations and requires assumptions restricting the direct transposition of results to the field due to the complexity of fracture geometries and the grout spreading in 3D. A relative comparison of limit grouting pressures is nonetheless possible and it highlights the effects of certain geomechanical parameters on its magnitude. vi TABLE DES MATIÈRES REMERCIEMENTS ..................................................................................................................... III RÉSUMÉ ....................................................................................................................................... IV ABSTRACT ................................................................................................................................... V TABLE DES MATIÈRES ............................................................................................................ VI LISTE DES TABLEAUX ............................................................................................................. IX LISTE DES FIGURES .................................................................................................................. XI LISTE DES SIGLES ET ABRÉVIATIONS ............................................................................. XIX LISTE DES ANNEXES ............................................................................................................. XXI CHAPITRE 1 INTRODUCTION ............................................................................................... 1 1.1 Objectif général ................................................................................................................ 1 1.2 Structure du projet ............................................................................................................ 3 CHAPITRE 2 REVUE DE LA LITTÉRATURE ....................................................................... 4 2.1 Caractérisation géomécanique des fractures .................................................................... 5 2.2 Circulation des fluides d’injection ................................................................................. 11 2.2.1 Fluide de Bingham ..................................................................................................... 11 2.3 Pratique de l’injection .................................................................................................... 14 2.3.1 Campagne d’injection ................................................................................................ 14 2.3.2 Méthodes d’injections ................................................................................................ 16 2.3.3 Détermination des pressions d’injection .................................................................... 18 2.4 Études sur la modélisation numérique de l’injection ..................................................... 22 2.4.2 Résumé de la revue .................................................................................................... 27 CHAPITRE 3 MÉTHODOLOGIE ........................................................................................... 28 3.1 Choix du logiciel ............................................................................................................ 28 vii 3.1.1 Validation du comportement mécanique du modèle .................................................. 29 3.2 Présentation du modèle .................................................................................................. 46 3.2.1 Données de terrain ...................................................................................................... 46 3.2.2 Développement du modèle numérique ....................................................................... 49 3.2.3 Hypothèses pour la construction du modèle numérique ............................................ 51 CHAPITRE 4 RÉSULTATS .................................................................................................... 66 4.1 Influence des paramètres géomécaniques et rhéologiques ............................................. 67 4.1.1 Paramètres rhéologiques du coulis d’injection ........................................................... 68 4.1.2 Ouverture des fractures .............................................................................................. 71 4.1.3 Angle de frottement de la fracture .............................................................................. 75 4.1.4 Ponts de roche intacte ................................................................................................. 81 4.1.5 Contraintes dans le massif rocheux ............................................................................ 83 4.2 Géométrie du réseau de fractures ................................................................................... 89 4.2.1 Modèle 2 (géométrie 2 : fractures continues à pendage de 45º)................................. 90 4.2.2 Modèle 3 (géométrie 3 : fractures discontinues horizontales et verticales) ............... 92 4.2.3 Modèle 4 (géométrie 4 : fractures générées par la fonction Voronoï) ....................... 94 4.3 Effet de la méthode d’injection ...................................................................................... 96 CHAPITRE 5 DISCUSSION ................................................................................................... 99 5.1 Influence des paramètres géomécaniques du modèle .................................................... 99 5.1.1 Propriétés rhéologiques du coulis .............................................................................. 99 5.1.2 Ouverture des fractures ............................................................................................ 100 5.1.3 Angle de frottement des fractures ............................................................................ 101 5.1.4 Ponts de roche intacte ............................................................................................... 101 5.1.5 Contraintes horizontales du massif rocheux ............................................................. 102 viii 5.2 Géométrie du réseau de fractures ................................................................................. 102 5.3 Effet de la méthode d’injection .................................................................................... 103 5.4 Discussion générale ...................................................................................................... 103 CHAPITRE 6 CONCLUSIONS ET RECOMMANDATIONS ............................................. 105 6.1 Contribution du projet .................................................................................................. 105 6.2 Recommandations ........................................................................................................ 106 BIBLIOGRAPHIE…………………………………………………………………….………...108 ANNEXES……………………………………………………………………………………....111 ix LISTE DES TABLEAUX Tableau 3-3: Comparaison des solutions analytique et numérique UDEC de la contrainte en traction maximale (avant soulèvement du bloc) pour chacun des cas. .................................. 31 Tableau 3-5: Effet des paramètres liés à la résistance au cisaillement (Φ, Ѱ et Cf) sur la contrainte tangentielle limite au déplacement ......................................................................................... 34 Tableau 3-7 : Paramètres rhéologiques du coulis ........................................................................... 38 Tableau 3-8 : Pression de fluide critique au soulèvement pour le modèle au bloc avec les fractures verticales ................................................................................................................................. 39 Tableau 3-9 : Pression de fluide critique au soulèvement pour le modèle au bloc avec les fractures inclinées .................................................................................................................................. 44 Tableau 3-10: Paramètres mécaniques du fluide selon le rapport eau/ciment. D’après l’IREQ (Saleh, Tremblay, & Mnif, 1995) pour un ciment Portland type 10 - D50 = 0,016mm et Dmax=0.1mm.) ......................................................................................................................... 44 Tableau 3-11: Caractéristiques des familles de joints relevées à proximité de l’aménagement hydroélectrique Eastmain ....................................................................................................... 47 Tableau 3-12: Paramètres et valeurs géomécaniques du roc dans le massif rocheux .................... 49 Tableau 3-13 : Paramètres et valeurs géomécaniques des fractures du massif rocheux ................ 50 Tableau 3-14 : Paramètres et valeurs rhéologiques du coulis de ciment. D’après l’IREQ (Saleh et al., 1996) pour un ciment Portland uploads/Geographie/ expose 83 .pdf