La surveillance de barrages d’altitude par fibre optique

Par Guillaume Stoltz – Ingénieur de Recherche, INRAE, Centre PACA et Cyril Guidoux – expert fibre optique, geophyConsult

Les retenues d’altitude : des ouvrages sensibles

La sécurité des retenues d’altitude est essentielle dès leur conception et pendant toute la durée d’exploitation, compte tenu des impacts potentiels en cas de rupture. Elle intègre de nombreux points de vigilance, et en particulier l’absence de fuite d’eau, dont les effets peuvent conduire à des instabilités des parements de la retenue. Ainsi, pour garantir la stabilité de l’ouvrage et assurer sa durabilité, toute fuite doit être réparée.

De manière générale, le système d’étanchéité des retenues d’altitude est assuré par une géomembrane, matériau polymérique fin et continu, recouverte (ou non) par une couche granulaire pour la protéger contre les actions extérieures, et en particulier la formation de glace en hiver. 

La présence de la couche granulaire de protection prévient l’apparition de fuites, mais ne les empêche pas totalement. La présence de fuite peut être due à plusieurs causes provenant de la réalisation de l’étanchéité (soudures fragiles ou imparfaites), ou des efforts appliqués sur la couche granulaire (formation de glace) qui vont induire des poinçonnements de la géomembrane. Si la présence d’une fuite est aujourd’hui relativement simple à détecter pour tous les types d’ouvrages – grâce au système de drainage sous la géomembrane qui convoie l’eau des éventuelles fuites vers un exutoire généralement observable depuis la salle de contrôle de la retenue – sa localisation est une opération difficile, délicate et coûteuse, pour une géomembrane recouverte par une couche de protection granulaire. Aujourd’hui, de telles opérations nécessitent de retirer toute une partie de la couche de granulats pour accéder à la géomembrane et procéder à une inspection visuelle.

Dans ce contexte, une méthode simple et robuste de localisation de fuite par fibre optique a été testée par INRAE avec l’appui de geophyConsult, dans le cadre du projet de recherche européen RESBA (Résilience des barrages), finalisé en 2020, et regroupant des partenaires français et italiens.

La fibre optique au service de la surveillance des ouvrages

La technologie de mesure répartie de température par fibre optique a trouvé depuis plusieurs décennies de nombreuses applications. Dans le domaine des ouvrages hydrauliques, cette technologie est employée pour localiser des fuites pouvant initier des phénomènes d’érosion interne, et ce grâce aux variations de température induites par les écoulements. L’intérêt de la technologie réside dans sa capacité à relever des températures précises (0,1 °C) sur de longues distances (30 km), et ce en tout point du câble de mesure, avec une résolution spatiale d’un mètre et une fréquence d’acquisition de l’ordre de dix minutes.

Dans les cas de milieux dont la température est directement influencée par l’eau de la retenue, et même en l’absence de fuite, il est nécessaire de chauffer le câble de mesure : l’intensité de l’échauffement sera plus faible aux emplacements affectés par une fuite, l’eau dissipant une partie de la chaleur produite par le câble ; c’est la méthode active, ou HPM (Heat Pulse Method).

L’interprétation des mesures repose sur la comparaison des valeurs d’élévation de température (dT) avec une valeur de référence (dT REF) mesurée avant mise en eau. Le rayon de détection des fuites autour du câble optique est de l’ordre de 15 à 20 cm. 

Une technologie testée avec succès sur un démonstrateur

D’une surface de 200 m² pour un volume d’eau retenu de 210 m3, le bassin expérimental d’INRAE Aix-en-Provence s’élève en remblai d’une hauteur de 2,5 m. Le dispositif d’étanchéité est composé d’un géocomposite de drainage à mini-drains, placés directement sur le remblai dans le sens de la pente et connectés à un collecteur central qui évacue les eaux. Sur le géocomposite, une géomembrane en polypropylène d’1 mm d’épaisseur assure l’étanchéité.

Quatorze fuites modélisant l’endommagement de la géomembrane ont été artificiellement créées à travers cette dernière, avec un exutoire sur le géocomposite drainant. Chaque fuite est alimentée par un système assurant l’homogénéité de température entre l’eau injectée et celle de la retenue. Un dispositif de régulation et de mesure de débit et pression est placé en amont des fuites. Le système de détection des fuites consiste en un câble mixte placé au contact du remblai en pied de talus interne. Le câble de détection est relié à un interrogateur (DTS) réalisant une mesure de température répartie le long de la fibre optique avec une résolution spatiale d’un mètre pour une fréquence d’acquisition de cinq minutes et un coffret de chauffe permettant de régler et d’enregistrer la puissance P injectée dans les conducteurs en cuivre.  Le bassin expérimental a fait l’objet de deux campagnes expérimentales en 2019 et 2020, durant lesquelles il a été démontré que l’ensemble des fuites présentant un débit supérieur ou égal à
0,05  L/s avaient toutes été détectées, avec une puissance de chauffe P ≥ 4 W/m.

Une alternative aux pratiques conventionnelles

Pour les retenues d’altitude où les fuites sont à la fois préjudiciables pour l’exploitation de l’ouvrage, mais également dangereuses vis-à-vis des risques d’instabilité, la méthode active a été appliquée de façon concluante au démonstrateur. En particulier, il a été montré que la technique était capable de localiser sans faux positifs ni négatifs une fuite d’un débit supérieur ou égal à 0,05 L/s placée en amont de la fibre optique.