Simulations de particules, une technologie clé dans la gestion des catastrophes alpines

Les fortes précipitations, la hausse des températures et les conditions météorologiques extrêmes sont des conséquences du changement climatique qui favorisent les chutes de pierres et les coulées de débris dans la région alpine. Cela augmente les risques pour les zones résidentielles et les infrastructures situées dans leurs zones de ruissellement. Les scientifiques du département d'ingénierie géotechnique de l'université d'Innsbruck mènent des recherches sur les mesures de protection préventives.

En plus des conditions géotechniques, ces scientifiques s'intéressent principalement à l'énergie libérée lors des chutes de pierres. L'accent est mis sur les interactions, les effets sur les barrages de protection de différentes conceptions, ainsi que la dispersion et les schémas de dépôt des débris après l'impact. Les résultats permettront de garantir que les barrages sont construits pour résister aux charges attendues localement et offrir une protection maximale.

L’expérimentation et la simulation plutôt que l'empirisme

Avec ces travaux de recherche, l'équipe d'Innsbruck a ouvert une nouvelle voie. En effet, il n'existe pratiquement aucun travail empirique préliminaire connu, ni aucun événement documenté sur lequel s'appuyer. Par conséquent, une meilleure compréhension de ces puissants phénomènes doit être acquise grâce à des expériences sur des modèles et à l’aide de simulations, ainsi qu'à l'interaction des deux méthodes.

L'équipe de recherche d'Innsbruck a examiné diverses questions relatives aux propriétés d'écoulement et d'impact sur la base d'environ 200 expériences sur modèle et a extrait des formules à partir des résultats des mesures. Des simulations calibrées utilisant la méthode des éléments discrets (DEM) sont ensuite utilisées pour vérifier la plausibilité des données et des corrélations obtenues. En outre, les paramètres influents sont analysés, les sensibilités sont extraites et les résultats sont extrapolés à d'autres scénarios.

Essais sur modèles en laboratoire

À l'aide de structures modèles, des données et des formules ont été déterminées dans le laboratoire de génie géotechnique qui décrivent les mouvements de masse gravitationnels et leur impact sur divers barrages de protection. Chaque éboulement étant unique, les chercheurs ont défini des variantes représentatives avec des types de matériaux qui diffèrent par leurs propriétés telles que la taille, la rugosité et la distribution des grains, ainsi que le frottement. D'autres facteurs tels que l'angle d'inclinaison et le sous-sol ont également été modifiés afin d'analyser l'influence des vitesses et des profondeurs d'écoulement.

Pour décrire le mouvement de masse à partir du moment de l'impact sur la structure de protection, quatre phases ont été identifiées :

• Phase 1 : impact du matériau,
• Phase 2 : poussée vers le haut après l'impact (« effet de montée »),
• Phase 3 : écoulement le long du barrage dans la digue et un coin de matériau (« zone morte ») se crée
• phase 4 : La zone morte redirige le matériau suivant vers le côté dans la digue (« effet d'accumulation »).

Qu’est-ce que des simulations de particules basées sur la méthode des éléments discrets (DEM) ?

Les simulations de particules sont basées sur une méthode numérique appelée Discret Element Method (DEM). Ces types de simulations sont largement utilisées dans divers domaines de l'industrie et de la recherche pour analyser et améliorer les flux de particules, qu'il s'agisse de poussière, de matériaux en vrac ou de débris. Ansys Rocky est un logiciel qui met en œuvre la méthode DEM à des fins pratiques pour les ingénieurs et les techniciens de processus.

Ansys Rocky | Processus DEM pour les systèmes de particules

Simulations avec Ansys Rocky pour modéliser les chutes de pierres et leur interaction avec leur environnement

Grace aux résultats des expériences, une modélisation numérique a été réalisée suivant la méthode des éléments discrets. Ceux-ci ont été modélisés à l'aide du logiciel Ansys Rocky, la somme de tous les éléments discrets donnant la masse de la chute de pierres. L'interaction des particules avec l'environnement a été représentée à l'aide d'un modèle linéaire à ressort et amortissement. Les simulations DEM étant très gourmandes en ressources informatiques, le modèle de simulation a été simplifié et des particules discrètes de géométrie sphérique parfaite et un modèle de frottement de roulement supplémentaire ont été utilisés.

Simulation à posteriori d'un éboulement réel dans le Tyrol

La qualité d'un tel modèle peut être déterminée en recalculant des événements passés. C'est ce qui a été fait pour l'éboulement massif qui s'est produit la veille de Noël 2017 près du village de Vals, dans le Tyrol, sans heureusement faire de blessés. Avec une masse de plusieurs dizaines de milliers de tonnes, il a enseveli la route menant à Vals, coupant les 130 villageois du monde extérieur pendant deux jours.

Est-il possible d'utiliser un modèle numérique DEM pour simuler la chute de pierres de sorte que les zones de ruissellement réelles et simulées correspondent avec une précision suffisante ? Et les résultats de la simulation peuvent-ils être utilisés pour déterminer la charge sur les structures de barrage causée par les chutes de pierres ou la hauteur requise de la structure de protection ?

Les résultats indiquent un modèle de simulation réaliste. L'image 2 montre, de gauche à droite...

• ... le modèle de terrain avec les débris (en rouge) avant et la zone d'écoulement (en bleu) après l'éboulement. Ces informations géométriques constituent la base pour calibrer des paramètres matériels réalistes comme conditions limites pour la modélisation de l'éboulement dans Ansys Rocky.
• … la simulation DEM de l'avalanche rocheuse basée sur les informations du modèle de terrain et les valeurs adaptées issues des expériences.
• … la zone d'écoulement et les hauteurs de dépôt issues de la simulation DEM. Celles-ci indiquent un haut degré de conformité avec la distribution documentée des débris.

Associé à d'autres paramètres de processus, en particulier le modèle de phase, le modèle de simulation peut servir de base à la planification de structures de protection adaptées.

La méthode développée par les scientifiques d'Innsbruck, basée sur des expériences et des simulations DEM, donne des résultats fiables dans le cas évalué et constitue une avancée majeure vers la sécurisation future des sites menacés grâce à la construction de structures de protection adaptées.

Cet article est basé sur les publications du département d'ingénierie géotechnique de l'université d'Innsbruck.