Technical Report NTB 98-01

Le projet "Zone de décompression" (Excavation Disturbed Zone EDZ) a été réalisé au Laboratoire souterrain du Grimsel (LSG) dans le cadre du programme du "Champ proche" au cours de la phase IV des recherches (1994 – 1996). Ce projet a été consacré à l'étude du régime hydraulique dans le champ proche de tronçons de galeries sous des conditions de saturation complète, dans le but de contribuer au développement de méthodes de mesure et de modélisation des écoulements axiaux le long de tunnels ou de cavernes. Les recherches se sont concentrées sur les propriétés mécaniques et hydrauliques de la masse rocheuse à proximité immédiate de la paroi de la galerie. La zone de décompression (EDZ) est définie comme la zone autour de la galerie où l'excavation a altéré les propriétés de la roche.

Le présent rapport donne une vue d'ensemble des résultats obtenus durant le projet EDZ. Le site d'expérimentation sélectionné était une portion de la galerie utilisée pour le projet des "Tests thermiques" (WT), où l'on avait observé une altération mécanique de la roche et quelques éclats d'excavation sur les parois. Un lever géologique détaillé a confirmé l'adéquation de ce site et a fourni l'information nécessaire à la localisation de forages courts de test. Au cours de la préparation du site, des mesures de contraintes in-situ ont été effectuées au moyen d'une sonde à fentes, afin d'évaluer la redistribution réelle des contraintes après l'excavation, dans le champ proche de la galerie, pour la planification des calculs de mécanique des roches. On a pu identifier une légère augmentation des contraintes et l'apparition de microfissures dans le champ proche de la galerie, qui suggèrent l'existence possible d'une zone plastique.

Les mesures des contraintes et les résultats du lever géologique constituent les éléments de base pour le modèle de mécanique des roches de la zone de décompression (EDZ). La modélisation avait pour objectif d'obtenir des informations sur le développement et la géométrie de la zone de décompression (compréhension des champs de contraintes primaire et secondaire). A cette fin, deux modèles ont été utilisés:

• La modélisation 3D du champ régional des contraintes a montré que la topographie exerçait une influence significative sur le champ primaire des contraintes, mais pas les systèmes de failles inclues dans le modèle. Une bonne correspondance entre les contraintes mesurées et calculées au LSG a été obtenue après l'introduction d'une composante additionnelle de contrainte tectonique du champ éloigné.

• La modélisation 2D du champ local des contraintes dans la zone de décompression de la galerie a permis l'étude de la redistribution des contraintes, de plastifications possibles et du comportement des fissures (fermeture, ouverture et déplacements de cisaillement). Les conditions initiales et aux limites ont été tirées du modèle 3D. Les déplacements de la matrice rocheuse et les mouvements de cisaillement des discontinuités semblent tous être dus à l'excavation de la galerie uniquement. Le champ des déplacements et le comporte-ment géo¬mécanique sont fortement influencés par les discontinuités. En outre, les plastifications temporaires et la redistribution des contraintes qui s'ensuivent sont fortement liées aux discontinuités (les matériaux retournent à l'état élastique). Dans les différents cas examinés par le modèle, les déformations maximales dues au cisaillement atteignent 2 à 5 mm dans le champ proche de la galerie. La plus grande convergence (mouvement vers l'intérieur) atteint 10 mm et se manifeste sur la paroi orientale de la galerie.

Avant la phase des tests hydrauliques, le site de test a été isolé de la ventilation de la galerie au moyen de parois de séparation pour permettre une complète saturation en eau de la roche et établir ainsi des conditions de phase unique. L'état de saturation a été contrôlé par des mesures d'évaporation. Ensuite, on a colmaté la surface de la roche au moyen d'une résine afin d'établir pour les tests hydrauliques des conditions aux limites définies et afin d'éviter dans la région testée des court-circuites provoquant des venues d'eau dans la galerie lors des tests d'injection. La zone de décompression a été auscultée au moyen de 4 courts forages radiaux carottés (EDZ95.001 à EDZ95.004), disposés perpendiculairement à l'axe de la galerie. Afin d'optimiser les tests hydrauliques dans ces forages, en termes de configuration et de performance, des calculs hydrauliques de planification ont été réalisés au moyen de deux modèles différents (milieu poreux équivalent EPM et réseau de fractures discrètes DFN).

Pour l'exécution des tests hydrauliques, on a développé un système entièrement modulaire de mini-obturateurs (MMPS). Ce système autorise une large gamme de configurations de test dans un petit forage de 50 mm de diamètre.

La campagne des tests hydrauliques a compris des tests à impulsion (Pulse Tests), à charge constante (Constant Head Tests), à débit constant (Constant Rate Tests) et à restitution de pression (Pressure Recovery Tests) dans différents intervalles de forage. Elle fournit une vue d'ensemble de la distribution des propriétés et caractéristiques hydrauliques de la roche. Sur 18 intervalles testés, 14 ont une conductivité hydraulique située entre 3 × 10^-12 et 3 × 10^-11 m/s. Sur la base de ces tests de reconnaissance, 4 intervalles à conductivité relativement élevée ont été sélectionnés pour une carac¬téri¬sation plus poussée (3 × 10^-7 m/s to 4 × 10^-10 m/s). La conductivité plus élevée de ces intervalles semble être liée à la présence d'une fracture préexistante à la décompression. Dans l'ensemble, les résultats des tests hydrauliques font apparaître une zone à conductivité à peu près constante de 2 × 10^-12 à 3 × 10^-12 m/s au-delà des 2 m entourant la paroi de la galerie, et une zone de conductivité supérieure à 8 × 10^-12 m/s de la paroi de la galerie jusqu'à 1 m de profondeur. Ceci suggère la présence d'une zone de décompression (EDZ) autour de la galerie. D'après le modèle de mécanique des roches utilisé, la forme de cette zone est probablement elliptique, mais ceci n'a pas pu être confirmé par les tests hydrauliques, en raison du trop petit nombre de forages et de tests.

Durant la campagne des tests hydrauliques effectués successivement dans chacun des 4 forages susmentionnés, les émissions acoustiques ont été enregistrées dans deux autres forages (EDZ95.005 et EDZ95.006), pour une surveillance particulière du site durant les essais hydrauliques. Ces mesures indiquent qu'aucune nouvelle fracture n'a été créée sur le site au cours des essais hydrauliques.

A la suite des tests hydrauliques actifs, le dispositif de surveillance a été maintenu en place pour enregistrer la restitution des pressions et la distribution spatiale de la charge hydraulique sur une longue période.

Une méthodologie permettant d'estimer le flux hydraulique axial dans le champ proche de la galerie après sa fermeture et la resaturation de l'excavation a été développée. A partir des modèles de réseaux de fractures discrètes (DFN) élaborés pour les calculs de planification et la caractérisation de la zone de décompression (EDZ), un modèle conceptuel révisé de la zone de décompression a été mis au point. On a tenu compte des effets des changements de contrainte et de pression dans les pores survenant entre la caractérisation de la zone endommagée et la resaturation de l'excavation après sa fermeture. Les résultats de la modélisation de l'écoulement dans la zone de décompression après la fermeture du site suggèrent un domaine de conductivité axiale effective (après fermeture) s'étendant de 3 × 10^-11 à environ 6 × 10^-8 m/s. La valeur la plus élevée correspond à une situation où les éléments les plus transmissifs de la zone endommagée sont étendus et bien connectés entre eux, tandis que la valeur inférieure correspond à une situation où domine une fracturation à petite échelle dans la zone endommagée. Dans tous les cas, la conductivité hydraulique axiale effective de la roche autour de la galerie au LSG sera contrôlée par l'extension et la connectivité des éléments les plus transmissifs dans la zone endommagée.

Dans l'ensemble, on considère que les objectifs expérimentaux ont été atteints et que les équipements et méthodologies développés sont adéquats pour la détermination des propriétés hydrauliques de la zone de décompression (EDZ).