LES BARRAGES ET LA
SECURITE
LES BARRAGES ET LA
SECURITE
La sécurité des barrages fait l'objet d'études très voisines des notions de cindyniques aussi bien lors de leur construction que de leur exploitation. Nous remercions vivement Jacques LECORNU, Secrétaire Général de la Commission Internationale des Grands Barrages de faire le point pour les lecteurs de la Lettre des Cindyniques.
Les barrages apportent une contribution vitale à la gestion des ressources en eau
Ils permettent de satisfaire aux besoins des populations, de l'agriculture et de l'industrie ; ils améliorent les conditions de navigation ; dans certains cas, ils fournissent de l'énergie hydroélectrique renouvelable. Les retenues des barrages régularisent les débits naturels, soit en laminant les crues, soit en soutenant les débits d'étiage, tout en permettant des activités piscicoles. Les plans d'eau accueillent souvent aussi des activités de loisirs ; ils sont capables de créer et de maintenir des milieux marécageux, favorables à la biodiversité. Pour toutes ces raisons, les barrages sont générateurs de richesses et, s'ils devaient disparaître, ce sont les conditions de vie d'un sixième de l'humanité qui deviendraient, de ce fait, intenables.
Cependant, 1 % des barrages en moyenne ont subi un accident sur une très longue période. Bien que cela puisse paraître faible, les pertes matérielles et en vies humaines qui en résultent sont inacceptables.
Les ingénieurs qui établissent le projet, qui réalisent, qui auscultent et qui exploitent les barrages sont responsables de leur sécurité. Dès les périodes protohistoriques, le constructeur assume ses pleines responsabilités. Un des codes législatifs les plus anciens - le Code d'Hammourabi - désigne l'architecte comme le responsable des défaillances éventuelles de ses bâtiments ; il y risquait sa vie. Une légende chinoise datant de la même époque veut que les bâtisseurs des digues aient été considérés comme responsables des inondations provoquées par leur rupture ; jugés rebelles, ils étaient torturés et exécutés. Cependant, le Tao ajoutait que, plus tard, ces hommes furent considérés comme des héros, traités injustement.
Les barrages existent depuis très longtemps. Un des plus anciens que nous connaissons, situé à Jawa(Jordanie) date d'il y a 5 000 ans. Le premier accident, survenu au barrage de Kafara (Égypte), est également ancien (il y a 4 600 ans).
Après cet accident, les ingénieurs égyptiens semblent avoir attendu plusieurs siècles (800 ans) avant de récidiver ». Ce bref aperçu des barrages dans la « préhistoire » témoigne de la capacité d'invention face à une nature souvent imprévisible, et à l'épreuve du long terme :
les barrages se caractérisent par une durée de vie qui se mesure en siècles, et qui est sans comune mesure avec la plupart des constructions ou des outils industriels.
1 - LE ROLE DE LA CIGB (COMMISSION INTERNATIONALE DES GRANDS BARRAGES)
Faisant de la cindynique 60 ans avant même que le mot ne soit inventé, près d'une centaine de pays ont décidé de mettre en commun leur expérience pour améliorer la sécurité des barrages actuels et futurs. Ces pays - il y en a aujourd'hui 81 - ont décidé de se réunir en 1928 pour créer une association mondiale, la CIGB, dont les objectifs sont consignés dans ses statuts actuels :
« L'objectif de la Commission est de favoriser les progrès dans l'établissement des projets, la construction, l'exploitation et l'entretien des grands barrages et des ouvrages de génie civil associés, en rassemblant les renseignements qui les concernent et en étudiant les questions qui s'y rapportent et notamment les aspects techniques, économiques, écologiques et sociaux. »
La CIGB est organisée sur deux niveaux :
2 - L'ANALYSE DES ACCIDENTS
Le retour d'expérience, et sa diffusion, jouent un rôle fondamental dans la conception et la gestion des barrages. Plus le gisement d'expériences est riche, plus cette expérience est significative : cette évidence est une nécessité pour des ouvrages dont la population aval est limitée et qui sont peu sujets aux accidents.
On peut évaluer à 40 000 (environ) le nombre de grands barrages existants (c'est-à-dire des barrages de plus de 15 m de hauteur). On compte plus de 300 accidents répertoriés et analysés.
Il s'en construit un par jour et le temps moyen de construction est de quatre ans.
Parmi les publications de la CIGB, la plus importante source d'informations sur les accidents est le Bulletin « Leçons tirées des accidents de barrages (1974) ».
Cet ouvrage ouvrage analyse en particulier les types d'ouvrages (poids, à contreforts, en terre, en enrochement, etc…) adaptés à la fondation, aux matériaux disponibles et à la morphologie de la vallée.
Depuis, un grand nombre de publications ont vu le jour, tel que le Bulletin n° 99 « Ruptures de barrages - Analyse statistique ». Dans cet ouvrage, on analyse les accidents et les événements par type de barrage concerné et par cause. On cherche à sensibiliser les ingénieurs sur les différents phénomènes en cause (avec, dans une certaine mesure, leur probabilité), et les suites d'événements pouvant conduire à la catastrophe.
La construction d'un barrage n'est pas une fin en soi qui se termine avec la mise en eau. L'ouvrage devra faire l'objet d'auscultations et d'inspections tout au long de "sa vie" pour que sa pérennité soit assurée.
3 - LES DÉMARCHES SCIENTIFIQUES ET LES MODELES POUR BATIR ET EXPLOITER DES BARRAGES
3.1. La démarche pluridisciplinaire
L'art du bâtisseur des barrages est resté longtemps un art totalement empirique marqué par des innovations remarquables ; il s'est ensuite appuyé sur des bases scientifiques.
Aujourd'hui, il fait intervenir ces connaissances dans un grand nombre de disciplines :
Chaque spécialiste utilise des outils spécifiques provenant des divers secteurs (mécanique des milieux continus, résistance des matériaux physico-chimiques).
Dans le domaine de la sécurité, ce sont les phénomènes "rares" ou "extrêmes" qui sont intéressants. L'objectif est aussi de définir, lors des études de projet, une "crue de projet" et un "seisme de projet".
Pour les fondations, ce n'est évidemment pas seulement le comportement global qui est significatif. En effet, les discontinuités éventuelles, leur extension (lieux privilégiés d'écoulements préférentiels), et la stabilité de la fondation soumise aux différents efforts (pesanteur, sous-pressions, sollicitations hydrodynamiques, etc ...) sont essentielles. C'est le cas également des remblais en terre ou en enrochement, et des fondations en terrain meuble.
Dans chaque discipline, on convient de faire une analyse détaillée du comportement global, et du comportement local dans des situations extrêmes.
3.2. L'identification des aléas « acceptables »
L'incertitude est évaluée afin d'établir le niveau de probabilité de rupture.
Ainsi, chaque spécialiste effectue des analyses qui visent à rechercher les paramètres : on dispose, en principe, des outils statistiques nécessaires à cette tâche, à condition de disposer d'une assez grande quantité de mesures, d'assez de « mémoire. »
Par exemple, une série de mesures hydrologiques sur une période de cent ans est idéale ; pour les séismes, il est préférable de disposer de données sur une période de plusieurs milliers d'années, car les séismes constatés sont des événements rares, peu répertoriés.
Grâce aux lois de Fischer-Tippet, les statisticiens savent relier probabilités annuelles Pa de la survenue d'un événement et probabilité cumulée Pn sur n années :
Les travaux effectués dans les différentes disciplines doivent être conduits sur une base cohérente. Ainsi, il serait absurde de prendre une période de retour égale à 10-5 pour le séisme de projet et une valeur de 10-4 pour la fréquence de la crue de projet. Le niveau de précaution pris pour l'un serait excessif par rapport à l'autre.
Un autre problème concerne l'hétérogénéité des fondations rocheuses (joints, diaclases, failles) et des couches dans les terrains meubles. Une campagne de forages de reconnaissance suffisamment serrés pourrait, en principe, lever les doutes, établir l'échelle du problème, et fixer des valeurs pour les paramètres significatifs : Comment être sûr que la reconnaissance est suffisante ? Mais les forages demandent des délais et sont onéreux.
Pour un projet de digue de 100 km de longueur, par exemple, doit-on prévoir un forage tous les mètres, tous les dix mètres, ou tous les cent mètres ? Et quelle serait la profondeur de ces forages ?
Une étude géologique traditionnelle, à une échelle plus vaste, permet de distinguer les zones probablement plus hétérogènes nécessitant un maillage plus serré, de celles, plus homogènes, où la distance entre les forages peut être plus grande.
3.3. Le facteur humain et la conduite de projet
Le chef de l'équipe d'ingénieurs chargée des études doit adapter ses objectifs en permanence dès la conception, et il doit diriger les travaux de chaque spécialiste en conséquence.
Mais des décisions basées sur le jugement entraînent parfois des risques majeurs lors de l'établissement du projet et, plus tard, lors des activité de surveillance et de maintenance.
On a pu mettre en évidence quelques exemples désormais classiques de comportements humains conduisant presque inéluctablement à un accident avec des conséquences graves : sentiment d'infaillibilité, approche trop simpliste, non-communication entre les différents spécialistes de l'équipe de projet, subordination de la gestion des risques aux autres contraintes (rapidité d'exécution des études, etc ...), bref on a trouvé la plupart des déficits "cindynogènes » bien connus au sein de l'IEC.
Pour éviter ces écueils, l'équipe de projet sera solidement structurée, mais devra rester ouverte à de nouvelles idées, afin d'éviter les pièges qui résultent de tels comportements; l'équipe doit pouvoir tenir compte des limitations de la démarche pluridisciplinaire, et en intégrer les incertitudes.
4 - LES COMPOSANTES DU RISQUE
4.1. L'estimation des risques
La notion relativement récente de gestion des risques résulte des recherches sur la fiabilité de systèmes industriels complexes comportant un très grand nombre de composantes différentes, chacune pouvant avoir une défaillance.
Une architecture bien conçue associée à une redondance fonctionnelle pousse le niveau de fiabilité du système au-delà de celui des composantes, prises individuellement. Parmi les systèmes industriels exigeant la recherche de « qualité totale », « zéro défaut », «risque nul», on pense aux avions, aux missiles, aux sous-marins et aux usines nucléaires.
Les arbres d'événements, les arbres de défaillances
L'analyse fonctionnelle des défaillances passe par l'élaboration de scénarios basés sur les défaillances observées. On construit ainsi des « arbres d'évènements » et des « arbres de défaillances ». Les avantages de cette approche sont évidents lorsque l'on cherche une analyse rationnelle des taux de défaillance et des probabilités de rupture.
On est tenté d'appliquer cette approche rationnelle au problème de la fiabilité des barrages.
Mais ce n'est pas chose facile. En effet, les composantes ne sont pas des produits industriels fabriqués en série, à la durée de vie chiffrable et aux mécanismes de défaillance connus. Les composantes résultent de situations naturelles, abordables par une approche statistique, en utilisant des valeurs mesurées.
Le risque global de rupture d'un barrage intègre les risques élémentaires liés aux incertitudes dans la définition de la crue de projet, du séisme de projet, des caractéristiques des matériaux et des conditions de fondation.
Certains aspects relèvent cependant des risques des machines.
Exemple pratique : La sécurité opérationnelle des retenues
Ainsi, il faut ouvrir les vannes équipant un ouvrage de basse chute pour passer une forte crue, dont la période de retour est d'environ 5 000 ans. Une telle crue peut avoir des conséquences secondaires : coupure de courant, interruption des télécommunications, inondation des routes, destruction des circuits électriques par la foudre (malgré leur mise à la terre).
La probabilité acceptable de rupture par déversement du barrage doit être faible, compte tenu des dégâts inacceptables qui en résulteraient.
Pour les risques « majeurs » l'objectif est une disponibilité garantie totale.
Le système de contrôle-commande devra donc comporter des redondances.
Il est à noter que les composantes d'une chaîne de contrôle, avec les mécanismes de commande, présentent individuellement un niveau de fiabilité élémentaire insuffisant par rapport au niveau de sécurité publique jugé acceptable. Dans certains cas, leur fiabilité n'est même pas suffisante pour satisfaire aux critères de la qualité de service demandée.
L'architecture du système contrôle-commande qui intègre une réelle redondance : en évitant les noeuds communs, permettant d'obtenir le niveau de fiabilité demandé. Notons qu'il est essentiel de fixer la valeur voulue à partir d'une analyse fonctionnelle.
On peut illustrer ce type d'architecture à l'aide d'un exemple. Soit une vanne de prise présentant un facteur d'indisponibilité égal à 4% (voir ci-dessus). Pour garantir l'alimentation des turbines à hauteur de 16 o/ooo, on doit prévoir deux vannes en parallèle. Mais pour assurer le même niveau de garantie en cas de coupure du débit, on doit prévoir deux vannes en série.
4.2. L'analyse économique
Le risque est défini comme le produit de la probabilité d'un événement dommageable - l'aléa - par les dommages associés.
Logiquement, dans toute approche rationnelle du problème de la sécurité, on classe les projets par risques décroissants, afin de traiter en premier les problèmes les plus urgents. Il est à noter que l'on doit distinguer deux catégories : les victimes, et les pertes matérielles.
Chaque pays fixe ses propres objectifs en la matière. Pour les victimes, si une probabilité de 10-3 est acceptable pour une personne, il est alors logique de supposer que le risque acceptable est de 10-4 pour dix personnes, 10-5 pour cent personnes, et ainsi de suite, puisque le produit de la probabilité multiplié par les dommages prévisibles doit rester constant. On aboutit à une courbe de "risque constant".
On a développé récemment l'idée de faire varier le niveau de sécurité en fonction du risque dans les pays tels que le Canada, l'Australie et la Norvège. On cherche ainsi à adapter le niveau du risque aux conséquences prévisibles à l'aval.
Mais il est évident que, dans les zones fortement peuplées, cette approche soulève des problèmes difficiles.
Cependant, elle demeure utile pour classer les aménagements dans un tableau de priorités, afin de dégager les priorités.
4.3. La gestion des risques
On peut dénombrer plusieurs familles d'actions :
1. au niveau du barrage, des actions préventives concernant l'ouvrage impliquent la surveillance, l'auscultation et des inspections destinées à déceler au plus tôt toute évolution néfaste et déclencher des travaux d'entretien nécessaires ; il s'agit de l'entretien « conditionnel » bien connu dans l'industrie.2. des actions complémentaires, qui visent à réduire les conséquences d'une rupture (téléphone, systèmes d'alerte, plans d'évacuation).
3. des actions préventives à l'aval : des zones à hauts risques sont identifiées afin d'y interdire des localisations d'aménagements dont la perte serait très importante en cas d'accident.
Qui doit-on tenir pour responsable de la sécurité publique mis en cause lors d'un accident ? Dans de nombreux pays, la responsabilité revient aux pouvoirs publics.
En effet, ceux-ci ont la possibilité d'imposer des normes et d'exiger des contrôles destinés à assurer la sécurité du public. Les maîtres d'ouvrage et les exploitants de barrage sont obligés de se conformer à ces normes. Chaque pays établit aussi des procédures de validation des projets. ( En France, la réglementation s'appuie sur des procédures de contrôle, pour les ouvrages de plus de 20 m, élaborées et mises en œuvre sous les directives du Comité Technique Permanent des Barrages.)
Au-delà des normes, lorsqu'une « catastrophe » apparaît, on pourrait considérer que les pouvoirs publics ont failli à leur devoir d'assurer la sécurité publique. C'est, en général, la société civile qui assume la responsabilité.
Mais on peut considérer plus généralement que l'exploitant du barrage (ou sa compagnie d'assurances) possède - ou doit posséder - assez d'informations pour prévenir les accidents, et que cette entité doit être tenue responsable des conséquences d'un accident.
Pour certains risques (incendie, ...), ce sont les assureurs qui couvrent les risques, et en contrepartie, ils participent à l'élaboration du projet afin de s'assurer que l'aménagement répond aux normes de sécurité.
CONCLUSIONS : De bons résultats de la mise en œuvre depuis des décennies de méthodes cindyniques, mais l'attente sociale reste vive.
Indéniablement la mise en commun d'expériences a eu un impact sur les résultats : une analyse de l'évolution dans le temps du taux d'accident montre qu'il diminue continuellement depuis quarante ans (division de l'aléa par cinq environ). Cette amélioration est sans doute le résultat de l'introduction et l'amélioration des techniques de reconnaissance, mais également de la diffusion des connaissances sur des aléas.
Ce fait, à lui seul, justifie l'existence de la CIGB et conduit à souhaiter que s'y associent tous les pays du monde.
Quel est le taux de rupture actuellement ? On peut prendre une valeur nettement inférieure à 1% sur toute la durée de vie d'un barrage. Si l'on prend une distribution uniforme des risques, le risque annuel pour un barrage donné est de l'ordre de 10-5 en moyenne.
Il faut cependant s'interroger sur la signification réelle de statistiques, souvent calculées à partir d'une faible population de ruptures.
Il convient aussi d'examiner individuellement chaque barrage afin d'évaluer son niveau réel de sécurité, car il n'y a évidemment pas de raison de supposer que celui-ci atteindra la moyenne théorique, calculée pour l'ensemble de la population. Certains barrages sont cependant, par nature, plus dangereux que d'autres : c'est, par exemple, le cas de barrages en terre de faible hauteur.
Le levier principal de ces progrès a été la promotion des techniques sûres. En effet, le meilleur moyen d'améliorer la sécurité est de publier les recueils tels que ceux cités ci-dessus, et de rechercher les meilleures dispositions constructives. C'est le rôle des Comités Techniques de la CIGB. L'expérience acquise aux quatre coins du monde est diffusée lors des Congrès triennaux, où la sécurité a, de fait, toujours sa place parmi les thèmes de discussion.
Historiquement, la sécurité des barrages a toujours été considérée comme la fonction essentielle de mission des ingénieurs ; ils doivent rendre des comptes en cas d'accident.
A cet égard, la demande sociale a récemment fortement évolué pour aller au-delà de la logique « cindynique » en matière de sécurité avec l'émergence du principe de précaution.
Jacques LECORNU
Secrétaire Général de la
COMMISSION INTERNATIONALE DES GRANDS BARRAGES (CIGB)
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SERRE PONÇON |
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TIGNES |
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SAINTE CROIX |
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GRAND MAISON |
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VOUGLANS |
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MONTEYNARD |
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BORT LES ORGUES |
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ROSELEND |
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LE MONT CENIS |
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LE CHAMBON |
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© Institut Européen de Cindyniques -Lettre n° - 29 - Janvier 2000