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Rapport rédigé à la demande du MEDDE - DGPR

Version définitive - octobre 2014

Rapport du groupe de travail "barrages et séismes" - version définitive octobre 2014 2/316

SOMMAIRE

1. Le contexte général de la sécurité des ouvrages _____________________________ 4

1.1. Objectifs, contexte et limites d"application du rapport __________________________ 4

1.2. La réglementation parasismique ____________________________________________ 6

1.3. La législation et la réglementation en matière de sécurité des barrages et des digues 15

2. L"aléa sismique, les phénomènes, les sources d"information __________________ 22

2.1. Notions sur le phénomène sismique _________________________________________ 22

2.2. Surveillance et réseaux sismiques en France _________________________________ 31

3. La vulnérabilité des ouvrages aux séismes _________________________________ 34

Introduction __________________________________________________________________ 34

3.1. Barrages en remblai _____________________________________________________ 34

3.2. Barrages en béton ou en maçonnerie _______________________________________ 39

3.3. Conséquences des séismes en fonction de la magnitude et de la distance épicentrale 42

3.4. Autres effets des séismes __________________________________________________ 44

4. Détermination de l"aléa sismique régional _________________________________ 47

Introduction __________________________________________________________________ 47

4.1. Définition de l"aléa sismique "de référence" _________________________________ 47

4.2. Aléa "de référence" : la carte de zonage réglementaire ________________________ 56

4.3. Méthode déterministe ____________________________________________________ 61

4.4. Méthode Probabiliste ____________________________________________________ 65

4.5. Recommandations pour les estimations spécifiques de l"aléa ____________________ 67

5. Effets de site _________________________________________________________ 69

Introduction __________________________________________________________________ 69

5.1. Description et origine des effets de site directs ________________________________ 69

5.2. Estimation des effets de site directs _________________________________________ 79

5.3. Techniques de reconnaissance _____________________________________________ 83

5.4. Recommandations pratiques pour la prise en compte des effets de site directs _____ 87

5.5. Effets induits ___________________________________________________________ 89

6. Analyse sismique des ouvrages __________________________________________ 97

Introduction __________________________________________________________________ 97

6.1. Ouvrages rigides ________________________________________________________ 97

6.2. Ouvrages en remblai ____________________________________________________ 117

7. Evaluation de la sécurité des ouvrages vis-à-vis du risque sismique ___________ 148

7.1. Préambule - Généralités _________________________________________________ 148

7.2. Sollicitations sismiques __________________________________________________ 150

7.3. Ouvrages rigides _______________________________________________________ 157

7.4. Barrages en remblai ____________________________________________________ 168

7.5. Digues ________________________________________________________________ 178

Rapport du groupe de travail "barrages et séismes" - version définitive octobre 2014 3/316

7.6. Ouvrages annexes ______________________________________________________ 179

8. La conception parasismique des barrages ________________________________ 182

Introduction _________________________________________________________________ 182

8.1. Prise en compte de la topographie et de la géologie du site _____________________ 182

8.2. Choix du type de barrage ________________________________________________ 183

8.3. Recommandations concernant les fondations _______________________________ 184

8.4. Recommandations concernant les barrages en remblai _______________________ 185

8.5. Recommandations concernant les barrages en béton _________________________ 188

8.6. Recommandations concernant les barrages mixtes ___________________________ 189

8.7. Ouvrages annexes ______________________________________________________ 190

9. Mesures d"accompagnement ___________________________________________ 194

9.1. L"après-séisme _________________________________________________________ 194

9.2. L"alerte précoce ________________________________________________________ 196

9.3. L"instrumentation sismique ______________________________________________ 197

9.4. Les besoins méthodologiques ou de recherche _______________________________ 200

A1. Annexe 1 - Lettre de mission DGPR ___________________________________ 206 A2. Annexe 2 - Le groupe de travail ______________________________________ 207 A3. Annexe 3 - Glossaire et sigles _________________________________________ 209 A4. Annexe 4 - Pratiques internationales __________________________________ 214 A4.1. Autriche ______________________________________________________________ 214 A4.2. Italie _________________________________________________________________ 218 A4.3. Suisse ________________________________________________________________ 220 A4.4. Espagne ______________________________________________________________ 224 A4.5. Allemagne ____________________________________________________________ 228 A4.6. Etats-Unis ____________________________________________________________ 233 A4.7. Canada _______________________________________________________________ 238 A5. Annexe 5 - Bibliographie ____________________________________________ 245 A6. Annexe 6 - Sites Internet utiles _______________________________________ 255 A7. Annexe 7 - Compléments scientifiques et techniques _____________________ 257 A7.1. Compléments au chapitre 4 ______________________________________________ 257 A7.2. Compléments au chapitre 6 ______________________________________________ 286 A7.3. Méthodes dynamiques simplifiées : exemple barrage en remblai ______________ 287 A7.4. Méthodes dynamiques simplifiées : exemple barrage-poids ____________________ 298 A7.5. Compléments au chapitre 9.1. ____________________________________________ 307 A8. Annexe 8 - Information sur les outils de gestion du risque sismique _________ 311 A9. Annexe 9 - Alerte précoce ___________________________________________ 314 Rapport du groupe de travail "barrages et séismes" - version définitive octobre 2014 4/316

1. Le contexte général de la sécurité des ouvrages

1.1. Objectifs, contexte et limites d"application du rapport

Le présent document vise à unifier les pratiques pour la vérification de la sécurité vis-à-vis du

risque sismique des ouvrages hydrauliques, barrages et digues, situés en France. Il a été

établi par un groupe de travail présidé par Daniel Loudière, vice-président du Comité

Technique Permanent des Barrages et des Ouvrages Hydrauliques (CTPBOH) ; le

secrétariat technique a été assuré par Marc Hoonakker, ingénieur au Bureau d"Etude

Technique et de Contrôle des Grands Barrages (BETCGB) à la Direction Générale de la Prévention des Risques (DGPR) du Ministère de l"Ecologie, du Développement Durable et de l"Energie (MEDDE).

Le document a vocation à répondre à la demande du Directeur Général à la DGPR, Laurent

MICHEL, qui a souhaité disposer "d"un référentiel technique pouvant servir de base pour la future réglementation technique que les services de la DGPR prépareront dans le but de vérifier le comportement en cas de séisme des ouvrages hydrauliques en service" . La lettre de mission correspondante figure en annexe 1.

Le groupe de travail a été constitué en faisant appel aux compétences des représentants de

deux communautés professionnelles : · celle des barrages : services de contrôle, concepteurs, exploitants et spécialistes ; · celle de la sismologie : laboratoires de recherche, observatoires, centres d"études.

Deux associations scientifiques et techniques ont été associées aux travaux : d"une part

l"Association Française du génie ParaSismique (AFPS), d"autre part le Comité Français des

Barrages et Réservoirs (CFBR).

La composition du groupe de travail est fournie en annexe 2. Tous ses membres ont

contribué activement à la rédaction et surtout à la mise au point du document ; qu"ils en

soient vivement remerciés.

Le document a été rédigé sur la base des textes législatifs et réglementaires récents traitant

de la sécurité des ouvrages hydrauliques, notamment : · la loi n° 2006-1776 du 30 décembre 2006 dite loi sur l"eau et les milieux aquatiques (LEMA) ;

· le décret n° 2007-1735 du 11 décembre 2007 relatif à la sécurité des barrages et au

CTPBOH ;

· différents arrêtés relatifs à la sécurité des ouvrages hydrauliques notamment aux études

de danger. Les textes les plus importants sont repris dans le Code de l"Environnement (parties

législative et réglementaire) accessible sur le site du Journal Officiel de la République

Française, ou, pour les ouvrages concédés, intégrés dans le cahier des charges type des

concessions hydroélectriques ; ils sont commentés au §1.3 du présent chapitre. Le document s"applique aux barrages (y compris les remblais latéraux de canaux ou de fleuves canalisés visant à stocker en permanence des eaux) ainsi qu"aux digues (ouvrages

latéraux aux fleuves ou rivières visant à protéger en cas de crue les populations riveraines,

et les digues maritimes et estuariennes). La répartition en quatre classes résulte du décret

de 2007, et conduit à des procédures différenciées, ce qui a été retenu aussi pour les

séismes. Les ouvrages annexes, tels qu"évacuateurs de crue, ouvrages de vidange ou de prise d"eau, entrent également dans le champ de ce document. Rapport du groupe de travail "barrages et séismes" - version définitive octobre 2014 5/316 Par contre, sortent du champ d"application de ce document :

· les éventuels autres ouvrages constitutifs de l"aménagement tels que stations de

pompage, galeries, conduites forcées ou usines hydroélectriques ;

· les ouvrages de stockage de stériles miniers dont le remblai est constitué au moins

partiellement des matériaux stockés ; · les glissements de terrain, la chute de blocs ou les effondrements de parois, même s"ils peuvent remettre en cause la sécurité de l"ouvrage principal et des ouvrages annexes ; la

prise en compte de tels événements doit être considérée sur la base des pratiques

admises. Le document s"applique aussi bien aux barrages ou aux digues en projet qu"aux ouvrages existants. Pour les ouvrages existants, la surveillance par l"auscultation et l"inspection

visuelle constituent un outil essentiel d"évaluation de l"état de l"ouvrage. En cas de faiblesses

détectées par cette surveillance (ou par l"absence de surveillance), ou lorsque les normes

utilisées pour la conception de ces ouvrages sont jugées insuffisantes, la procédure de

révision spéciale (voir §1.3.4.4) vise à remettre ces ouvrages à un niveau de sécurité

acceptable. En ce qui concerne les failles actives (cf. glossaire annexe 3), l"implantation d"un nouvel ouvrage au-dessus d"un tel accident géologique est à exclure. En effet, le groupe de travail

conseille d"interdire une telle configuration qui, en toute hypothèse, nécessiterait des études

et une conception qui iraient très au-delà des prescriptions incluses dans le document. A titre

d"exemple, en Californie, la loi Alquist-Priolo a pour objet d"interdire la construction de

bâtiments d"habitation dans la zone dite de "surface trace" d"environ 400 m de largeur au

droit des failles actives, sachant que cette loi définit qu"une faille active est une faille qui a

subi au moins une rupture pendant les 11 000 dernières années. Enfin le groupe de travail s"est efforcé de rédiger des recommandations qui soient proches ou tout au moins cohérentes avec :

· l"Eurocode 8 ;

· les pratiques étrangères, ne serait-ce que du fait que certains ouvrages hydrauliques sont frontaliers (voir les fiches correspondantes en annexe 4 1) ;

· les autres risques naturels à prendre en compte dans la sécurité des ouvrages

hydrauliques, notamment celui lié aux crues ;

· les approches adoptées pour la vérification de la sécurité aux séismes d"autres

catégories de grands ouvrages tels que centrales nucléaires, ponts ou installations classées pour la protection de l"environnement (ICPE) ; les principes mis en oeuvre pour ces autres catégories d"ouvrages sont présentés brièvement au § 1.2. Pour les lecteurs qui ne seraient pas familiers des sujets abordés dans ce document un

glossaire abrégé a été inclus dans l"annexe 3. La bibliographie figure en annexe 5. Certains

développements scientifiques ou techniques, bien que fort éclairants, ont semblé trop longs

ou trop théoriques pour figurer dans le texte principal ; ils ont été regroupés dans l"annexe 7.

Le rapport parlementaire sur l"amélioration de la sécurité des barrages et ouvrages

hydrauliques rédigé par le député Christian Kert et présenté devant l"Office parlementaire

1 Le groupe de travail a regretté de ne pouvoir intégrer les pratiques japonaises, faute de traduction de

la documentation technique. Néanmoins, des contacts approfondis ont été noués depuis 2013 avec la

communauté scientifique japonaise dans le domaine sismique, débouchant sur un protocole de collaboration entre nos deux pays pour les prochaines années. Des compléments d"information

pourront ainsi être obtenus sur la réglementation japonaise, outre la possibilité offerte de valider les

méthodes de calcul à partir de l"importante base de données de mesures sismiques. Rapport du groupe de travail "barrages et séismes" - version définitive octobre 2014 6/316 d"évaluation des choix scientifiques et technologiques (OPECST) en 2008 fournit un cadre

général sur les attentes en matière de sécurité ; il met l"accent sur les ouvrages de petite ou

moyenne dimension et souligne l"intérêt des recherches en cours pour mieux apprécier le

risque sismique et le comportement des matériaux (sols et bétons) sous l"effet de telles

sollicitations. Il a été pris en compte dans l"élaboration du présent document. Une version provisoire des recommandations a été produite en novembre 2010 et largement

diffusée dans la profession. La présente version, définitive, intègre les résultats des diverses

consultations, des améliorations issues du retour d"expérience depuis 4 années, et des

compléments proposés par le groupe de travail, en particulier les exemples de calculs

figurant à l"annexe 7.

1.2. La réglementation parasismique

La politique nationale de gestion du risque sismique comprend un volet prévention

(développé en annexe 8) incluant la réglementation parasismique présentée ci-après.

1.2.1. Le zonage sismique de la France

1.2.1.1. Intérêt d"un zonage sismique à l"échelle nationale

L"application des normes parasismiques pour les constructions nécessite de définir des

mouvements sismiques de référence (c"est-à-dire les mouvements du sol attendus en cas de séisme) à prendre en compte pour le dimensionnement des structures. Le niveau de

sismicité est très variable d"un point à un autre du territoire français. Il est donc nécessaire

de séparer ce territoire en différentes zones traduisant un niveau de sismicité différent.

Le zonage et les mesures de prévention réglementaire qui s"y rapportent sont principalement définis par les textes suivants : · articles R563-1 à R563-8 du code de l"environnement relatifs à la prévention du risque

sismique (modifiés par les décrets n°2010-1254 et n°2010-1255). Ces articles établissent

le zonage sismique national qui découpe la France en 5 zones (la zone de sismicité la plus forte correspondant aux Antilles) et établit la liste du niveau de sismicité de chacune des communes ;

· arrêté du 22 octobre 2010 relatif à la classification et aux règles de construction

parasismique applicables aux bâtiments de la classe dite "à risque normal" 2;

· arrêté du 26 octobre 2011 relatif à la classification et aux règles de construction

parasismique applicables aux ponts de la classe dite "à risque normal" ;

· arrêté du 24 janvier 2011 fixant les règles parasismiques applicables à certaines

installations classées (dites "à risque spécial"), et arrêté du 13 septembre 2013, ces deux

arrêtés modifiant l"arrêté du 4 octobre 2010 relatif à la prévention des risques accidentels

au sein des installations classées pour la protection de l"environnement soumises à autorisation.

2 Bâtiments, équipements et installations dits à "risque normal" : les bâtiments, équipements et

installations pour lesquels les conséquences d"un séisme demeurent circonscrites à leurs occupants

et à leur voisinage immédiat. Bâtiments, équipements et installations dits "à risque spécial" : ouvrages

pour lesquels les effets sur les personnes, les biens et l"environnement de dommages même mineurs

résultant d"un séisme peuvent ne pas être circonscrits au voisinage immédiat ; il s"agit notamment des

barrages, des centrales nucléaires, de certains équipements et de certaines installations classées

pour l"environnement. Rapport du groupe de travail "barrages et séismes" - version définitive octobre 2014 7/316

1.2.1.2. Caractéristiques du zonage sismique national en vigueur

a) La méthode probabiliste

L"évaluation d"aléa probabiliste se base sur la sismicité historique et instrumentale

introduisant une notion de période de retour de l"action sismique, à l"inverse de l"évaluation

d"aléa déterministe de l"ancien zonage sismique réglementaire de 1991 qui se fondait

uniquement sur la répartition statistique des séismes historiques sur le territoire. La méthode

probabiliste a permis de fournir des cartes d"iso-accélération (mesures du mouvement du sol pendant un séisme) correspondant à une probabilité de 10% de dépassement du mouvement attendu sur une durée de 50 ans. Outre une période d"enregistrement de la

sismicité de plus de 40 ans, une réinterprétation des témoignages historiques, la prise en

compte des séismes à l"étranger (en Belgique, en Allemagne, en Suisse, en Italie...) ainsi que l"amélioration des connaissances sur les failles actives en France ont conduit à une meilleure appréciation de l"aléa sismique sur le territoire national. b) Nom des zones de sismicité Figure 1-1 - Zonage sismique national réglementaire (cf. article D.563-8-1 du code de l"environnement, qui définit le zonage en fonction de la liste des communes de France) Rapport du groupe de travail "barrages et séismes" - version définitive octobre 2014 8/316

Les zones de sismicité sont désignées comme suit : zone de sismicité 1 (très faible), 2

(faible), 3 (modérée), 4 (moyenne) et 5 (forte).

Les collectivités d"Outre-mer de la Nouvelle-Calédonie, Wallis et Futuna, Polynésie

française, St-Barthelemy ne font pas partie du zonage national réglementaire pour des

raisons statutaires, mais elles peuvent aussi être soumises à des séismes engendrant des victimes et des destructions importantes.

1.2.2. La réglementation parasismique se rapportant au zonage sismique

Le nombre de communes concernées par la réglementation parasismique sur les ouvrages à risque normal est d"environ 21 000 communes (communes des zones de sismicité faible à forte). Les modalités d"application en matière de construction parasismique applicables aux

bâtiments, équipements et installations sont précisées par des arrêtés interministériels.

1.2.2.1. Arrêté du 22 octobre 2010 pour les bâtiments "à risque normal",

modifié par arrêtés du 19 juillet 2011 et du 15 septembre 2014

Ce texte fixe les modalités d"application des règles parasismiques et la classification en

catégories d"importance des bâtiments de la classe à risque normal. a) Catégories d"importance

Les bâtiments de la classe dite "à risque normal" sont répartis en quatre catégories

d"importance : I, II, III et IV.

Les bâtiments sont classés, en substance, comme suit (la définition exacte et détaillée de

chaque catégorie d"importance figure dans l"arrêté interministériel) :

· en catégorie d"importance I : les bâtiments d"importance mineure pour la sécurité des

personnes (pas d"activité humaine nécessitant un séjour de longue durée), par exemple bâtiments agricoles, hangars, etc. ;

· en catégorie d"importance II : les bâtiments courants n"appartenant pas aux autres

catégories, regroupant l"essentiel des bâtiments en France (notamment bâtiments de moins de 28 m de haut ou moins de 300 personnes, dont les maisons individuelles) ;

· en catégorie d"importance III : les bâtiments dont la résistance aux séismes doit être

importante compte tenu des conséquences d"un effondrement, par exemple : établissements scolaires, bâtiments de plus de 28 m ou accueillant plus de 300 personnes, etc. ;

· en catégorie d"importance IV : les bâtiments dont l"intégrité en cas de séisme est

d"importance vitale pour la protection civile, par exemple : hôpitaux, caserne de pompiers, etc. b) Coefficients d"importance

Un coefficient d"importance g

I (au sens de la norme NF EN 1998-1, cf. § 4.1.2) est attribué à chacune des catégories d"importance de bâtiment. Les valeurs des coefficients d"importance g

I sont données par le tableau suivant :

Rapport du groupe de travail "barrages et séismes" - version définitive octobre 2014 9/316

Catégories d"importance

de bâtiment Coefficient d"importance gI

I 0,8

II 1

III 1,2

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