Brevet FR3024772A1 — publié le 20160212

Procédé et dispositif pour la détermination de la profondeur de l'origine d'un tassement de sol La présente invention concerne une mesure de tassement de sol, notamment pour la surveillance d'une structure en géo-matériaux telle que pipeline, digue, barrage, tunnel, chemin de fer, ou autre. La maintenance d'ouvrages de grandes dimensions en géo-matériaux est une problématique importante pour leurs propriétaires. Leur surveillance est primordiale pour évaluer leur stabilité. Plusieurs indicateurs peuvent être utilisés pour caractériser les différents défauts pathologiques : tassements, effondrements, etc. Habituellement, plusieurs types de capteurs ponctuels sont utilisés pour mesurer le déplacement à un point précis de la structure. Néanmoins, pour un ouvrage de dimensions importantes, des centaines de capteurs ponctuels sont utilisés. Une manière innovante d'optimiser la surveillance est l'utilisation de capteurs à fibre optique. Ils permettent de mesurer de manière répartie la déformation au sein de la structure à une profondeur donnée, sur plusieurs kilomètres. L'objectif est de quantifier le déplacement de la structure à partir des mesures de déformations de la fibre optique. Plus précisément, les capteurs à fibre optique sont composés d'une source de lumière monochromatique pour injecter un signal lumineux dans la fibre, d'une fibre optique (qui est l'élément sensible du capteur), et d'un détecteur pour analyser un signal lumineux de retour, que renvoie la fibre par rétro-réflexion. La fibre est placée par 3024772 2 exemple dans la structure à surveiller. La lumière renvoyée est sensible à la déformation de la fibre optique in situ. On a illustré une réalisation pratique à titre d'exemple sur la figure 1 commentée en 5 détails plus loin. La fibre optique est enterrée sensiblement horizontalement. On entend par « sensiblement horizontalement » le fait qu'elle matérialise une ligne parallèle au sol, ou en toute rigueur forme un angle compris par exemple entre -40° et +40° par rapport au sol (pour tenir compte de reliefs éventuels, notamment). L'objectif est de quantifier le déplacement de la structure à partir des mesures de déformations de la 10 fibre le long de la direction verticale. A cet effet, on injecte un signal lumineux dans la fibre et on recueille un signal de retour. On observe en particulier le déplacement d'une raie d'interaction photons-phonons (attendue à une position spectrale donnée), telle qu'une raie Brillouin en particulier. Le décalage entre la position attendue et la position mesurée de cette raie caractérise une déformation de la fibre, et de là, un 15 déplacement de la structure lié à un tassement du sol. Des détails d'une telle technique sont décrits par exemple dans : Klar, A., Linker, R., (2010), "Feasibility study of automated detection of tunnel excavation by Brillouin optical time domain reflectometry", in Tunnelling and 20 Underground Space Technology, Vol. 25, pp. 575-586. Cet article traite de l'utilisation de la fibre optique pour la détection de déformations en liant, en particulier, les mesures par capteurs à fibre optique aux déplacements dans le sol. 25 Dans le domaine de la surveillance de mouvement du sol, l'application des capteurs à fibre optique apporte un vrai avantage : - une mesure de déformation sur plusieurs kilomètres, - avec une précision d'un pas d'une dizaine de centimètres. 3024772 3 Dans le domaine de la surveillance de création de tunnel, une méthode connue permettant de relier le déplacement de structure aux données de déformation mesurées par les capteurs à fibre optique est décrite dans le document : 5 Klar, A. Dromy, I., Linker, R., (2014), "Monitoring tunneling induced ground displacements using distributed fiber-optic sensing", in Tunelling and Underground Space Technology, pp 141-150. Cet article propose l'utilisation d'une fibre optique unique pour capter sa déformation 10 et estimer ainsi le déplacement du sol. Néanmoins, le problème à résoudre est différent puisque les auteurs de cet article connaissent la profondeur du tunnel et n'ont donc pas besoin de déterminer une profondeur de l'origine d'un tassement. Plusieurs modèles reliant le déplacement et la déformation y sont exposés. Dans un 15 exemple, on établit une relation entre la déformation dans la fibre optique au modèle du déplacement vertical I. comme suit : (1) où : - x est l'abscisse curviligne de la fibre optique ; 20 - n est un coefficient estimable en fonction des matériaux constituant le sol étudié et du type de fibre optique utilisée; - Az = - zf est la profondeur entre la fibre optique zf et l'origine du tassement ; est le déplacement vertical maximal à estimer (Figure 1) ; 25 est le modèle du déplacement vertical du sol et suit une loi mathématique donnée. 3024772 4 Dans cette application, les paramètres iûz et n sont connus. Le déplacement vertical est donc estimable pour une fibre donnée. Toutefois, dans les applications de surveillance d'ouvrages en géo-matériaux, en 5 surface, tels que des digues, ou autres constructions, le problème est plus complexe puisque l'origine du tassement n'est ni connu, ni localisé, contrairement à la construction de tunnels. L'invention vient améliorer cette situation. 10 Elle propose alors un procédé permettant d'estimer la profondeur de l'origine du tassement, pour quantifier éventuellement ce tassement ensuite. Elle vise à cet effet un procédé de surveillance d'une structure en géo-matériaux, 15 comportant les étapes: - disposer une pluralité de câbles à des profondeurs respectives sous ladite structure, et, pour déterminer un tassement de sol sous la structure : - mesurer une déformation sur chacun desdits câbles et en déduire une signature 20 du tassement en chaque câble, - déterminer, par corrélation entre les signatures, un modèle du tassement donnant une signature en fonction de la profondeur et faisant intervenir une profondeur d'une origine du tassement, - utiliser le modèle pour chaque profondeur de câble pour déterminer une 25 estimation moyenne de ladite profondeur de l'origine du tassement. La profondeur estimée de l'origine du tassement caractérise alors le tassement et permet d'obtenir de nombreuses informations de prédiction sur la suite de la tenue de la structure au tassement. Comme indiqué ci-avant, les travaux précédemment connus 3024772 5 permettaient de caractériser le tassement mais la donnée de profondeur de l'origine du tassement était connue puisqu'il s'agissait de caractériser le tassement au-dessus d'une structure construite tel qu'un tunnel. L'invention propose alors de déterminer cette origine dans des conditions où le tassement s'est créé à une profondeur non connue, 5 par exemple dans une couche de terre meuble en profondeur. Elle trouve une application avantageuse pour la surveillance de structures en géo-matériaux qui ne sont pas nécessairement des tunnels, telles que des digues, des barrages hydrauliques ou autres. 10 Dans une réalisation avantageuse mais restant optionnelle, les mesures réalisées sont obtenues à partir de fibres optiques et les câbles précités comportent chacun au moins une fibre optique. La déformation de chaque câble est alors obtenue par mesure d'un signal optique véhiculé par la fibre optique. 15 Dans une réalisation plus particulière, la mesure du signal optique comporte la détection d'un décalage en longueur d'onde d'une raie d'émission liée à une interaction lumière-matière. Par exemple, il peut s'agir d'une interaction photons-phonons dans la fibre, faisant observer un décalage d'une raie Brillouin (en cm-1) lorsque la fibre est déformée sous terre par l'effet du tassement. 20 Dans une telle réalisation, le signal optique mesuré est par exemple un signal de retour que renvoie la fibre, suite à l'injection d'un signal lumineux monochromatique dans la fibre. 25 En référence à la figure 1, ou à la figure 4, commentées plus loin, les câbles sont enterrés horizontalement (globalement parallèlement au sol). Ainsi, en cas de tassement de sol (le plus souvent dans une direction verticale), ils subissent une déformation transversale, avec une forme qui peut être modélisée par un cône, ou une 3024772 6 parabole ou une hyperbole, par exemple. Ces modèles peuvent alors être paramétrés par une largeur à mi-hauteur de tassement. Ainsi, dans une forme de réalisation générale, on déduit de la mesure de déformation 5 sur un câble une largeur à mi-hauteur de tassement (le long de la direction x dans l'exemple de la figure 1), quantifiant une signature du tassement, et le modèle précité du tassement donne une estimation de la largeur à mi-hauteur du tassement en fonction de la profondeur du câble et de la profondeur de l'origine du tassement. 10 Dans le cas d'un modèle linéaire (caractérisant par exemple une forme conique du tassement), le modèle peut comporter au moins deux paramètres à déterminer, par corrélation entre les signatures obtenues pour au moins deux profondeurs de câbles. Il peut alors être déduit de ces paramètres et des profondeurs de câbles, une valeur de 15 profondeur d'origine du tassement, pour chaque profondeur de câble. On peut alors estimer ensuite une valeur de profondeur d'origine du tassement, moyennée sur lesdites au moins deux profondeurs. Bien entendu, plus on dispose de câbles enterrés à différentes profondeurs et plus l'estimation de cette moyenne est fine. 20 La présente invention vise aussi un programme informatique, comportant des instructions pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, lorsqu'elles sont exécutées par un processeur. A titre d'exemple, la figure 3 commentée plus loin peut correspondre à un ordinogramme de l'algorithme général d'un tel programme. 25 L'invention vise aussi le support de stockage (notamment non transitoire) d'un tel programme. L'invention vise aussi un dispositif de surveillance d'une structure en géo-matériaux, comportant une unité de mesures relatives à des déformations respectives de câbles 3024772 7 disposés à des profondeurs respectives sous la structure, et une unité de traitement de ces mesures pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Une illustration schématique de ce dispositif est présentée sur la figure 4 commentée plus loin. 5 D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée donnée ci-après et présentant plusieurs exemples de réalisation non limitatifs, ainsi que des dessins annexés sur lesquels : La figure 1 illustre des tassements verticaux du sol détectés par plusieurs fibres optiques au sens de l'invention, 10 La figure 2 illustre l'évolution de la forme des signatures d'un même tassement en fonction de la profondeur des fibres optiques, au sens de l'invention, La figure 3 illustre les étapes principales d'un procédé au sens de l'invention, pour l'estimation de la profondeur de l'origine du tassement, et La figure 4 illustre schématiquement un dispositif pour la mise en oeuvre du 15 procédé au sens de l'invention. Lors d'un tassement du sol, un capteur utilisant plusieurs fibres optiques mesure une signature particulière de l'évènement. En effet, il peut être utilisé un modèle permettant de relier la déformation mesurée sur chaque fibre aux déplacements dans la 20 structure. Un tel modèle peut être linéaire, comme proposé par exemple dans le document : Mair, R. J., Taylor, R. N. & Bracegirdle, A., (1993), "Subsurface settlement profiles above tunnels in clays", in Géotechnique, Vol. 43, No. 2, pp. 315-320. 25 Il est à noter que les auteurs de ce document ont présenté ici un modèle du déplacement du sol lors de la création d'un tunnel (dont la profondeur était alors connue). 3024772 8 En s'appuyant néanmoins sur la relation de l'évolution de la forme de la signature en fonction de la profondeur établie par ces auteurs (en laboratoire et pour un type de sol donné dans ce document Mair et al), il en est proposé ci-après une généralisation pour tout type de sol, sous la forme : 5 (2) avec : , la largeur à mi-hauteur, comptée le long de l'axe horizontal x, de la signature du tassement à la profondeur zf à laquelle est enterrée la fibre optique (la profondeur zf étant comptée le long de l'axe vertical z), 10 - z', la profondeur de l'origine du tassement (comme une cavité par exemple, dans ce qu'illustre la figure 1), comptée le long de l'axe vertical z, - le couple de paramètres (a, p) restant à déterminer. 11 apparaît alors que le modèle dépend de deux paramètres principaux à déterminer : la 15 profondeur z, de l'origine du tassement et le déplacement vertical. Dans un premier temps, plusieurs fibres optiques (les fibres optiques fl, f2 par exemple) sont enterrées à différentes profondeurs (sensiblement horizontalement, comme illustré sur la figure 1). On entend par « sensiblement horizontalement » le fait 20 que les fibres sont enterrées en formant un angle général avec le sol compris entre -40° et +40° par exemple. A l'aide de plusieurs fibres optiques enterrées à plusieurs profondeurs, on peut mesurer plusieurs signatures d'un même tassement (les fibres optiques Si, S2 par exemple). En 25 reliant la forme des signatures avec la distance entre la profondeur des observations et l'origine du tassement, on lève l'indétermination sur le couple de paramètres (a /3) précité. On peut en déduire ensuite la profondeur zc. de l'origine du tassement (par exemple de la cavité illustrée sur la figure 1). Cela rend alors possible la quantification du déplacement vertical du sol de l'ordre du millimètre, d'après les tests effectués. 3024772 9 Plus particulièrement, en plaçant plusieurs fibres optiques à plusieurs profondeurs (typiquement Nf fibres optiques, Nf étant un entier naturel), le capteur à fibres optiques fournit N signatures du tassement (Figure 2) avec un pas de mesure de quelques 5 centimètres. La largeur à mi-hauteur de la signature du tassement est référencée ix sur la figure 2. Elle s'assimile à la largeur à mi-hauteur du tassement lui-même (présumé de forme conique d'après le modèle linéaire choisi. Ainsi, en traçant la droite représentant la variation de ix en fonction de la profondeur zf 10 (figure 2), les paramètres f3 et a sont identifiables comme étant respectivement la pente de la droite et l'origine à l'ordonnée. Ces paramètres sont alors déterminés dans un premier temps. Ensuite, pour une profondeur de la fibre optique, il est possible d'estimer la 15 profondeur Zée, de la cavité grâce à la relation : (3) En moyennant cette valeur ZL sur les N fibres placées à N profondeurs zri données, il est possible d'estimer la profondeur z,É de la cavité par rapport à la surface. 20 Ce procédé est résumé en figure 3. N fibres optiques sont enterrées à N profondeurs respectives à l'étape S 1, par exemple avant de concevoir une structure en géo-matériaux telle qu'une digue, ou autres. Ensuite, il est procédé à des mesures MES de déformation de chaque fibre à l'étape S2. Les encadrés pointillés de la figure 3 indiquent que l'étape est effectuée N fois. On 25 déduit (par des calculs CAL notamment) de chaque mesure une signature du tassement i, à l'étape S3. 3024772 10 Comme la profondeur zf de chaque fibre est connue, il est possible de déterminer (fonction DET) les paramètres du modèle utilisé a et (3, à l'étape S4. Une fois les paramètres du modèle déterminés, à l'étape S5, il devient possible de calculer ensuite la valeur de la profondeur z,. de l'origine du tassement pour chaque 5 mesure de déformation obtenue sur chaque fibre. À l'étape S6, on effectue une moyenne M de ces valeurs de profondeur de l'origine du tassement pour les N fibres, pour obtenir finalement l'estimation de la profondeur z, de l'origine du tassement. 10 Ainsi, grâce à l'utilisation de capteurs à fibres optiques et en particulier à la mesure répartie de déformation, il est possible de mesurer précisément le paramètre de signature ix pour chaque profondeur. Un tel procédé améliore la précision de l'estimation de la profondeur et permet ainsi de mieux caractériser le tassement. 15 Les capteurs à fibres optiques sont très sensibles et permettent de mesurer des déplacements de l'ordre du millimètre. L'invention trouve des applications avantageuses dans l'exploitation d'ouvrages tels que des digues, barrages, éoliennes ou autres, et notamment pour la surveillance de tels 20 ouvrages. La figure 4 présente un dispositif de surveillance d'une structure STR en géomatériaux reposant sur le sol SOL (en traits durs). On cherche à identifier un tassement du sol sous la structure STR et, le cas échéant, à le caractériser. A cet effet, on dispose, 25 au sens de l'invention, plusieurs câbles à fibre optique C1, Ci, CN, enterrés sous la structure STR et agencés horizontalement. Eventuellement, les câbles peuvent être enterrés avant même la construction de la structure (pour une digue, un barrage ou autre). 3024772 11 Le dispositif comporte une unité REC de mesures relatives aux déformations que subissent les câbles sous terre. A cet effet, l'unité de mesure comporte un module d'injection d'un signal lumineux monochromatique à une longueur d'onde donnée k, par exemple issu d'une source laser solide, en matériau semi-conducteur. En cas de 5 tassement TAS, la déformation des câbles induit un décalage de raie Brillouin 15B par rapport à une position spectrale attendue. Un module de réception de la lumière renvoyée par les fibres (comportant par exemple une cellule à photomultiplicateur) ou, en variante, transmise par les fibres - réalise une mesure spectrale du signal reçu et permet de déterminer ce décalage de position de raie Brillouin. Ce décalage croît avec 10 la largeur à mi-hauteur du tassement. Une unité d'analyse ANA évalue, en fonction de ce décalage, une valeur de largeur à mi-hauteur (qui n'a pas besoin d'être absolue, mais simplement relative pour déterminer la profondeur de l'origine O du tassement TAS), et ce pour chaque profondeur de câble C1 à CN. L'unité d'analyse ANA réalise alors les opérations de modélisation présentées ci-avant en référence à la figure 3 pour 15 estimer finalement une profondeur de l'origine O du tassement TAS. Elle dispose à cet effet d'un processeur P et d'une mémoire de travail M. Bien entendu, la présente invention ne se limite pas à la forme de réalisation décrite ci-avant à titre d'exemple ; elle s'étend à d'autres variantes. 20 Ainsi par exemple, on a décrit ci-avant un modèle linéaire dans lequel on suppose que la forme du tassement est conique (avec une droite de pente p dans une vue en coupe). Toutefois, d'autres modèles sont possibles. Par exemple, il peut être prévu un modèle quadratique selon lequel le tassement prend une forme parabolique ou hyperbolique. 25 Dans ce cas, la largeur à mi-hauteur peut être modélisée en fonction de la profondeur par une loi quadratique impliquant plus de deux paramètres (par exemple a, (3, y) qu'il reste néanmoins possible de déterminer avec des mesures obtenues à partir de fibres placées à au moins autant de profondeurs zf. Le choix d'un modèle parabolique ou 3024772 12 linéaire ou autre, peut dépendre par exemple du type de géo-matériaux, de la profondeur de surveillance, etc. On a décrit ci-avant à titre d'exemple et en référence à la figure 1, la détection d'une 5 cavité sous le sol. Bien entendu, le procédé peut s'appliquer à d'autres détections, notamment la détection d'un risque de tassement en raison d'une couche plus meuble qu'une couche supérieure, sous le sol. Par ailleurs, on a décrit ci-avant une détermination de signatures de tassement basée 10 sur une mesure de décalage de raie Brillouin, selon le modèle de Klar et al (2014). Néanmoins, d'autres mesures optiques sont envisageables (par exemple Raman ou photoluminescence, notamment en cas de contraintes liées aux déformations sur la maille définie par la première zone de Brillouin), en utilisant encore néanmoins les caractéristiques optiques de déformation des fibres optiques. 15 Enfin, de manière générale, on a décrit ci-avant l'utilisation de N fibres pouvant être enterrées à N profondeurs. Or, d'une part, il est possible d'enterrer plus de N fibres à N profondeurs, et en particulier d'enterrer plusieurs fibres à une même profondeur pour multiplier les sources de mesures et, par exemple, palier les risques de détérioration de 20 l'une des fibres à cette profondeur. D'autre part, il est possible de répéter plusieurs mesures sur une même fibre afin de déterminer une moyenne plus fine de la signature du tassement à une profondeur donnée. REVENDICATIONS1. Procédé de surveillance d'une structure en géo-matériaux, comportant les étapes: - disposer (S1) une pluralité de câbles à des profondeurs respectives sous ladite structure, et, pour déterminer un tassement de sol sous la structure : - mesurer une déformation (S2) sur chacun desdits câbles et en déduire une signature du tassement en chaque câble, - déterminer, par corrélation entre les signatures, un modèle du tassement (S4) donnant une signature en fonction de la profondeur et faisant intervenir une profondeur d'une origine du tassement, - utiliser le modèle pour chaque profondeur de câble pour déterminer une estimation moyenne (S6) de ladite profondeur de l'origine du tassement. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les câbles (C1, Ci, CN) comportent chacun au moins une fibre optique et la déformation de chaque câble est obtenue par mesure d'un signal optique véhiculé par la fibre optique. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel la mesure du signal optique comporte la détection d'un décalage en longueur d'onde (8B) d'une raie d'émission liée à une interaction lumière-matière. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel le signal optique mesuré est un signal de retour que renvoie la fibre, suite à l'injection d'un signal lumineux monochromatique dans la fibre. 3024772 14 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel on déduit de la mesure de déformation sur un câble une largeur à mi-hauteur de tassement (ix), quantifiant une signature du tassement. 5 6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel le modèle du tassement donne une estimation de la largeur à mi-hauteur du tassement en fonction de la profondeur du câble et de la profondeur de l'origine du tassement (0). 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel le modèle est linéaire et comporte 10 au moins deux paramètres à déterminer (S4), par corrélation entre les signatures obtenues pour au moins deux profondeurs de câbles. 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel il est déduit desdits paramètres et des profondeurs de câbles, une valeur de profondeur d'origine du tassement 15 (z,'), pour chaque profondeur de câble. 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel on estime une valeur de profondeur d'origine du tassement (z,), moyennée sur lesdites au moins deux profondeurs. 20 10. Programme informatique, comportant des instructions pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes, lorsqu'elles sont exécutées par un processeur. 25 11. Dispositif de surveillance d'une structure en géo-matériaux, comportant une unité de mesures (REC) relatives à des déformations respectives de câbles disposés à des profondeurs respectives sous ladite structure, et une unité de traitement (ANA) desdites mesures pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 9.