Eléments de frontière pour la modélisation des couplages thermo-hydro-mécaniques dans les massifs rocheux fracturés

par Behzad Stephane Vahida

Thèse de doctorat en Géotechnique

Sous la direction de Amade Pouya et de Marc Bonnet.

Soutenue en 2000

à Marne-la-vallée, ENPC .

Le président du jury était Marc Boulon.

Le jury était composé de Emmanuel Ledoux, Laurent Ulmet.

Les rapporteurs étaient H. Aliabadi, Christophe Petit.

mots clés

• Massif rocheux
• Méthode élément frontière
• Couplage
• Modèle numérique
• Discontinuité
• Déplacement
• Perspectives
• Febex
• Modèle surfacique
• Stockage
• Déchets radioactifs

Résumé

Afin d’étudier la faisabilité du stockage souterrain des déchets radioactifs dans les massifs rocheux fracturés, il faut évaluer le risque de migration des radionucléides vers la surface à travers le réseau de fractures. La modélisation numérique permet d’étudier l’évolution de la conductivité hydraulique de ce réseau de fractures sous l’effet des phénomènes couplés thermo-hydro-mécanique (THM) se produisant dans la roche environnante. Nous proposons une approche numérique dans laquelle seules les fractures et les frontières du domaine sont modélisées (modèle surfacique). Evite une discrétisation volumique représente un gain considérable, vu la complexité du réseau de fractures. L’idée consiste à employer la méthode des éléments de frontière, et plus particulièrement la méthode des discontinuités de déplacements. La formulation intégrale que nous avons développée permet le calcul thermo-élastique des milieux fracturés. Elle a la particularité de ne comporter que des intégrales de frontières : de plus, la formulation est entièrement régularisée, ne comportant que des intégrales faiblement singulières. La version 2D de cette formulation a été implémentée dans un programme numérique. L’introduction de traitements spécifiques pour les fractures en intersection et les fractures débouchantes permet de modéliser des réseaux de fractures aléatoires. Le comportement des fractures est représenté par des rigidités normale et tangentielle, avec l’adjonction d’un traitement de contact unilatéral. Les aspects hydrauliques et thermique du problème sont traités de façon simplifiée. Des tests de vérification sont présentés, ainsi que des exemples d’application concernant le calcul THM de réseaux de fractures en milieu infini, ou encore l’essai in situ FEBEX. Les résultats obtenus sont commentés. Une perspective intéressante serait d’étendre l’approche au 3D et aux champs thermiques transitoires. En combinaison avec des programmes de calcul hydraulique et thermique adéquats, cela aboutirait à un outil numérique efficace pour le calcul couplé THM des massifs rocheux fracturés.

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Résumé

In order to study the feasibility of underground disposal of radioactive waste in fractured rock masses, it is necessary to evaluate the risk of radioactive particle migration toward the surface through the connected fracture network. Numerical modelling allows us to etimate the evolution of the hydraulic conductivity of this fracture network due to ongoing coupled thermo-hydro-mehanical (THM) phenomena in the surrounding rock mass. We propose a numerical approach is which only fractures and boundaries of the domain are modelled (surface-only model). Given the complexity of the fracture network, this is a clear advantage. The idea is to use the boundary element method, and more specitically the displacement discontinuity method The integral formulation we have developed allows thermoelastic computation of fractured media. It has the distinctive features of being epressed in terms of boundary integrals only ; moreover, the formulation is regularised in the sense that all integrals are weakly singular. The 2D version of this formulation has been implemented as a computer program. Intersecting and edge fractures are among the capabilities of this program, so that almost any fracture network geometry can be handled. Fracture behaviour is represented by normal and tengantial springs, together with a unilateral contact treatment. Simple hydraulic and thermal computations complete the scheme. Verification tests are presented, together with numerical applications concerning THM computation of fracture networks in infinite media, and of the FEBEX in situ test as well. The results are discussed. By extending this approach to 3D and to transient thermal fields, and by adding appropriate hydraulic and thermal computation programs, it is possible, in our opinion, to achieve an efficient numerical tool for coupled THM modelling of fractured rock masses.