Chapitre 2 – Analyse physique du système

Le risque n'a de sens que par rapport à un système qui intègre : des composants, des sollicitations, des relations entre ces composants et des limites.

Les composants du système associé au risque d'avalanche en station sont : les pentes, les individus, les habitations, les infrastructures et les espaces naturels.

Ce système est sous la sollicitation de la météo.

Les actions d'ingénierie possibles sur ce système sont :

• vis-à-vis des pentes : créations d'ouvrages, réalisation de purges, travail de la neige,

• vis-à-vis des individus : information, formation

• vis-à-vis des habitations : plan d'occupation des sols (POS), protections, dispositifs constructifs, PPRA,

• vis-à-vis des infrastructures : protection, construction,

• vis-à-vis des espaces naturels : végétalisation,

• vis-à-vis de la météo : meilleure prévision.

Les échelles d'étude possibles de ce système sont :

• vis-à-vis de l'échelle géométrique : le massif, la station, la pente,

• vis-à-vis de l'échelle temporelle : la saison, l'épisode, la nuit / le jour, l'événement.

Les limites fixées pour ce système sont :

• vis-à-vis du domaine : on se limite à une station de sport d'hiver,

• vis-à-vis des sollicitations : on n'intègre pas les sollicitations sismiques,

• vis-à-vis des conséquences : on n'intègre pas les enjeux environnementaux, ni ceux liés à l'agriculture,...

• vis-à-vis des prévisions : on s'intéresse aux prévisions relatives à la pente,

• vis-à-vis de l'ingénierie (actions possibles sur le système), on s'intéresse à :

  • la prévision du risque (acquisition de données et développement de modèles),

  • la mise en œuvre d'actions préventives (ouvrages, purges, balisages,...).

Au niveau du phénomène d'avalanche, on distingue trois types d'avalanche :

• l'avalanche de poudreuse (cf. figure 10),

• l'avalanche de plaque (cf. figure 11),

• l'avalanche de neige humide (cf. figure 12).

Au niveau du massif, on distingue plusieurs types d'avalanche :

• l'avalanche de fond (cf. figure 13),

• l'avalanche coulante (cf. figure 14),

• l'avalanche de vallée (cf. figure 15).

Une avalanche peut se décomposer selon les éléments génériques suivants (cf. figure 16) :

• une zone de départ (bassin d'accumulation),

• une zone découlement (gorge),

• une zone d'arrêt (cône de déjection).

Le tableau suivant regroupe une classification morphologique des avalanches selon des critères essentiels (la morphologie du site, sa topographie et son exposition, les propriétés physiques du manteau neigeux dans la zone de départ, la cause du déclenchement, la forme du décrochement, la dynamique de l'écoulement, les caractéristiques du dépôt, la situation de l'événement dans la chronologie nivo-météorologique) caractérisant une avalanche.

Le système mécanique des forces antagonistes comprend : la force de traction (FT) et la force de résistance (FR).

Les trois composantes de ce sous-système mécanique sont : le manteau neigeux (couches et matériau neige), les sollicitations et la pente.

Le déclenchement d'une avalanche correspond à une rupture d'équilibre dans le manteau neigeux (cf. figure 17) : FT > FR.

Que le déclenchement soit naturel ou accidentel, le mécanique de rupture d'équilibre est identique (cf. figure 17).

Il existe une variabilité spatio-temporelle importante des propriétés mécaniques du manteau neigeux et de la neige, par conséquent il est difficile de connaître précisément l'état de ce manteau neigeux et il est difficile d'utiliser des modèles mécaniques pour le caractériser.

Il est également difficile de prévoir les sollicitations exercées sur le manteau neigeux dans la mesure où elles sont multiples et variables.

Il est aussi difficile d'avoir un modèle géométrique cohérent du fait de la complexité des pentes.

Les facteurs aléatoires agissant sur le manteau neigeux sont :

• les facteurs liés à la météorologie :

  • épisodes neigeux,

  • épisodes de transformation : vent, soleil, température.

• les facteurs liés aux autres sollicitations :

  • skieurs, animaux,

  • pisteurs et purges.

Des observations statistiques sont disponibles pour modéliser le caractère aléatoire d'une avalanche, mais il est difficile de trouver des variables statistiques explicatives. L'avalanche est un aléa du fait :

• de la difficulté de prévision :

  • de son occurrence,

  • de ses caractéristiques.

• qu'elle est la conséquence de causes aléatoires multiples,

• qu'elle est la conséquence de phénomènes mal connus,

• qu'elle est la cause de dangers dont on maîtrise mal les conséquences.

Les propriétés mécaniques du matériau neige sont basées sur la théorie de la mécanique des sols. Il s'agit d'un matériau multiphasique dont les ordres de grandeur des principales caractéristiques sont présentés dans le tableau suivant.

Il existe différents types de grains :

• les cristaux de neige fraiche, qui présentent une cohésion de frittage fragile et se maintiennent sur des pentes raides (cf. figure 18),

• les grains fins qui présentent une bonne cohésion de frittage (cf. figure 19),

• les grains à faces planes (cf. figure 20),

• les gobelets qui présentent une cohésion de frittage nulle et provoquent le glissement des couches supérieures (cf. figure 21),

• les grains ronds qui présentent une cohésion capillaire et une cohésion de regel qui rend cette cohésion plus résistante (cf. figure 22).

Le phénomène de frittage (cf. figure 23) correspond à la création d'un pont de glace entre deux grains. Le nombre de ponts est plus important lorsque les grains sont de petite taille. Ce phénomène a un effet stabilisant sur le manteau neigeux, ce qui est dû à l'augmentation de la cohésion ; mais ce phénomène favorise aussi la propagation des fissures en rigidifiant le matériau.

La stratification du manteau neigeux (cf. figure 24) se fait selon un mode de dépôt éolien ; l'ordre de grandeur de la vitesse de dépôt est d'un centimètre par dix minutes. En comparaison, un lœss, dépôt éolien lui aussi, a une vitesse de dépôt d'un centimètre par siècle (Burlet, 2002).

Plusieurs échelles de variabilités de la stratification peuvent être considérées :

• la variabilité temporelle : horaire, journalière (jour, nuit ou matin après midi), hebdomadaire, annuelle, séculaire, millénaire,

• la variabilité spatiale : verticale ou latérale d'une part, centimétrique, métrique à décimétrique d'autre part.

Le faciès de rupture du manteau neigeux est similaire à celui du faciès de rupture d'un glissement de terrain (cf. figures 25 à 27).

Le faciès de rupture du manteau neigeux présente des ressemblances avec le faciès de rupture d'un terrain vis-à-vis des niches d'arrachement (cf. figures 28 à 30). Les lignes de rupture sont nettes et plus ou moins perpendiculaire au substratum (cf. figures 29 et 30). Les ruptures sont dans les deux cas brutales.

On distingue principalement deux types de mécanismes de rupture : le glissement circulaire (cf. figure 31) et le glissement plan (cf. figure 32).

Les mécanismes de rupture du manteau neigeux dépendent :

• de l'évolution des paramètres caractérisant les sollicitations,

• de changement de géométrie,

• de l'occurrence d'actions extérieures,

• de la résistance limite.

Le modèle mécanique retenu pour caractériser le manteau neigeux est en général élasto-viscoplastique de type Mohr-Coulomb (τ = c + σ tan φ). La difficulté réside dans la détermination des paramètres et de leurs comportements puisqu'ils présentent des grandes variabilités temporelle (horaire à hebdomadaire) et spatiale (quelques décamètres). Des réponses possibles à cette problématique peuvent être données par le traitement de données par la géostatistique combinée à des traitements basés sur des techniques de simulations.

Une approche possible consiste à déterminer un facteur de stabilité F au sens de Bishop. Ce facteur de stabilité correspond au rapport des forces résistantes sur les forces motrices.