Impact de la forme des pierres sur la dynamique de la chute

Lorsque le pergélisol fond en altitude en raison de l’évolution climatique, des pierres et blocs de rochers peuvent se libérer des parois et éboulis dégelés, et faire augmenter le danger de chutes de pierres en régions montagneuses. Uniquement l’année dernière, cinq personnes sont décédées en Suisse à la suite de chutes de pierres, et par ailleurs de nombreuses routes ont été bloquées. La protection contre les chutes de pierres fait partie des missions prioritaires des autorités.

Figure 1 : Un bloc de rocher de 80 tonnes bloque la route du col du Julier (photo: Maja Bless)

Modéliser les chutes de pierres

Parmi d’autres outils, les spécialistes évaluent le danger de chutes de pierres grâce à des modèles numériques simulant différents évènements sur des terrains de toutes sortes. Grâce à leur expérience et aux résultats des simulations, ils peuvent estimer à quelle vitesse les pierres tombent, à quelle hauteur elles rebondissent et à quelle distance elles peuvent pénétrer dans les zones habitées.

La forme des pierres est un facteur important pour les calculs numériques. Jusqu’ici, on utilisait en général des pierres rectangulaires ou sphériques. Les modèles antérieurs réduisaient la pierre à son centre de gravité, et en conséquence, des valeurs fictives devaient être affectées aux propriétés du sol pour décrire ses propriétés d’amortissement et de rugosité. Les résultats de simulations devaient donc être évalués avec précaution, et elles n’intégraient pas l’impact de la forme des pierres sur le mouvement.

Des formes de pierres variées

Au centre du projet, on trouve donc la question de savoir comment les différentes formes de pierres influencent la dynamique et le comportement de la chute. Existe-t-il une certaine forme de pierre qui rebondirait plus vite et plus haut que d’autres ? Quelles sont les pierres qui vont le plus loin, et comment se répartissent-elles dans la zone de dépôt ? Quelle est leur force d’impact ? Ces données permettent de mieux comprendre les processus d’une chute de pierres, et de tracer des cartes de danger afin de prendre des mesures pour la protection des routes et des voies ferrées.

Vidéo 1 : chute de pierres au Grabengufer, Randa, canton du Valais, 2011

Expériences sur le terrain et en laboratoire

Grâce à des études de terrain détaillées (figure 2, vidéo 2) et des expériences de chutes de pierres à échelle réduite, on regarde jusqu’où les pierres de différentes formes descendent, et où elles s’immobilisent. Les images d’une caméra grande vitesse permettent d’observer comment les pierres se déplacent et à quelle vitesse elles dévalent les pentes. Des capteurs de mouvement insérés dans les pierres mesurent les ralentissements à chaque impact et la rapidité de rotation des pierres.

Les premiers résultats de ces expériences montrent par exemple que la surface anguleuse que présentent souvent les blocs de rochers accélère leur rotation et leur permet de rouler plus loin.

Vidéo 2 : expérience de laboratoire sur plan incliné

Figure 2 : pierres de différentes formes avec capteurs de mouvement

Le nouveau modèle de chutes de pierres bientôt disponible

Ce modèle de chutes de pierres est testé actuellement par des experts en Suisse. Le premier atelier concernant le nouveau modèle numérique RAMMS::Rockfall se déroulera le 4 juillet 2013 au WSL à Birmensdorf.

Les résultats de toutes ces expériences alimentent directement le nouveau modèle numérique RAMMS::Rockfall (Rapid Mass MovementS) (figure 3), que le WSL a développé en collaboration avec l’Institut des systèmes mécaniques des EPF Zurich. Les pierres et blocs utilisés dans les simulations sont décrits sous forme de polytopes convexes tridimensionnels, permettant de simuler n’importe quelle forme de rocher.

Figure 3 : simulation de chute de pierres de différentes formes (en bas à droite) à Gurtnellen (UR) avec le programme RAMMS ::Rockfall ; vitesses représentées en couleurs sur le modèle de terrain (à gauche) et hauteur de rebond (en haut à droite).