Ce travail finalisé en 1975 apporte une contribution synthétique à l'hydrogéologie et à la géotechnique de la vallée de l'Isère au NE de Grenoble.

Les instabilités rocheuses constituent l'un des risques naturels le plus souvent rencontre dans les grands reliefs alpins et restent malgré tout un domaine encore mal connu des Sciences de la Terre. Compte tenu de leurs caractéristiques, l'amélioration de nos connaissances dans les domaine de la stabilité des massifs rocheux passe par l'instrumentation et la surveillance de ces instabilités. L'objet de cette thèse a ainsi tout d'abord consisté à mettre au point un dispositif instrumental multi-capteurs, constituant une base solide pour l'acquisition en continu de paramètres pertinents pour les suivi temporel de la stabilité des massifs rocheux. Ce dispositif permet en effet de mesurer et stocker en continu et de façon autonome pendant de longues durées (plusieurs mois) des données hautes fréquences (jusqu'à 1 kHz) et lentes issues de différents types de capteurs. Par ailleurs, il peut être télémétré de façon à suivre à distance l'évolution du site surveille ainsi que les fonctionnement de l'instrumentation. La station de mesure mise au point permet également de faire un pré-traitement des données et a été agrémentée d'algorithmes de surveillance permettant de combiner différents critères pour une première gestion d'alerte. Le travail réalisé a en outre permis de mettre au point un système de transmission par réseau maillé et un système de supervision distant orienté client-serveur. En juin 2008, ce système de surveillance permet de suivre une quinzaine de sites instables en France. Dans les cadre de cette thèse, nous nous sommes plus particulièrement intéressés à l'évolution des déformations subies par une écaille rocheuse instable, sur les site de Chamousset (Sud-Est Vercors), jusqu'à environ une semaine avant son éboulement. L'observation de différents paramètres (déformation, météorologie, écoute sismique) et leur suivi temporel pendant environ 3 mois ont ainsi permis de mettre en évidence : une accélération nette mais modérée du déplacement horizontal du sommet de l'écaille, fortement liée aux épisodes de gel-dégel; de très nombreux nano-séismes, dus à la rupture progressive de l'écaille et dont certains présentent une fréquence dominante très basse (5 a 10 Hz), probablement dominée par la résonance de l'écaille;des modes spectraux s'individualisant à des fréquences supérieures à 10-15 Hz sur l'écaille et ayant tendance à augmenter en moyenne avec les temps; l'occurrence de crises sismiques qui ne dégénèrent pas vers l'instabilité. Compte tenu de sa dynamique, l'expérimentation réalisée sur ce site a permis de progresser dans la connaissance des processus mis en jeu et notamment de mettre en évidence de nouveaux paramètres dignes d'intérêt pour l'étude de ce type d'instabilités et donc de préciser les spécifications des caractéristiques instrumentales à atteindre.

Les éboulements rocheux de volume intermédiaire (103-105 m3) posent un problème sérieux dans les régions montagneuses en raison de leur fréquence d'occurrence relativement élevée et de leur fort pouvoir destructeur. En conséquence, il est difficile de mener des travaux de protection pour réduire l'aléa, ce qui souligne le besoin de techniques de suivi et d'alerte précoce avant la rupture. Après l'éboulement, peu d'informations quantitatives sont disponibles sur la phase de propagation en raison de la soudaineté du phénomène et de sa localisation dans des pentes raides et difficiles d'accès. Dans ce travail de thèse, une approche expérimentale est proposée pour extraire des informations à partir d'enregistrements de signaux sismiques durant les phases pré- et post-rupture d'éboulements.La première partie de ce travail vise à tester la pertinence des vibrations ambiantes pour le suivi temporel de la réponse dynamique de compartiments rocheux lors de la phase pré-rupture. Cette technique (couramment employée en génie civil pour le suivi de l'intégrité des structures) permet d'extraire les fréquences de résonance d'une structure, dont la décroissance peut traduire l'endommagement. Une étude antérieure menée sur une colonne calcaire instable a montré une décroissance d'environ 30% de la fréquence fondamentale de résonance (f1) environ deux semaines avant la rupture, interprétée comme une diminution de la rigidité du contact avec le massif stable adjacent. / Mid-size rockfalls (103-105 m3) represent a substantial hazard in mountainous areas, because of relative high rate of occurrence and destructive power. Consequently, few protection means can be applied, emphasizing the need for monitoring techniques and early warning prior to the collapse. After the rupture, quantitative information on the rockfall propagation phase is scarce, owing to their suddenness and location in steep and rugged slopes. In this thesis work, an experimental approach is proposed to derive valuable information from seismic records during rockfall pre-rupture and post-rupture phases. The first part of this work aims at testing the applicability of the ambient vibration technique to monitor unstable rock compartments dynamic response in the pre-rupture phase. This technique (commonly employed in civil engineering for structural health monitoring) reveals the resonant frequencies of a structure, a decrease in frequency revealing potential damage. A previous case study of an unstable limestone compartment brought to light a #30% decrease in fundamental resonant frequency (f1) two weeks before the collapse. Following this innovative work, we selected and instrumented four prone-to-fall medium-size rock compartments located in the Occidental Alps, showing various geological contexts (limestones, argillite and shale-sandstone series), deformation patterns and failure mechnisms. Ambient vibrations recorded on-site revealed caracteristic seismic noise features. Spectral peaks were observed and attributed to resonant frequencies of the rock compartments, the fundamental resonant frequency (f1) showing clear polarization parallel to the line of maximum slope gradient, and perpendicular to the main bounding fracture observed at most of the sites. Similar findings were made for an unstable rock compartment located in a volcanic caldera, characterized by rapid morphological changes and intense rockfall activity. The dynamic response of the rear fracture network was explored, showing that spectral content of seismic noise is controlled by the caldera structure in the 0.5-5 Hz range. The direction of vibration is polarized perpendicularly to the fractures, while vibration amplitudes are linked to compartment uncoupling from the rock massif. In this case, the physical origin of seismic noise amplification may be due to complex 2D or 3D resonance effects. For the four alpine sites, the fundamental frequency f1 was monitored over more than one year, showing fluctuations clearly correlated with temperature oscillations. The thermal control over f1 is highly complex, showing both positive and negative correlations, depending on site morphology and destructuration, as well as on the studied oscillations periods (daily or seasonal). No change in fundamental frequency resulting from damage was observed over this time span. One site, characterized by intense rock fracturing and a deep-open rear fracture, showed high f1 sensitivity to temperature changes. Thermo-mechanical numerical simulations revealed that both material contraction-dilation and thermal dependancy of the elastic modulus control f1 fluctuations. In addition, high amplitude seasonal f1 oscillations were explained by ice formation in the rear fracture. A criterion was developped to separate thermal-induced f1 fluctuations from damage effects, under the hypothesis that thermal sensitivity of a rock compartment increases towards failure. The second part of this work relates to the post-rupture phase of rockfalls. The seismic records generated by two mid-size rockfalls {one natural, one provoked{ that occured in the same place were analyzed, showing complex enveloppe and spectrogram features. Both events showed close magnitude, duration and spectral content. The seismic signals of the provoked event were calibrated using video shots, allowing estimation of fallen material velocity during the successive propagation phases.

Depuis le 19ème siècle, de nombreux dispositifs de protection ont été implantés en montagne pour réduire le risque torrentiel. L'évaluation multi-échelle de leur efficacité est nécessaire pour comparer et choisir les stratégies de maintenance et de gestion de l’occupation des sols. Le chapitre I met en évidence les ambiguïtés du concept d’efficacité évalué selon plusieurs critères dans un contexte d’information imparfaite, issue de sources multiples, inégalement fiables. Pour aider l’évaluation multidimensionnelle, le problème de décision est décomposé en plusieurs sous-problèmes formulés, modélisés, traités puis intégrés. L’état de l’art du chapitre II permet de retenir les méthodes de la sûreté de fonctionnement (SdF) et d'aide à la décision (AD) basées sur le Raisonnement Évidentiel, associant les ensembles flous, les possibilités, les fonctions de croyance et la fusion d’information pour traiter chaque problème. Le chapitre III explicite le concept d'efficacité puis propose une adaptation des méthodes de la SdF à la formulation multi-échelle des problèmes. Le chapitre IV adapte les méthodes d'AD basées sur le Raisonnement Évidentiel, les améliore pour mieux représenter la connaissance disponible et évaluer la qualité d’une décision, et les associe. Le chapitre V propose une méthodologie séquentielle qui intègre ces méthodes pour évaluer les mesures de protection, de l’échelle de l’ouvrage à celle du bassin d’enjeux. Enfin, le chapitre VI discute les résultats, identifie les apports respectifs de l'intégration et des nouvelles méthodes, puis décrit les perspectives de déploiement opérationnel de la méthodologie développée. / Many torrential protective check dams have been built in French mountainous areas since the 19th century. They aim to reduce risk in torrential watersheds. Analysis of their effectiveness is needed to assess residual risk and to choose the best maintenance strategy in a context of reduced budgets. Chapter I introduces main issues due both to definition of effectiveness concept and also the several criteria and system scales that have to be assessed. Moreover, required expertise is based on imperfect information, provided by several sources with different reliability levels. To help such decisions, this thesis proposes to break down general assessment into several smaller decision-making problems. In chapter II, dependability analysis tools and Evidential Reasoning based-decision-aiding methods (ER-DAMs), using fuzzy sets and possibility theories, are chosen to help individual decisions. Chapters III to V then introduce new developments. Effectiveness concept is first defined. A multi-scale dependability analysis helps to describe each decision-making problem. ER-DAMs are then adapted to help effectiveness assessment at each system’s scale. Technical improvements are provided to these methods for a better knowledge representation and final decision. Improved methods are then associated. Finally, individual problems and associated methods are integrated in a generic methodology to help torrential protective measures’ effectiveness assessment at watershed scale. The last chapter VI focuses on discussion of integrative aspects and of ER-DAMs’ specific developments. It gives some elements to improve methods but also to help operational implementation of the generic methodology.

La surveillance d’un glissement de terrain vise à anticiper sa rupture pour réduire le risque d’accident. Elle s'opère généralement en mesurant les déplacements du sol. Ce travail propose une nouvelle technique de mesure de déplacement de glissements, flexible et à bas coût, basée sur l’utilisation d’étiquettes d’identification radiofréquence (RFID). La méthode de localisation d’étiquettes par différence de phase à 866 MHz est explorée en conditions extérieures et sur de longues durées. Cette étude a montré une détérioration de la mesure causée par les variations de température, d’humidité, de neige et de végétation. Après application de corrections, la précision de mesure a été améliorée, passant de ±20 cm à ±1 cm en conditions extérieures courantes. Cette technique fonctionne également en conditions neigeuses et en présence d’herbes hautes, mais avec une incertitude de mesure plus élevée (±8 et 4 cm respectivement). Ces erreurs de mesure sont provoquées par des effets de propagation, d’interférence multitrajets, et de per-turbations à proximité des antennes. Un système de mesure en continu a été déployé sur le glissement de terrain de Pont-Bourquin, en Suisse, pendant cinq mois. Ce dispositif a validé l’efficacité de la technique en conditions réelles. De plus, la mesure résiste bien aux intempéries et le dispositif demande peu de maintenance, en comparaison avec les techniques conven-tionnelles (extensomètre, GPS, station totale).Deux méthodes de mesure complémentaires aux déplacements ont ensuite été étudiées. La méthode de corrélation de vibrations ambiantes est prometteuse, mais n’a pas encore été utilisée en surveillance opérationnelle. Une étude bibliographique souligne plusieurs verrous à lever, tels que la correction des variations saisonnières et journalières, l’augmentation de la résolution temporelle, et le choix des paramètres de traitement adaptés au site surveillé. La méthode qui consiste à inverser une fonction de transfert entre des données de pluie et de déplacements est ensuite étudiée. Une inversion haute résolution de cette fonction est proposée. Elle permet d’identifier des comportements hydrologiques complexes (ex : infiltration à deux vitesses sur le site de Pont-Bourquin) et de mesurer leur évolution. Les avancées de cette thèse vont permettre d’améliorer la surveillance opérationnelle tout en réduisant son coût, répondant aux besoins des collectivités territoriales. / Landslide early-warning systems are based primarily on monitoring the displacement of the landslide. This work develops a new technique for monitoring these displacements, using radio-frequency identification (RFID) passive tags and phase-based location technique. This technique is deployed for the first time outdoors and for several months. Outdoor conditions revealed strong environmental influences due to temperature variations, moisture, snow and vegetation. These can cause a ±20 cm measurement uncertainty over a year, which is too large for landslide monitoring applications. The correction of these effects allows reaching the accuracy of ±1 cm under normal conditions, ±8 cm with snow and ±4 cm with dense high grass. The remaining effects due to snow and grass are explained by the influence of this material on the direct propagation, on the multipath interferences and on the antennas. This measurement system has been deployed on the Pont-Bourquin landslide for five months. The results validate the technique for landslide monitoring applications. The technique also shows the operational benefits of robustness to bad weather, easy maintenance and low-cost material, compared to conventional techniques (extensometer, GPS, total station).This thesis then studies two complementary monitoring methods that had recently been shown to provide precursors to landslide rupture. First, ambient seismic noise interferometry is used to detect a drop of shear-wave velocity prior to a rupture. The seismic method was studied in the literature to identify what must be developed to use this technique in an operational early-warning system. It requires getting rid of daily and seasonal environmental influences, choosing the processing parameters appropriate to the monitored landslide, and improving the temporal resolution below one day while keeping a stable enough signal. The other method consists of inverting an impulse response between rainfall and displacement rate, with a high resolution. It can shed light on complex infiltration processes (e.g. infiltration with two different delays at Pont-Bourquin) and detect their abnormal evolution across time. These developments should improve landslide operational monitoring with a low budget.

Les zones côtières ont depuis longtemps été attractives pour leur potentiel économique, et leur intérêt touristique et résidentiel. Elles ont fait l’objet d’une implantation massive dans tous les pays du monde. Or, les littoraux sont non seulement fragilisés par cette anthropisation, mais sont également sujet à des dégradations liées au changement climatique. À l’élévation du niveau de la mer souvent mise en avant dans les médias s’ajoute l’érosion intensifiée par les tempêtes et ouragans à répétition. Alors qu’émerge depuis plusieurs années la question des déplacés environnementaux ne disposant d’aucun statut protecteur, et dont le symbole le plus extrême est la situation de certains petits États insulaires dont le territoire est menacé de disparition par la montée des eaux, la question de la gestion de cette problématique dans le respect des droits humains se pose de manière accrue. L’enjeu de ce travail, s’appuyant sur des pays au profil différent : Bangladesh, États-Unis, France, petits États insulaires (notamment les Maldives, Kiribati, Tuvalu), est de rechercher les causes profondes de cette contrainte devenue tellement intense qu’elle conduit au déplacement, pour favoriser l’adaptation sur place ou mettre en œuvre un déplacement non plus conçu comme un échec mais comme une stratégie d’adaptation. Ce changement de perspective impliquera de mobiliser des outils juridiques issus de branches variées du droit (urbanisme, assurance, responsabilité et droit humanitaire, etc.) et surtout de respecter certains principes afin d’assurer l’anticipation et l’acceptation de la démarche par les populations. Fort de l’étude de ces exemples, il s’agira d’identifier ces éléments communs tout en mettant en lumière et en tenant compte des spécificités de chaque pays, de chaque communauté. / Coastal areas have always been attractive for their economic potential and their touristic and residential interest. They have been massively settled in countries all over the world. However, while coastlines are weakened by human impact, they are also subject to degradations due to climate change. Besides the sea-level rise, often emphasized by the media, we must consider the erosion caused by storms and hurricanes. The current context is strongly marked by the question of the environmental displaced persons who do not have any status. This situation can be illustrated by the small island states whose territory is threatened by the sea-level rise. Thus, the issue of managing these problems in respect with human rights arises to an increased extent. The challenge of this work, supported by different country profiles: Bangladesh, USA, France, Small Island States (including the Maldives, Kiribati, Tuvalu), is to seek the root causes of this dilemma that has become so intense that it leads to displacement, and then to promote and facilitate adaptation in-situ or adopt new displacement policies that are no longer perceived as a failure but as an adaptation strategy towards risks. This change of perspective intends to mobilize legal tools from various branches of law (Urbanism, Insurance, Liability and humanitarian law, etc.). It also intends to respect principles to ensure anticipation and acceptance of the approach by the people. With the study of these examples, we must identify these commons elements and take into account the specificities of each country and each community.

Ce mémoire de thèse synthétise trois années de recherches dédiées à la modélisation numérique des instabilités et ruptures se produisant dans les géomatériaux et ouvrages comme les glissements de terrains. L'approche considérée dans ces modélisations relève de la mécanique des milieux continus et est fondée sur l'exploitation de lois de comportement phénoménologiques et l'utilisation d'un code aux éléments finis. L'étude de ces instabilités est effectuée grâce au critère de Hill (1958) qui est basée sur le signe du travail du second ordre. Après un chapitre bibliographique sur les lois de comportements pour matériaux granulaires et sur les critères de stabilité matérielle, le second chapitre est dédié à l'étude du critère du travail du second ordre local par une analyse au niveau du comportement d'un point matériel. Le troisième chapitre propose une étude de ce critère à l'échelle d'une structure, et repose sur l'analyse aux valeurs propres et vecteurs propres de la partie symétrique de la matrice de rigidité globale issue d'un calcul par éléments finis. Enfin, dans le dernier chapitre nous présentons les modélisations de deux glissements de terrains : Petacciato en Italie, et Ballendaz en Savoie, qui se sont manifestés après des périodes de fortes pluies. L'association d'un modèle hydro-mécanique couplé prenant en compte la saturation partielle des sols, et du critère du travail du second ordre a permis de décrire correctement les surfaces de ruptures observées in situ.

Les mouvements de terrain sont un des facteurs principaux de l'érosion des chaînes de montagnes et représentent un enjeu déterminant dans l'aménagement des vallées. Les phénomènes gravitaires se manifestent sous des formes très variées rarement reconnues et rarement analysées dans leur globalité au sein d'un même massif. Ainsi les liens géométriques et dynamiques les caractérisant ne sont-ils jamais abordés. Ils pourraient cependant représenter un apport substentiel dans la compréhension des processus de déstabilisation, la reconnaisssance et la définition des aléas. <br />Nous avons tout d'abord cartographié les mouvements gravitaires rocheux dans la partie occidentale du massif de l'Argentera Mercantour et étudié leur relation et leur répartition en fonction des variables géologiques et morphologiques régionales. Puis nous nous sommes focalisés sur l'étude de deux cas représentatifs actuels d'échelles différentes sur lesquels nous avons testé et calibré la méthode de tomographie électrique (2D-3D-4D): le glissement de la Clapière et un glissement secondaire emboîté a son pied. <br />Notre étude permet d'établir un lien et un contrôle par la structure tectonique des mouvements d'échelles très différentes : Deep Seated Gravitational Slope Deformations (DSGSD), Deep Seated Landslides (DSL) et glissements superficiels. Ce contrôle s'exprime de différentes façons mais il apparaît de manière générale que l'échelle spatiale des déstabilisations gravitaires qui en résulte est directement proportionnelle à l'échelle temporelle des processus géologiques et morphodynamiques.

Les sujets que nous présentons abordent la question de la modélisation de dommages consécutifs aux séismes, avant et après l'événement. Cette approche a un caractère pluridisciplinaire, se situant entre les techniques propres au génie civil, à travers le calcul des structures, à la géographie, à travers l'analyse spatiale et à la télédétection, à travers l'utilisation de l'imagerie satellitaire. Le premier chapitre présente d'une part les objectifs, le fonctionnement et les principaux paramètres des modèles d'estimation de dommages consécutifs aux séismes, ainsi que leur limites d'applications. Le contexte français de gestion du risque sismique est analysé brièvement par la suite. D'autres part, nous réalisons un état de l'art des modélisations existantes, à travers la présentation des principaux travaux tels que HAZUSTM, RADIUS ou encore GEMITIS. Le chapitre conclut par une analyse de l'ensemble de ces modèles et par les perspectives d'améliorations envisageables. Le deuxième chapitre introduit une nouvelle méthode d'analyse des structures basée sur la prise en compte du déplacement. Puis, nous présentons la démarche utilisée pour le développement des courbes de capacité par type de bâtiments ainsi que les résultats obtenus. Pour conclure, nous réalisons une analyse comparative des résultats obtenus par différentes méthodes. Dans le troisième chapitre nous utilisons les courbes de capacité développées au préalable pour l'estimation a priori de dommages potentiels suite à un scénario de séisme. Nous avons considéré pour cette application les villes de Barcelone et Nice. Les résultats obtenus sont comparés à d' autres travaux d'évaluation de dégâts réalisés antérieurement. Le quatrième chapitre aborde l'utilisation de l'imagerie satellitaire dans le génie parasismique. Nous réalisons dans un premier temps une présentation des principales recherches existantes dans ce domaine. Nous utilisons dans un deuxième temps des images à très haute résolution pour la détection, la cartographie et la quantification de dommages suite aux séismes de Bhuj, en Inde, survenu en 2001 et de Boumerdes, en Algérie, survenu en 2003. En dernière partie, nous présentons les perspectives de l'application de la télédétection dans la gestion du risque sismique. Dans le dernier chapitre nous réalisons une approche préliminaire en vue d'une extension du modèle sismique aux autres risques, à travers le développement d'une échelle d'intensité pour tous les aléas naturels, réalisée dans le cadre d'une étude financée par le Ministère de l'Écologie et du Développement Durable. Nous terminons ce chapitre par la des perspectives de développement envisageables pour la généralisation d'une approche « multi-risques », notamment d'une perspective financière de gestion des risques naturels.

Cette étude vise à définir les caractéristiques des mouvements de terrain (ainsi que leurs mécanismes de déclenchement) rencontrés sur un versant où seuls des terrains houillers apparaissent (Houiller briançonnais de la rive droite de l'Arc en Maurienne). L'essentiel de l'étude est consitué par une analyse des conditions géologiques (lithologie, structure, fracturation, hydrogéologie) pouvant influer sur la stabilité des versants, ainsi qu'une description détaillée, à l'aide d'exemples, des différents mécanismes de déclenchement et de progression des mouvement!' gravitaires anciens. Il est montré qu'en raison de la densité de fracturation du massif, ce sont les ruptures de type circulaire qui prédominent. Toutes les données recueillies sur le terrain sont présentées soit à l'aide de cartes monographiques (par glissement), soit à l'aide de cartes analytiques générales: cartes des pentes, carte du réseau hydrographique et des sources, carte litholo: gique et structurale, carte des instabilités. Une carte synthétique essaie de rendre compte du degré de stabi lité des versants étudiés, préparant ainsi le dessin de cartes de type " risques naturels " .