La Sûreté de Fonctionnement dans le domaine des barrages
Le contexte des barrages est intéressant car il permet d'appréhender l'intérêt et les limites de ce que peut apporter la Sûreté de Fonctionnement aux ouvrages d'art à caractère unique, présentant des mécanismes complexes. Pour ces ouvrages, on ne peut en général pas disposer de données suffisantes pour engager une démarche fiabiliste, que ce soit au moyen d'une modélisation simple des mécanismes et d'essais expérimentaux sur les matériaux, ou par référence à une population homogène d'ouvrages de même type.
La Sûreté de Fonctionnement appliquée au contexte des barrages date du début des années 1990 et fait l'objet actuellement de nombreux développements, impulsés essentiellement par les pays nord-américains (USA et Canada) et nord-européens (Norvège, Suède, Pays-Bas). Deux manuels techniques font référence dans le domaine : le récent bulletin de la Commission Internationale des Grands Barrages (Icold, 03) et le guide de la Canadian Electricity Association (Cea, 00).
Malgré l'intérêt que suscitent ces approches au niveau international pour l'analyse de risques, on ne compte toutefois que peu d'applications à des études de sûreté de fonctionnement de barrages. Dans ces applications, on retrouve des pratiques communes : travail d'équipe d'experts pluridisciplinaires, examen des principaux aléas (hydrologique et sismique), modélisation des scénarios de rupture, implication forte du jugement expert dans l'analyse quantitative. On présente ci-après les différentes étapes d'une étude-type de sûreté de fonctionnement de barrage.
L'analyse fonctionnelle appliquée aux barrages
L'analyse fonctionnelle recherche toutes les fonctions accomplies par le barrage et ses composants, pour ensuite identifier leurs modes de défaillances, leurs causes et effets. Elle est menée en deux étapes : l'analyse fonctionnelle externe et l'analyse fonctionnelle interne (Peyras et al., 06b).
L'analyse fonctionnelle externe s'intéresse aux interactions entre le système (le barrage, sa fondation et ses ouvrages annexes) et son environnement. Elle permet de déterminer les fonctions de contrainte accomplies par le barrage, en réaction à son environnement (sollicitations, circulations de flux hydrauliques, contacts...), et les fonctions principales qui traduisent l'objet du barrage (production hydroélectrique, fourniture d'eau, écrêtement des crues...).
Après l'analyse globale du système, l'analyse fonctionnelle interne recherche les fonctions de conception accomplies par les composants du barrage. Pour cela, une analyse structurelle est conduite et liste tous les composants constitutifs du barrage, repère leur position géographique au sein de l'ouvrage et détermine les interactions avec les autres composants (Figure 4).
Au final de l'analyse fonctionnelle, on dispose, d'une part, d'une description précise de l'ouvrage, de ses composants et des liens entre composants et environnement, d'autre part, d'une liste des fonctions principales et de contrainte du barrage et des fonctions de conception de chaque composant.
Modélisation de la sûreté de fonctionnement des barrages
Après l'analyse fonctionnelle, l'objectif de cette étape est de modéliser les modes de défaillance des barrages. Trois techniques de la Sûreté de Fonctionnement peuvent être utilisées principalement pour la modélisation fonctionnelle. Tout d'abord, l'AMDE (Failure Modes and Effects Analysis - FMEA) est une méthode particulièrement efficace pour l'analyse des modes de défaillance et permet de structurer, sous forme de tableaux, les informations sur les dégradations : les pertes de performance, leurs causes, leurs effets. En toute rigueur, elle est appliquée en préliminaire à d'autres techniques de modélisation des scénarios de défaillance ou d'analyse quantitative, mais paradoxalement, elle fait l'objet de peu d'applications dans les études de sûreté de fonctionnement de barrages. On présente au tableau 1 un extrait d'un tableau AMDE concernant la défaillance d'une fondation injectée d'un barrage poids (Peyras et al., 06b).
La méthode la plus largement rencontrée dans les études est celle des Arbres d'Evénements (Event Tree Analysis) qui est mise en œuvre pour modéliser les mécanismes de rupture : un mécanisme est représenté sous forme d'un scénario, constitué de séquences d'événements se déroulant chronologiquement et construit inductivement à partir d'un événement initiateur jusqu'aux événements finaux (la rupture en général). La figure 5 illustre la modélisation par un arbre d'événements du scénario de rupture d'un barrage en remblai par surverse consécutive à un séisme exceptionnel (Cea, 00). A partir de l'événement initiateur (le séisme associé à une fréquence), on enchaîne les séquences chronologiques de modes de défaillance qui conduiraient à la ruine de l'ouvrage. Enfin, la méthode des Arbres des Conséquences (Fault Tree Analysis) est utilisée pour la modélisation fonctionnelle d'équipements spécifiques des barrages, à fonctionnement proche des systèmes industriels : les composants électromécaniques, les vannes clapets, les générateurs de secours... De façon déductive, on recherche les événements successifs susceptibles de provoquer l'événement final indésirable.
Mesure de la sûreté de fonctionnement des barrages
Les études d'analyse de risques mettent en évidence la difficulté d'obtenir des mesures de la sûreté de fonctionnement des barrages ou de leurs composants : mécanismes en jeu très divers et complexes, unicité de chaque ouvrage et de sa fondation, informations sur les incidents et les défaillances peu abondantes et pas nécessairement disponibles... Ainsi, une approche fiabiliste de la sûreté de fonctionnement est peu probante et le jugement de l'expert reste à la base de l'évaluation des probabilités. Le travail d'évaluation des probabilités est réalisé dans le cadre d'équipes pluridisciplinaires constituées par des experts du domaine et animées par un spécialiste de la Sûreté de Fonctionnement.
L'analyse quantitative proposée dans les études de sûreté de fonctionnement de barrages est conduite à partir d'arbres d'événements. Les probabilités de transition associées à chaque séquence (nœud) de l'arbre proviennent du jugement des experts et, lorsque le mécanisme étudié le permet, la probabilité d'occurrence de l'événement initiateur (le premier nœud de l'arbre) est obtenue à partir d'un modèle probabiliste de l'aléa, à l'instar de la méthode du Gradex en hydrologie pour le scénario de surverse (Duband et al., 88). La probabilité totale associée au scénario résulte ensuite du calcul des probabilités rattachées à chaque événement de l'arbre (Figure 6). De par l'aspect déclaratif de l'estimation des probabilités par les experts, on obtient alors des probabilités subjectives (ou déclaratives) d'occurrence d'un scénario.
Finalement, compte tenu de la forte implication de l'expertise dans l'analyse quantitative, les mesures de sûreté de fonctionnement obtenues présentent un caractère intrinsèquement subjectif : elles peuvent ainsi être utilisées pour déterminer les scénarios de rupture et les composants les plus critiques pour un barrage donné, et à l'échelle d'un parc entier, les ouvrages les plus dangereux. Toutefois, elles peuvent difficilement être déplacées de leur contexte pour établir des comparaisons de risques avec des barrages d'un autre parc, voire d'autres systèmes du génie civil ou industriels.
Synthèse et conclusions d'une étude de sûreté de fonctionnement de barrage
On donne à titre d'exemple les résultats d'une étude de sûreté de fonctionnement menée sur trois barrages norvégiens en enrochements de conception analogue (Tableau 2). Le calcul des probabilités a été réalisé par la construction d'arbres d'événements pour chaque scénario envisagé, puis par l'évaluation par un panel d'experts des probabilités subjectives associées à chaque nœud de l'arbre. Les périodes de retour correspondant aux différentes intensités de crues et de séismes ont été obtenues par des modèles probabilistes et des données statistiques relatifs à ces deux aléas (sismique et hydrologique).
En synthèse, les études de sûreté de fonctionnement appliquées aux barrages constituent une approche puissante d'analyse de risques permettant la quantification de la sûreté. Elles sont particulièrement efficaces pour l'amélioration de la connaissance d'un ouvrage et de ses points faibles et pour la gestion patrimoniale (mise en place de programmes de travaux et optimisation de la maintenance). Cependant, le coût de telles études est important et cette approche reste réservée aux grands ouvrages.
