Modélisation couplée et simulation numérique des phénomènes de colmatage des argilites

Hydromechanical modeling and numerical simulation of self-sealing phenomena in the Callovo-Oxfordian claystone

• Auteur / Autrice : Joffrey Bluthe
• Direction : Luc Dormieux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 27/11/2019
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Navier (Paris-Est)
• Jury : Président / Présidente : Jianfu Shao
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Luc Dormieux, Djimédo Kondo, Albert Giraud, Eric Lemarchand, Benoît Bary, Jean-François Barthélémy, Sylvie Granet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Djimédo Kondo, Albert Giraud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Roches -- Fracturation

Argilite

Mots clés libres

Fissuration

Homogénéisation

Argilites

Homogenization

Argilites

Cracks

Résumé

Dans un pays où la grande majorité de l'électricité est produite grâce aux réactions de fission des centrales nucléaires, la question de la gestion des déchets radioactifs ainsi produits revêt une importance capitale. C'est dans ce contexte que l'Andra a développé le projet Cigéo de stockage des déchets radioactifs en couche géologique profonde. La très faible perméabilité de la roche hôte, l'argilite du Callovo-Oxfordien, lui confère une capacité de confinement particulièrement intéressante pour le stockage de ces déchets. Cependant, la fracturation de cette roche suite au processus d'excavation a le potentiel d'augmenter significativement la perméabilité de la roche. Fort heureusement, il a été démontré expérimentalement que les capacités de gonflement et de fluage de l'argilite lui permettent de colmater naturellement les fissures lorsque celle-ci est hydratée. C'est précisément le scénario attendu à l'issue de l'exploitation des galeries et de l'arrêt des systèmes de ventilation. La modélisation du phénomène de colmatage constitue le principal objectif de ce mémoire. Tout d'abord, la philosophie du projet de stockage est précisée pour comprendre ce qu'il convient de modéliser afin de répondre à la question industrielle qui nous est posée. L'étude bibliographique montre que le phénomène de colmatage est essentiellement attendu au droit des scellements gonflants de galeries orientées selon la contrainte horizontale majeure pour les fissures de traction présentes à proximité de la paroi. Au vu des résultats expérimentaux présentés dans la littérature, il est ici proposé de se placer à l'échelle de l'ouvrage et non à celle de l'éprouvette de laboratoire pour modéliser le colmatage. Pour ce faire, un modèle de milieu homogène équivalent est introduit pour prendre en compte la présence de fissures tout autour de l'ouvrage, notamment leur densité et leur orientation. Ce modèle micromécanique est validé numériquement par comparaison à des simulations effectuées sur des volumes élémentaires de milieu fissuré, tant en ce qui concerne les propriétés mécaniques que celles de transport. Dans un second temps, le problème aux limites à résoudre est posé, puis deux types de résolutions sont détaillées. Le premier consiste en une résolution analytique dans un cadre simplifié de linéarité et d'invariance par rotation autour de l'axe du tunnel. Les résultats numériques sont obtenus très rapidement et l'analyse des effets des paramètres du modèle présentant des incertitudes est simplifiée. Le second a pour vocation d'être plus réaliste, puisque l'on renonce à l'hypothèse de linéarité, en prenant en compte la refermeture complète des fissures, ainsi qu'à celle d'invariance par rotation, qui n'est pas tout à fait représentative de ce qui est observé in situ. Une modélisation par la méthode des éléments finis est dans ce cas nécessaire. Les résultats des calculs mécaniques sont alors utilisés pour évaluer l'évolution de la conductivité hydraulique de la zone endommagée, ce permet de démontrer l'importance de la non-linéarité du milieu fissuré ainsi que du caractère conique du faciès de fissuration pour les fortes densités de fissure dans l'analyse et la compréhension du phénomène de colmatage des fissures de l'argilite du COx au voisinage des galeries

In a country where the vast majority of the electricity is produced thanks to the fission reactions of nuclear power plants, the question of how to dispose of the radioactive waste thus produced is of utmost importance. It is in this context that Andra has developed project Cigéo, the deep geological repository for radioactive waste. The very low permeability of the host rock, the Callovo-oxfordian claystone, makes it especially well suited for storage because of its confinement properties. However, the excavation-induced crack network of the rock has the potential to significantly increase its permeability. Thankfully, it has been experimentally shown that the swelling and creep behavior of the claystone allow it to naturally seal the cracks upon hydration. It is precisely this scenario that is expected after the operation phase. Modeling this sealing phenomenon constitutes the main goal of this thesis.First, the philosophy behind the disposal project is detailed so as to understand what needs to be modeled in order to answer the industrial question. Studying the literature on the subject shows that the sealing phenomena are essentially expected to take place around the sealing clay cores located in horizontal drifts oriented along the major principal stress for tensile cracks in the vicinity of the drift wall. Given the experimental results presented in the literature, it is proposed to set the stage at the scale of the drift, and not at that of the laboratory sample, in order to model the sealing process. In order to do that, an effective medium approach is introduced in order to take into account the presence of cracks all around the drift, including their density and orientation. A numerical validation of this micromechanical model is then proposed by comparing it with simulations performed on elementary volumes of a cracked medium, in terms of both mechanical and transport properties.In the second part, a boundary value problem is presented, and two types of methods to solve it are detailed. The first one consists in an analytical solution in a simplified linear context with an assumption of rotational invariance around the drift axis. The numerical results are very quick to obtain and the analysis of the effects of the uncertain parameters of the model is simplified. The second one aims at making the model more realistic, since the assumptions of linearity and rotational invariance are discarded. The goal of this second model is to take into account complete closure of the cracks, and to make the crack pattern more akin to what is observed in situ. A finite element model is then necessary to solve the problem. The results obtained from mechanical simulations are then used to estimate the evolution of the hydraulic conductivity of the damaged zone, which shows the importance of taking into account the non-linearity of the cracked medium as well as the conical character of the crack pattern for high crack densities when trying to analyze and understand the sealing of cracks in the COx claystone around the drifts