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Integrated Geological, Geophysical, and Geotechnical Site Characterization of Ajima Dam Site, Amhara Region, Ethiopia: Implications for Seepage and Foundation Stability

Cette étude présente une caractérisation intégrée, géologique, géophysique et géotechnique du site du barrage d'Ajima en Éthiopie, révélant des risques critiques de stabilité des fondations et d'infiltration dus à une capacité portante insuffisante et une perméabilité élevée, et recommandant des mesures d'atténuation spécifiques telles que l'excavation profonde, l'injection de voûtes et des modifications de conception résistantes aux séismes.

Auteurs originaux : Tadesse Demisie Fenta, Nigus Kebde Asmerom, Leulaem Shano Bako

Publié 2026-07-02

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : Tadesse Demisie Fenta, Nigus Kebde Asmerom, Leulaem Shano Bako

Article original sous licence CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète

La vue d'ensemble : Construire une maison sur des fondations instables

Imaginez que vous vouliez construire une maison massive et lourde (le barrage) qui retiendra un immense lac. Avant de couler le béton ou de poser les briques, vous devez savoir : Le sol en dessous est-il assez solide pour le supporter ? L'eau va-t-elle fuir à travers le plancher ? Et le sol va-t-il se désagréger si un séisme survient ?

Cet article est un « bilan de santé » détaillé du sol sur le site du barrage d'Ajima en Éthiopie. Les chercheurs ont utilisé trois « médecins » différents pour examiner le site :

Les géologues (qui examinent les roches et dressent des cartes).
Les géophysiciens (qui utilisent des ondes sonores et l'électricité pour voir sous terre sans creuser).
Les ingénieurs géotechniciens (qui percent des trous et testent la résistance du sol).

Le diagnostic : Trois problèmes majeurs

1. La « couche supérieure faible » (Capacité portante)

Le Problème : Les 5 premiers mètres (environ 15 pieds) du sol sont comme une éponge détrempée ou un tas de sable meuble. C'est trop faible pour supporter le poids du barrage.
L'Analogie : Imaginez essayer de garer un camion lourd sur un matelas. Le camion (le barrage) pèse 1,154 MPa (une mesure de pression), mais le matelas (le sol de surface) ne peut supporter que 1,1 MPa. Si vous garez le camion, le matelas s'effondre.
Le Constat : Le sol est actuellement dangereux. Le « facteur de sécurité » est inférieur à 1,0, ce qui signifie qu'un effondrement est probable si l'on construit dès maintenant.
La Solution : Ils recommandent d'extraire (excavation) les 5 à 6 mètres supérieurs de ce matériau faible pour atteindre le sol plus dur en dessous.

2. Le « seau percé » (Infiltration)

Le Problème : L'eau est très douée pour trouver les fissures. L'étude a révélé que le sol sur le côté gauche de la vallée et le fond de la vallée est rempli de fissures et de trous, agissant comme un tamis.
L'Analogie : Pensez aux fondations du barrage comme à un seau. Si le seau a des trous au fond et sur les côtés, l'eau fuira avant qu'il ne puisse se remplir. Les chercheurs ont trouvé des « valeurs Lugeon » (une mesure de la vitesse à laquelle l'eau fuit) atteignant 75 dans certains endroits. C'est comme un seau avec un énorme trou dedans.
Les Détails :

Côté gauche et fond de la vallée : Très fuyant (comme une passoire).
Côté droit : Bien meilleur, principalement de la roche solide (comme un seau en plastique solide).
Dangers cachés : Ils ont trouvé des grottes naturelles dans le sol rouge (latérite) sur le côté droit. Ce sont des tunnels cachés par lesquels l'eau pourrait s'engouffrer, emportant le sol de l'intérieur (érosion interne).
La Solution :
Rideau d'injection (Grout Curtain) : Imaginez injecter un immense mur de colle de ciment profondément sous terre (30 mètres de profondeur) pour sceller toutes les fissures. Ils prévoient de le faire en 2 ou 3 rangées pour s'assurer qu'aucune eau ne s'y glisse.
Couverture amont (Upstream Blanket) : Ils poseront un tapis épais et imperméable (argile) sur le sol devant le barrage pour forcer l'eau à prendre un chemin plus long et plus difficile pour passer, ralentissant ainsi son mouvement.

3. Le « risque sismique » (Risque de séisme)

Le Problème : Le barrage est construit dans une zone de rift tectonique (où les plaques terrestres s'écartent). Cette zone est sujette aux tremblements de terre.
L'Analogie : Imaginez une planche de bois rigide (le socle rocheux profond) recouverte d'une couche de gelée (le sol meuble de surface). Si vous secouez la planche, la gelée oscille violemment et amplifie les secousses.
Le Constat : La couche de sol meuble va amplifier les ondes sismiques, rendant les secousses deux fois plus fortes que sur de la roche solide. Il existe également un risque que le sol meuble se transforme en liquide (liquéfaction) lors d'un séisme, provoquant l'enfoncement ou l'inclinaison du barrage.
La Solution : Le barrage doit être conçu spécifiquement pour résister à ces secousses plus fortes (en utilisant une norme de « PGA de 0,20g ») et le sol meuble doit être traité pour qu'il ne se transforme pas en gelée.

Les « bonnes nouvelles » (Qu'y a-t-il en profondeur ?)

Bien que la couche supérieure soit un désastre, plus on descend, mieux c'est.

0–5 mètres : Faible, altéré, fuyant.
5–35 mètres : S'améliore, mais toujours fissuré.
En dessous de 35 mètres : Le sol se transforme en « Ignimbrite fraîche » (un type de roche volcanique). C'est comme frapper du béton solide. C'est robuste, possède très peu de fissures et ne laisse pas passer l'eau.

La « prescription finale » (Recommandations)

Sur la base de ce « bilan de santé », les chercheurs donnent une recette spécifique pour sauver le projet :

Creusez : Retirez les 5 à 6 premiers mètres de sol meuble dans la vallée.
Collez les fissures : Percez des trous profonds et injectez du ciment jusqu'à 30 mètres de profondeur pour sceller les fuites. Utilisez une colle chimique spéciale pour les zones présentant des cavités.
Couvrez le tout : Posez une couverture imperméable de 30 mètres de long devant le barrage.
Construisez solide : Concevez le barrage pour qu'il puisse supporter les secousses spécifiques de cette zone sismique.

Résumé

Le site du barrage d'Ajima est un emplacement délicat. Le sol est actuellement trop faible pour supporter le barrage, trop fuyant pour retenir l'eau et trop instable pour une conception standard. Cependant, l'étude prouve que si vous extrayez la couche supérieure faible et scellez les fissures profondes avec du ciment, la roche solide située en dessous est assez robuste pour supporter un barrage sûr et durable. Sans ces correctifs, le barrage risquerait de faillir, de fuir ou de s'effondrer lors d'un séisme.

Résumé Technique : Caractérisation Intégrée du Site du Barrage d'Ajima par des Méthodes Géologiques, Géophysiques et Géotechniques

Énoncé du Problème
Le barrage d'Ajima, un projet de structure en remblai de terre de 48 m de hauteur dans la région d'Amhara en Éthiopie, présente des défis d'ingénierie importants en raison de sa localisation au sein de la zone tectoniquement active du Rift principal éthiopien. Les échecs de barrages antérieurs dans la région, tels que le barrage de Katar, ont été attribués à des investigations géologiques et géotechniques pré-construction insuffisantes. Les principales préoccupations au site d'Ajima incluent l'instabilité potentielle des fondations, les infiltrations incontrôlées et la vulnérabilité sismique. Plus précisément, l'étude répond à la nécessité de caractériser le contexte lithologique complexe (dominé par la tufs, l'ignimbrite, le basalte et la latérite), d'évaluer la capacité portante de la fondation par rapport à la charge de conception du barrage, et d'identifier les anomalies de perméabilité pouvant entraîner des fuites du réservoir ou une érosion interne.

Méthodologie
L'étude emploie une approche multidisciplinaire intégrant la cartographie géologique, les levés géophysiques et les essais géotechniques pour créer une caractérisation complète du site.

Investigation de Terrain et de Subsurface : Dix-neuf forages ont été réalisés pour une profondeur totale de 633 m (17 sur la fondation du barrage). Les essais de terrain comprenaient des essais de pénétration standard (SPT) pour la résistance des sols et des essais de Packer (Lugeon) pour déterminer la perméabilité de la masse rocheuse.
Levés Géophysiques : Des levés de résistivité électrique (sondage électrique vertical et profilage électrique) et des levés de réfraction sismique ont été effectués pour cartographier la lithologie de subsurface, l'épaisseur de la couverture et les contrastes de vitesse.
Essais de Laboratoire : Les échantillons de sol ont subi des analyses granulométriques, des limites d'Atterberg et des essais de perméabilité. Les échantillons de roche ont été testés pour la résistance à la compression uniaxiale (UCS).
Intégration des Données : Le classement RMR (Rock Mass Rating) et RQD (Rock Quality Designation) ont été calculés pour classer la qualité de la masse rocheuse. Les données de ces trois disciplines ont été croisées pour développer un modèle géo-conceptuel et une carte géologique d'ingénierie.

Résultats Clés

Stabilité des Fondations et Capacité Portante : Un décalage critique entre la charge et la contrainte a été identifié. La capacité portante admissible des 5 premiers mètres du fond de la vallée est inférieure à 1,1 MPa, ce qui est insuffisant pour la charge appliquée du barrage de 1,154 MPa. Cela résulte d'un facteur de sécurité (FOS) inférieur à 1,0, indiquant un risque élevé de déformation ou de rupture sans intervention.
Perméabilité et Infiltrations : Le site présente une forte hétérogénéité de perméabilité.
- Fond de Vallée et Épaulement Gauche : Ces zones sont hautement perméables, avec des valeurs Lugeon atteignant jusqu'à 75 LU (équivalent à $7,5 \times 10^{-6}$ m/s). Environ 66 % des tests dans l'épaulement gauche et 75 % dans le fond de la vallée ont dépassé 1 LU, indiquant un potentiel d'infiltration significatif.
- Épaulement Droit : Cette zone présente une perméabilité plus faible, avec 76 % des tests inférieurs à 1 LU.
- Perméabilité des Sols : Les sols alluviaux sont généralement imperméables ( $10^{-8}$ m/s), tandis que les sols latéritiques sont perméables ( $10^{-5}$ m/s).
Qualité de la Masse Rocheuse : La qualité de la roche s'améliore avec la profondeur. Les zones altérées supérieures (0–5 m) sont classées comme « Pauvres » (RMR 21–40) avec des valeurs RQD de 25–50 %. En dessous de 35 m, la roche passe à une qualité « Bonne » (RMR 61–80) avec des valeurs RQD de 90–100 %, caractérisée par une ignimbrite fraîche et massive avec des valeurs UCS allant jusqu'à 99,2 MPa.
Géologie Structurale et Risques : Une faille majeure traverse l'axe du barrage (N86°W), et des grottes naturelles ont été identifiées dans les sols latéritiques de l'aval de l'épaulement droit. Ces caractéristiques présentent des risques d'érosion interne et d'instabilité de pente.
Risque Sismique : Le site est situé en Zone Sismique IV (PGA 0,20g). Les données géophysiques révèlent un contraste de vitesse important entre la couverture meuble ( $V_s < 1000$ m/s) et le substratum rocheux rigide ( $V_s > 3500$ m/s), suggérant un potentiel d'amplification du site allant jusqu'à 2,0. L'analyse de la liquéfaction indique un facteur de sécurité < 1,0 pour les 5 premiers mètres.

Recommandations et Stratégies de Mitigation
Sur la base des conclusions intégrées, les auteurs proposent des mesures correctives spécifiques pour assurer la sécurité du barrage :

Excavation : Retrait des 5–6 premiers mètres de matériaux très altérés du fond de la vallée pour atteindre des strates de fondation compétentes.
Injection (Grouting) : Installation d'un rideau d'injection de 30 m de profondeur avec 2 à 3 rangées espacées de 1,5 à 2,0 m pour sceller les zones fracturées et perméables (particulièrement dans le fond de la vallée et l'épaulement gauche).
Contrôle des Infiltrations : Construction d'un tapis imperméable en amont s'étendant sur 30 m depuis le pied du barrage pour allonger le chemin d'infiltration à travers les zones peu profondes et perméables.
Traitement des Grottes : Utilisation de l'injection chimique (plutôt que du ciment) pour traiter les grottes trouvées dans les sols latéritiques de l'épaulement droit.
Conception Sismique : Mise en œuvre de modifications de conception résistantes aux séismes tenant compte de la classification de Zone IV et des effets d'amplification du site.

Signification et Contribution
L'article affirme fournir la première caractérisation complète du site du barrage d'Ajima, comblant une lacune critique dans les investigations de barrages en Éthiopie où des évaluations géologiques insuffisantes ont historiquement conduit à des échecs. La principale contribution de l'étude est l'identification d'un « décalage charge-contrainte » critique dans les couches de fondation supérieures, une découverte qui nécessite une modification immédiate de la conception. De plus, ce travail démontre l'efficacité de l'intégration des données géologiques, géophysiques et géotechniques pour cartographier l'hétérogénéité de la perméabilité et les risques structurels (failles, grottes) qu'une investigation par une seule méthode pourrait omettre. Les recommandations de conception quantitatives (profondeur d'excavation, paramètres du rideau d'injection) servent de modèle pour le traitement des fondations dans des terrains volcaniques similaires au sein du Rift principal éthiopien, offrant un cadre de mitigation des risques pour les futurs projets d'infrastructure dans la région.