Le développement de modèles en 3D dans les domaines de géologie, géotechnique, et environnement

Introduction

Saviez-vous que presque 70 % des comptes redues d’enquêtes dans les domaines de géologie, géotechnique et environnement ne décrivent pas adéquatement les conditions du terrain?

Milliards de Euros sont dépensés annuellement vers des enquêtes sur le terrain, mais les résultats ne gèrent pas de bénéfices adéquats pour les projets.

Chez les projets géotechniques de la reprise Itumbiara au Brésil, le géologue américain John George Cabrera a planifié un projet de sondages afin de déterminer la localisation d’une zone d’ébauche découpée dans la semelle. Les roches, composées de gneiss d’amphibolite, de gneiss de biotite et de quartzites ayant subies d’intense activité tectonique. Il fallait savoir la distribution précise de la zone d’ébauche découpée afin d’injecter des additifs au coulis de ciment pour renforcer les fondations.

À l’aide d’informations obtenues à travers des méthodes géophysiques et des sondages, les techniciens du projet ont estimé que le volume de coulis ciment nécessaire, et ont ajouté 20 % de plus comme coefficient de sécurité. À la fin de ce processus, ils étaient surpris de découvrir que ce volume correspondait à 50 % plus que ce qu’ils avaient initialement calculés. Les estimatives étaient basées sur l’étendue de la surface et sur l’indice RQD, obtenu de la classification des échantillons carottés.

Les investigateurs, coordonnés par M. Cabrera, ont décidé d’étudier pourquoi il y a eu une telle différence de volumes d’injection. Ils voulaient s’assurer que la procédure adoptée était adéquate pour une semelle qui devait soutenir 31,000,000 mètres carrés de terre et en même temps permettre le passage de 16,000 mètres carrés de d’eau par seconde à travers l’évacuateur. D’ailleurs, les résultats pourraient contribuer à améliorer les estimatives de projets dans l’avenir et devenir source d’appui pour de nouvelles méthodologies d’investigation.

Après avoir réviser la documentation et les rapports techniques, analyser et reclassifier les échantillons carottés, tracer des sections transversales plus détaillées et réaliser de nouvelles mesures sur le terrain, la différence calculée n’était que 5% inférieure à celle obtenu au départ. Conséquemment, il n’y avait pas d’erreurs au sein de l’investigation, des données employées, ou des comptes rendus.

Quelle était l’erreur ?

Cet article répondra à cette question, et aussi décrira les anciennes techniques de modélisation, comment ces techniques ont évoluées, et comment les technologies innovatrices font que la modélisation en 3D soit la meilleure alternative pour mieux comprendre les problèmes présents chez les domaines de géologie, géotechnique et environnement.

Méthodes d’enquête

Traditionnellement, les enquêtes en géologie, géotechnique et écologie sont réalisées à travers d’inspections in situ, où on collecte des échantillons pour juger la structure et la lithologie sous la surface. C’était important de comprendre l’origine des structures et leurs morphologies, et aussi de proposer des théories du trajet évolutionnaire qui a produit le scenario actuel. De plus, les géologues et les ingénieurs devaient déterminer les tensions et les déformations des matériaux afin de prévoir des constructions sécurisées. La planète, en tant qu’entité complexe, présente de nombreux défi pour la réalisation de telles tâches. Pour cette raison, les géoscientifiques ont développé des méthodes et de l’équipement qui leurs permettent d’obtenir des résultats fiables.

La procédure de telles investigations inclue le suivant : la collecte de données à partir d’image aériennes, la cartographie géologique et géotechnique, de sondages géophysiques, l’exploration de la superficie, l’exploration de la sous-superficie, l’analyse de matériaux dans un laboratoire sur place, et plusieurs autres méthodes qu’on n’a pas mentionnées. Toutes seules, ces données ne seraient pas suffisantes si elles ne représentaient statistiquement la région sous investigation. Or, la collecte de données de qualité exige toujours beaucoup de recours financiers, et les budgets de tels projets limite la quantité d’information qu’on peut inclure dans l’analyse. En général, les chercheurs ne se rendent pas compte que le fait de limiter les ressources pendant les phases initiales d’un projet influence les facteurs de sécurité. Par conséquent, plus d’argent sera dépensé dans l’avenir pour assurer la sécurité ou régler les complications.

Cependant, utiliser des méthodes adéquates d’investigation et s’assurer que les données représentent le site correctement ne garantissent pas le succès du projet au moment de la prise de décision. Il est essentiel de faire référence aux informations relatives à chaque projet et de les intégrés afin de d’arriver aux bonnes conclusions.

Modèles en 3D

Intégration des données

Quelle était l’erreur des résultats de l’équipe de M. Cabrera ?

Face aux projets de grande importance, les géologues doivent examiner une énorme quantité d’information. Lorsque ces données sont examinées individuellement, elles révèlent des attributs spécifiques mais ne fournissent pas de l’information au sujet de l’interaction de ces données. Il existe une grande variété de données, tant que les cartes géologiques, les mesures structurelles, les échantillons de roches e de sol, et les données géophysiques, entre autres.

Le projet du barrage de Itumbiara a été effectué pendant les années 1980 et l’intégration des données a été réalisée manuellement. Comme exemple, la comparaison de sections transversales ayant des profils géophysiques et le géoréférencement des données ont été accomplis avec peu d’automatisation, et sans accès aux outils ni aux techniques actuelles. Ainsi, une quantité importante d’information a été perdue, ce qui affecte les estimations.

Par exemple, pour établissement de corrélations entre profils géophysiques et données d’échantillons carottés nécessitait les sections transversales. Afin de déterminer les effets des failles perpendiculaires à ces sections, la classification RQD a été utilisée comme comparaison entre les échantillons carottés alignés. Un tel processus est extrêmement lent et susceptible à plusieurs erreurs d’évaluation. En plus, nous savons aujourd’hui qu’il existe des limites innées chez le RQD. Rock Mass Rating (RMR) et le Q-system s’agissent de systèmes de classification répandus qui comprennent RQD. D’ailleurs, ces systèmes incorporaient les discontinuités issues des tensions en gneiss et quartzite, ce qui réduit la valeur du RQD. D’autres divergences provenaient aussi du fait que plusieurs experts négligeaient le critère de roche dure et saine (hard and sound).

La réglementation et les meilleures pratiques ont réglé quelques-uns de ces problèmes mais, sans doute, l’automatisation a été l’élément qui a plus contribué à l’amélioration de la compréhension des sites. Celle-ci résulte en de meilleures évaluations et analyses des données, de meilleurs jugements et la possibilité de refaire les modèles avec une multiples paramètres pour l’entrée des données.

Modèles des Failles

Modèles en 3D

L’intéresse aux modèles tridimensionnels pour visualiser et régler les enjeux de la construction existe depuis les années 1970. Avant cette époque, les investisseurs créaient des modèles qui servaient de propositions de projets pour faire la publicité dans les showrooms ou les expositions. Les modèles étaient en plastique en bois ou autres matériaux appropriés. Les ordinateurs plus puissants ont permis le développement naturel de logiciels de construction de modèles. De cette façon, Computer Aid Design (CAD) est devenue généralisée au sein de l’industrie de la construction. Les nouvelles technologies et les ordinateurs de puissance croissante ont rendu possible la création de modèles en 3D et, durant cette même époque, Building Information Modeling (BIM) a été perfectionnée pour devenir la technologie que nous connaissons actuellement.

La technologie du BIM n’est pas seulement logiciel. C’est aussi un concept ayant plusieurs niveaux : le niveau 0 est composé d’ouvrages sur papier sans collaboration; le niveau 1 inclut les dessins en 2D et quelques modèles en 3D; au niveau 3, on trouve le travail en équipe et la modélisation en 3D; aux niveaux 4, 5 et 6, on ajoute la programmation des tâches et des coûts aussi que l'ajout d'informations sur la durabilité. Chaque niveau nécessite des logiciels plus complexes que ceux qui le précèdent.

L’extrapolation des concepts de BIM vers les domaines de géologie, géotechnique et écologie est aussi normal que chez les autres industries qui nécessitent une interprétation en 3D pour trouver, comprendre et résoudre les problèmes existants. Cependant, comme ces domaines sont associés aux matériaux provenant du milieu naturel, les logiciels requis sont encore plus complexes. Par exemple, les modèles géologiques nécessitent souvent l’intégration de données aussi diverses que les lignes sismiques en 2D et en 3D, les données des puits d’investigation, les profils gravitationnels, les arpentages magnétiques et les données d’enquêtes. Il existe plusieurs genres de fichiers qui peuvent représenter de telles données, mais les conversions entre fichiers sont effectuées internement par le logiciel. Les fichiers sont aussi géoréférencés et leurs interconnexions sont établies.

Le mouvement de fluides géothermiques

Le logiciel contient aussi des algorithmes pour la génération de modèles de surface afin de bien définir les failles et le caractère lithologique. Il calcule, à partir des surfaces de référence, les zones de rupture et les surfaces intermédiaires, et élabore des modèles de mécanismes d’intrusion qui réalisent des courbes, qui se plient et qui se bifurquent. La géométrie des surfaces est influencée par l’ajout des données structurelles, ce qui permet la concrétisation des rapports entre la géométrie des surfaces et le système de failles. Le système gère aussi des isosurfaces à partir des résultats de sondages et de points qui permettent la visualisation de tendances angulaires et de continuités. Aussi, les sections transversales et les tranches gérées par le logiciel augmentent la transparence interne.

Plusieurs fonctionnalités sont désormais disponibles, telles que la possibilité de gérer et sauvegarder des scènes en 3D, et de gérer les images qui peuvent être ajoutées aux rapports. Pourtant, la contribution la plus importante des logiciels de modelage en 3D est la possibilité de collaboration entre l’équipe de développement et tous les autres individuels impliqués. La centralisation de données, ressources et historique en réseaux de nuages, sans limite d’espace mémoire, augmente énormément le progrès et la fiabilité des projets.