Natural hazards pose significant threats to population safety, economic well-being, and natural resources. Among these hazards, gravitational instabilities (rockfalls, rock avalanches, landslides, debris flow) are particularly common and in many cases can be catastrophic in Alpine valleys. This is a challenge for the development of mountain regions, where populations and infrastructures can increase.
To minimize future losses, identifying areas at risk and evaluating the potential impacts of these events is crucial to refine hazard assessment, especially with the added uncertainties brought by global warming. Risk assessment involves identifying, analyzing, and understanding potential hazards, using dedicated instruments for data acquisition, and employing tools and methods for data processing and analysis.
The main objective of this PhD is to enhance the methodology for conducting a comprehensive hazard assessment of rock slope instabilities. A two-step workflow is effective for assessing the hazard. First, monitoring displacements and rockfall activities, combined with structural analysis of the rock mass and slope stability assessment, helps describe and justify instability characteristics and rupture scenarios (volume, surface, mechanism, susceptibilityr. Second, propagation scenarios of suggested volumes are developed using numerical simulations, laboratory testing, or empirical inventories of past events.
This thesis begins by presenting various instruments used for studying instabilities, such as LiDAR, lnSAR, and extensometers, and the methods for assessing stability. lt then introduces two toolboxes developed to help answering the research objective: one for optimizing GB-lnSAR acquisition parameters, tested on two monitored cliffs, and another for describing joint networks within rock masses, tested on the Polignano a Mare cliff.
The hazard assessment workflow is applied for one specific case study; the Cima del Simano instability in the Swiss Alps, which is the core of the PhD project. This case study is motivated by a 500 m-long open fracture 100 m behind the crest, recurrent debris flow events damaging infrastructure at the slope toe, and the historical Monte Crenone rockslide in 1513, located in the vicinity caused catastrophic damages.
Eight scenarios for the volume of the instability with sizes ranging from 2.0 x 105 m3 to 5.1x 107 m3 are suggested, involving different mechanisms (rockfall, deep-seated landslide, wedge sliding) are proposed, supported by monitoring, structural analysis, and numerical modeling. Monitoring highlights small movements at the summit, with rockfalls and toppling blocks detected by LiDAR and GB-ln5AR. Structural analysis identifies four distinct joint families, two of which favor wedge sliding instabilities. Numerical modeling indicates significant tensile forces at the crest, explaining visible open cracks as tension cracks.
Next, the maximum run-out distance, run-up height, and lateral spreading are estimated for the rupture and
propagation of the two main scenarios: Sl (4.30 x 106 m3 and SSl (2.30 x 105 m3 Matching empirical and
numerical results is challenging due to the presence of the opposite valley flank, but a maximum run-out distance could be estimated. Additional information on the probability of run-out exceedance and the impact distance of the rock avalanche blast couId also be provided.
The study also examines weathering factors and climatic changes, such as the impact of increasing temperatures on permafrost disappearing and rock cohesion, freeze-thaw effects causing rock fatigue and propagation of joints and fractures.
lndependently of Cima del Simano, attention is given to the impact of cyclic thermal variations on rock contraction and dilation, highlighted by a case study on La Cornalle cliff, which shows 24-hour cyclic rock surface movements correlated with temperature variations.
Keywords: Hazard Assessment; Rockslide; Rockfall; Debris Flow; Monitoring; Remote Sensing; lnterferometric Synthetic Aperture Radar; Light Detection and Ranging; lnfrared thermography; Finite Element Modeling; Kinematic Analysis; Propagation; Run-out Distance; Fahrbôschung Angle; Weathering; Climate Change
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Les aléas naturels sont des incertitudes que les sociétés doivent affronter, menaçant la sécurité des populations et les ressources économiques et naturelles. Parmi ces aléas, les instabilités gravitaires (chutes de pierres, avalanches rocheuses, glissements de terrain) sont particulièrement fréquentes dans les vallées alpines. Malgré cela, les zones d'habitation et les infrastructures continuent de s'étendre dans ces régions.
Pour minimiser les pertes futures, il est crucial de comprendre la vulnérabilité des sociétés face à ces aléas en évaluant les risques, surtout dans le contexte du réchauffement climatique. Cette évaluation commence par l'identification, l'analyse et la compréhension des aléas potentiels. Cela nécessite des instruments spécifiques pour l'acquisition de données et des méthodes avancées pour leur traitement et analyse. Un plan de travail en deux étapes peut être appliqué pour répondre à ce besoin.
Premièrement, la surveillance des déplacements et des chutes de pierres, via des techniques comme le UDAR, l'lnSAR et les extensomètres, permet de quantifier les mouvements des masses rocheuses. Une analyse structurelle du massif rocheux et une évaluation de la stabilité décrivent et justifient des scénarios de rupture (volume, surface, mécanisme, susceptibilité).
Deuxièmement, des scénarios de propagation des volumes identifiés sont proposés, basés sur des simulations numériques, des tests en laboratoire ou des inventaires empiriques. Cette évaluation inclut l'estimation des distances maximales de déplacement, des hauteurs maximales de remontée, de la dispersion latérale, ainsi que l'analyse des zones où les débris peuvent s'accumuler et déclencher des laves torrentielles dans un second temps.
La première section de la thèse présente les instruments de surveillance et de télédétection utilisés pour étudier les instabilités et les méthodes pour estimer la stabilité des pentes rocheuses. La seconde section introduit deux outils développés pour ce projet : l'un permettant de choisir les meilleurs paramètres d'acquisition GB-lnSAR, testé sur deux falaises, et l'autre pour décrire un réseau de joints au sein d'un massif rocheux, utilisé pour la falaise de Polignano a Mare.
La thèse applique ce plan de travail à l'instabilité de Cima del Simano dans les Alpes suisses, dont l'étude est motivée par une fracture de 500 m de long, les fréquentes laves torrentielles endommageant les infrastructures, et le glissement de terrain historique de Monte Crenone en 1513. Huit scénarios de rupture de volumes variables (2.0 x 105 m3 à 5.1 x 106 m3) et de mécanismes variables (chute de pierres, glissement profond, glissement en coin) sont proposés, appuyés par des acquisitions de surveillance, une analyse structurelle et une modélisation numérique de la stabilité. La surveillance par satellite et GB-lnSAR met en évidence de petits mouvements allant de 7 mm à 1 cm au sommet. Des chutes de pierres et des blocks en basculement sont détectés par LiDAR et GB-lnSAR. La modélisation numérique montre des forces de traction importantes à l'arrière de la crête, expliquant les fissures de traction visibles. Une zone au sommet présente des résistances plastiques au cisaillement.
Les d!stances maximales de déplacement, les hauteurs de remontée et la dispersion latérale sont calculées pour les deux principaux scénarios de rupture, Sl (4.30 x 106 m3 et SSl (2.30 x 105 m3 Les résultats empiriques et numériques sont difficiles à concilier à cause de la présence du flanc opposé de la vallée. La probabilité de propagation au-delà d'une certaine distance et la portée maximale du souffle généré sont également évaluées.
Le travail examine aussi le rôle des facteurs météorologiques et climatiques, comme l'augmentation de la température entraînant la disparition du permafrost et réduisant la cohésion de la roche, les cycles de gel-dégel fatiguant la roche et propageant les fractures. L'impact des variations cycliques des températures sur la contraction et la dilatation de la roche est étudié sur la falaise de La Cornaile, montrant des déplacements cycliques sur 24 heures corrélés aux variations de température.
Mots clés : Évaluation des dangers, Glissement Rocheux, Chute de Blacks, Lave Torrentielle, Surveillance, Télédétection, Radar à Synthèse d'Ouverture lnterférométrique, Détection et Télémétrie par la Lumière, Thermographie Infrarouge, Modélisation par les Eléments Finis, Analyse Cinématique, Propagation, Distance de Propagation, Angle de Fahrböschung, Altération Climatique, Changement Climatique