La protection des infrastructures, essentielle à la rescousse des barrages en péril

C’est digne d’un film à suspens : un hélicoptère planant le long de la paroi abrupte d’un canyon, un drone bourdonnant dans les entrailles d’une base secrète, une mission de reconnaissance depuis une embarcation sur une rivière, un robot amphibie attaquant une cible sous-marine grâce à un sonar…

Il ne s’agit pourtant pas des scènes d’un film d’action. Ce sont les circonstances réelles, sur le fleuve Colorado, près de Page, en Arizona, d’un ambitieux projet en cours qui vise à créer une maquette numérique 3D du barrage Glen Canyon, l’un des plus grands barrages en béton du monde.

Bien que le scénario ait exigé de nombreuses cascades, le héros de cette aventure n’est joué ni par Tom Cruise, ni par Jackie Chan, mais par le Service des eaux des États-Unis (« Bureau of Reclamation » en anglais), une agence fédérale chargée de la gestion de l’eau.

Chapeauté par le ministère de l’Intérieur, il a été créé en 1902 pour stimuler le développement économique de l’Ouest en fournissant de l’eau dans les États arides. Le Service des eaux a construit et continue de gérer plus de 13 000 kilomètres de canaux d’irrigation, 337 réservoirs, 492 barrages et 53 centrales hydroélectriques qui chaque année, apportent 380 milliards d’hectolitres d’eau et 40 gigawatts par heure d’électricité à plus de 31 millions de personnes.

Dans l’ouest des États-Unis, où l’eau est rare et les inondations fréquentes, les infrastructures de l’agence fédérale sont vitales. Malheureusement, elles sont vieilles. En fait, l’âge moyen des 90 580 barrages du pays est de 56 ans, et beaucoup sont bien plus vieux. Alors qu’à sa naissance, l’agence avait pour mission de fournir de l’eau aux populations de l’Ouest, elle doit aujourd’hui la conserver.

« Le béton du barrage de Glen Canyon est suffisamment solide pour qu’on puisse continuer de l’utiliser pendant plusieurs milliers d’années encore », explique David Winslow, ingénieur civil, directeur de CAO et coordonnateur SIG de l’antenne régionale du Service des eaux de Salt Lake City dans le haut Colorado. « Donc, pour les centaines et milliers d’années qui viennent, nous devons nous assurer que ces installations continueront de desservir les populations locales. »

Sans un entretien adéquat, une infrastructure que l’on considérait comme un actif risque de devenir une charge. Le barrage de Glen Canyon a le statut d’infrastructure nationale essentielle et sa protection et son entretien sont pris très au sérieux. Mais la planète compte 57 000 grands barrages qu’il faudrait rénover ou entretenir, dont 23 000 en Chine et un grand nombre aux États-Unis, au Japon, au Brésil, en Inde et en Europe.

Un exemple : le barrage d’Oroville en Californie, qui date d’il y a 49 ans. En février, des dégâts ont été constatés sur le déversoir principal et sur celui de secours. Après des années de sécheresse dues au réchauffement climatique, les fortes précipitations de la saison pluvieuse ont provoqué une crue du lac Oroville dépassant la capacité du barrage. Les opérateurs ont ouvert les vannes pour le soulager, mais la vidange a rapidement érodé les déversoirs. Craignant que ces derniers ne se rompent et que les collectivités situées en aval du barrage ne soient englouties, les autorités ont évacué 188 000 personnes et ont procédé à des vérifications trois jours durant, jusqu’à ce qu’elles soient convaincues de l’intégrité relative des déversoirs. Des mois plus tard, des réparations sont en cours, mais le risque persiste.

Numériser l’avenir
Pour éviter qu’un tel scénario ne se produise au barrage de Glen Canyon, qui date de 54 ans, le Service des eaux a créé une maquette numérique du barrage et de sa centrale hydroélectrique.

« Ce barrage a été construit entre les années 1950 et le début des années 1960, quand l’informatique n’existait pas encore », rappelle David Winslow. L’agence fédérale possède environ 10 000 plans du barrage, tracés à la main. Ils sont parfaits pour comprendre la composition de l’ouvrage, mais guère utiles aux responsables qui cherchent à déterminer son état actuel et la manière dont il va évoluer.

Dans les barrages en béton, des fissures se forment naturellement, exactement comme dans un trottoir. Il y a vingt ans, le Service des eaux a commencé à explorer la modélisation 3D. D’après lui, elle permettrait de documenter les fissures, de déterminer leurs causes et de les réparer. David Winslow, qui a passé chaque centimètre de l’ouvrage au peigne fin, même le gouffre des cages d’ascenseur qu’il a exploré comme un spéléologue, a documenté chaque fissure dans une maquette rudimentaire créée sur AutoCAD Map 3D. C’était un bon début, mais ça ne suffit pas.

« À part nous montrer ce que sont les objets et où ils se trouvent, elle ne nous renseigne pas beaucoup, poursuit-il, ce dont nous avons réellement besoin, c’est d’une maquette 3D complète. »

S’installer dans la 3D
Lorsqu’en 2015, David Winslow a obtenu le financement de sa maquette, la première étape a consisté à numériser le barrage et la centrale hydroélectrique au laser, une tâche titanesque commencée en août 2016 en partenariat avec Autodesk. À la différence d’une salle ou d’un objet, qui peuvent être scannés en quelques minutes ou quelques heures avec un minimum d’équipement, la numérisation d’un ouvrage d’infrastructure essentielle exige des jours et des quantités d’outils de pointe franchement spectaculaires.

Pendant deux semaines, il a fallu effectuer 700 numérisations distinctes. En amont, où le barrage plonge sous le fleuve Colorado, un robot téléguidé (ROV) a utilisé un sonar pour capturer la surface sous-marine du barrage. En aval, la photogrammétrie aérienne a été employée grâce à un hélicoptère de secours, ainsi qu’un sonar à balayage latéral embarqué sur un robot téléguidé (ROV). L’équipe a même utilisé un drone pour scanner l’intérieur de la salle principale du générateur de la centrale hydroélectrique, où les plafonds atteignent 15 mètres.

David Dreffs (Autodesk) et Dave Winslow (BOR), en train d’effectuer une numérisation par balayage laser du barrage de Glen Canyon. Avec l’aimable autorisation d’Autodesk et de BOR.

Utilisation d’un drone près de la centrale électrique du barrage de Glen Canyon. Avec l’aimable autorisation d’Autodesk et de BOR.

David Dreffs (Autodesk) et Dave Winslow (BOR), en train d’effectuer une numérisation par balayage laser sur le toit de la centrale électrique du barrage de Glen Canyon. Avec l’aimable autorisation d’Autodesk et de BOR.

Test de sonar embarqué sur un ROV au barrage de Glen Canyon. Avec l’aimable autorisation d’Autodesk et de BOR.

Pete Kelsey et Rama Dunayevich (Autodesk) effectuant une modélisation photographique en hélicoptère, au barrage Glen Canyon. Avec l’aimable autorisation d’Autodesk et de BOR.

Ces numérisations ont produit un ensemble de nuages de points photoréalistes qui ont ensuite été fusionnés au moyen de ReCap Pro. Le nuage de points fusionné a ensuite été importé dans Revit pour produire une maquette numérique que le Service des eaux peut utiliser pour optimiser la conception technique des équipements mécaniques, électriques et des systèmes de contrôle nécessitant des mises à niveau ou des remplacements. Cet automne, la maquette Revit sera importée dans InfraWorks pour générer une maquette dynamique permettant aux non-spécialistes de visualiser l’ouvrage, de surveiller son intégrité et de prédire son comportement futur.

Dotée de données géolocalisées concernant la disposition et les opérations du barrage, cette maquette non spécialisée va changer la donne. « Nous espérons pouvoir y verser les informations que nous collectons normalement, mais qui pour l’instant sont envoyées vers des systèmes d’enregistrement disparates, ajoute David Winslow. Nous serons ainsi en mesure de rassembler toutes ces données et de quantifier l’eau déversée, celle qui passe par les génératrices et celle qui n’y passe pas, le suintement, l’électricité produite, de déterminer quelles unités fonctionnent et lesquelles sont hors service… Une mine d’informations. »

Le directeur du barrage pourra s’en servir pour surveiller les lieux. Son personnel de maintenance pourra l’utiliser pour diagnostiquer les problèmes mécaniques et électriques. Si quelqu’un est blessé au fond du barrage, les premiers secours pourront agir plus rapidement. La maquette pourra également servir à créer des impressions 3D à des fins éducatives.

Ceux qui en profiteront le plus, toutefois, seront sans doute les futures générations, car la maquette permettra à l’agence fédérale américaine d’identifier plus facilement les tendances du climat et de prévoir l’impact de son réchauffement. Sachant que les travaux d’entretien seront de meilleure qualité et qu’ils seront réalisés plus tôt, l’approvisionnement en eau des États occidentaux sera constant, tout en empêchant le genre de crise survenue au barrage d’Oroville.

« Ce que nous essayons de faire avec cette maquette, c’est de mieux comprendre dans quelles conditions se trouve le barrage, non seulement de manière instantanée mais aussi sur le long terme, souligne David Winslow. Si nous pouvons identifier des phénomènes et les comprendre, nous pouvons prévoir un entretien optimal de nos ouvrages. »

C’est une perspective tellement prometteuse que le Service des eaux prévoit de modéliser d’autres barrages, notamment le barrage Hoover du Nevada et le barrage de Grand Coulee de l’État de Washington. En ce moment, il utilise également la modélisation numérique pour résoudre d’autres problèmes, comme le rétablissement des habitats naturels.

« Pour moi, c’est comme si le Bureau s’ouvrait à la technologie d’une manière plus importante », conclut David Winslow, qui ajoute que les coupes budgétaires du gouvernement fédéral et l’augmentation des charges de travail exigent un changement. « Nous ne pouvons plus faire les choses comme avant. Nous n’en avons ni le temps ni les ressources. Nous devons trouver de meilleurs outils et de meilleures méthodes. »