Glissement et effondrement
ย ย Le glissement reprรฉsente environ 6% des ruptures observรฉes sur les ouvrages hydrauliques. Cette dรฉfaillance est bien apprรฉhendรฉe par les ingรฉnieurs, ce qui explique probablement la faible proportion de rupture dโouvrages hydrauliques par glissement en masse. Lโรฉquilibre dโun talus dรฉpend de sa gรฉomรฉtrie, des caractรฉristiques mรฉcaniques des matรฉriaux, et de la prรฉsence dโeau dans le sol. Par exemple lorsquโon augmente la pente dโun remblai, il peut arriver un stade oรน les forces motrices dues au poids des terres lโemportent sur les forces rรฉsistantes dues au frottement le long de la surface de rupture, provoquant un glissement aval de lโouvrage. Ce cas de glissement se produit souvent lorsque lโouvrage hydraulique est en charge. Il est donc particuliรจrement dangereux par rapport ร la quantitรฉ dโeau quโil peut laisser pรฉnรฉtrer dans la zone protรฉgรฉe sโil provoque la rupture dโune partie de lโouvrage. Le glissement du parement amont peut รฉgalement se produire, en particulier dans le cas dโune vidange dโun ouvrage ou dโune dรฉcrue. En effet lorsque lโouvrage est en charge, lโeau sature le sol et apporte une poussรฉe stabilisatrice. Pour le cas des sols sans cohรฉsion, la tenue du parement amont dรฉpend bien souvent de cette poussรฉe stabilisatrice de lโeau.
Erosion interne
ย ย Lโรฉrosion interne est ยซ lโentraรฎnement vers lโaval des particules constitutives du remblai sous lโaction dโun รฉcoulement provenant de la retenue ou de la nappe ยป [6]. Elle provoque la destruction progressive de lโรฉtanchรฉitรฉ du remblai par lโaction mรฉcanique de lโeau, et se dรฉveloppe sous lโaction conjointe de lโarrachement et du transport des particules. Lโรฉrosion interne peut se dรฉvelopper ร partir de tout dรฉfaut initial dโรฉtanchรฉitรฉ, ร la suite dโun accident ou en raison du vieillissement de lโouvrage, par les mรฉcanismes suivants :
โช Erosion de conduit : Un dรฉfaut prรฉ-existant de type fissure ou conduit, traverse une partie du remblai. Lโeau qui circule dans ce conduit dรฉveloppe un entraรฎnement suffisant pour arracher et transporter les particules des parois. Ce type dโรฉrosion concerne les sols cohรฉsifs.
โช Erosion rรฉgressive : Lโรฉcoulement ร travers lโouvrage entraรฎne des particules vers aval. Cela crรฉe un conduit ou une perte de matiรจre qui progresse vers lโamont. Si ce conduit est tenu par une partie supรฉrieure cohรฉsive ou si la perte de matiรจre atteint la retenue amont, une brรจche peut sโinitier.
โช Erosion de contact : Lโรฉcoulement qui traverse un sol grossier entraรฎne les particules dโun sol fin au contact des grains grossiers.
โช Suffusion : Lโรฉcoulement traversant un matรฉriau ร granulomรฉtrie discontinue ou รฉtalรฉe entraรฎne les particules de la fraction fine libres de se mouvoir ร travers les vides des particules grossiรจres (ou squelette).
Etat de mer
ย ย Au large, il est possible de disposer de donnรฉes par le biais de modรจles numรฉriques de prรฉdiction de la houle basรฉe sur les donnรฉes de vent ou de modรจles de houle. Les donnรฉes au large peuvent alors รชtre exploitรฉes en conjonction avec un modรจle de transformation de la houle pour fournir les conditions de mer sur le site cรดtier considรฉrรฉ. Gรฉnรฉralement les vagues gรฉnรฉrรฉes au large ont une pรฉriode comprise entre 1 et 20s. Leur amplitude, pรฉriode et direction dรฉpendent de la vitesse du vent, de la durรฉe durant laquelle il sโapplique, de sa direction, et du ยซ fetch ยป, qui est la distance par rapport ร la surface de lโeau sur laquelle le vent agit.Lorsque le vent agit suffisamment longtemps avec un fetch assez grand, les vagues gรฉnรฉrรฉes en pleine mer peuvent parcourir des distances importantes jusquโร atteindre les cรดtes. La prise en compte de ces vagues formรฉes non-localement constitue une difficultรฉ dans la prรฉdiction des conditions de mer : elles peuvent en effet se produire alors que les conditions locales sont clรฉmentes. Le dรฉferlement des vagues est un phรฉnomรจne physique difficile ร dรฉcrire analytiquement mais qui influence le comportement des vagues, le transport de sรฉdiments, la sollicitation des ouvrages cรดtiers et les consรฉquences dโune surverse. Souvent, un terme de dissipation dโรฉnergie est introduit dans les modรจles lorsque les vagues atteignent une zone de profondeur limitรฉe en comparaison de leur amplitude, afin de considรฉrer mรชme partiellement le dรฉferlement. Le dรฉferlement en eaux peu profondes affecte la hauteur de houle significative ??0 ainsi que la distribution de lโamplitude des vagues. Les courants, notamment les courants forts, ont une influence sur la propagation des vagues ainsi que sur leur cambrure.
Fonctions des digues maritimes
ย ย Tout comme les digues fluviales, les digues maritimes ont pour fonction de protรฉger certaines zones des inondations. En effet, le littoral est une zone dynamique exposรฉe aux phรฉnomรจnes naturels dโรฉrosion et de submersion marine, en plus de concentrer un certain nombre dโactivitรฉs humaines. Les amรฉnagements cรดtiers ont pour rรดle de prรฉserver ร long terme la zone littorale, tout en offrant la possibilitรฉ pour les hommes de maintenir et dรฉvelopper leurs activitรฉs sur les cรดtes. Le parc dโouvrages est nรฉanmoins vieillissant et fait face ร de nouvelles problรฉmatiques tel que le changement climatique gรฉnรฉrant une montรฉe du niveau de la mer et impactant certaines zones cรดtiรจres de faรงon importante. Les ouvrages sont dimensionnรฉs en fonction dโune houle de projet, qui est dรฉfinie en fonction des houles du site รฉtudiรฉ, et qui prend en compte la durรฉe de vie de lโouvrage ainsi que le risque admissible. La protection contre la surverse est une fonction essentielle dโune digue maritime : cette surverse peut avoir lieu de trois faรงons diffรฉrentes, selon le niveau de ยซ run-up ยป des vagues sur la structure. Le run-up correspond ร la hauteur atteinte par une vague lorsque celle-ci se brise ou dรฉferle sur lโouvrage en place. En cas de runup suffisant, la vague surverse par paquets : une lame dโeau peut sโรฉtablir de faรงon cyclique sur la crรชte de lโouvrage. Lors dโun run-up moindre, lโรฉclaboussure provoquรฉe par le dรฉferlement de la vague reprรฉsente un volume dโeau susceptible de franchir lโouvrage. Enfin, lโeau peut รชtre projetรฉe sous forme de ยซ spray ยป sous lโaction du vent sur la crรชte des vagues. Cependant ce dernier mode de surverse ne contribue pas significativement aux volumes de surverse, cโest pourquoi il nโest pas modรฉlisรฉ. Bien quโil nโinfluence que de faรงon infime le volume de franchissement, il peut rรฉduire la visibilitรฉ en cas de vent violent. Lors de la conception dโune digue maritime, la hauteur de la crรชte ne prend pas seulement en compte la hauteur de run-up et de surverse par les vagues ou paquets de vague, mais รฉgalement dโautres paramรจtres. En Hollande jusquโen 2016 [8], les รฉlรฉments suivants รฉtaient inclus dans la conception des digues et de la dรฉfinition de la hauteur de la crรชte :
โช Le niveau de rรฉfรฉrence de la mer, en considรฉrant la probabilitรฉ quโil soit dรฉpassรฉ, dรฉfini par une rรฉfรฉrence standard telle quโune pรฉriode de retour donnรฉe,
โช La montรฉe du niveau dโeau prรฉvue pendant la pรฉriode de fonctionnement de lโouvrage,
โช Lโaffaissement du sol sur la mรชme pรฉriode,
โช La diminution de la hauteur en crรชte sous lโeffet du tassement du corps de digue et de sa fondation,
โช Une hauteur supplรฉmentaire selon les conditions de vent possibles,
โช Les hauteurs de run-up et de surverse par les vagues.
Caractรฉrisation du franchissement
ย ย La caractรฉrisation du franchissement prรฉsentรฉe dans cette partie reprend les principales mรฉthodes de modรฉlisations numรฉriques dรฉtaillรฉes dans lโEurOtop [8]. De nos jours, la prรฉdiction des phรฉnomรจnes de submersion maritime passe par des simulations numรฉriques et des modรฉlisations physiques en bassins dโessais. Nรฉanmoins, ces techniques ont des limites : elles ne prennent pas en compte tous les paramรจtres qui permettent une bonne reprรฉsentativitรฉ du systรจme ร lโรฉchelle rรฉelle et peuvent donc engendrer des modรฉlisations biaisรฉes. En particulier, les ondes longues et la courantologie ne sont que partiellement voire pas reprรฉsentรฉes en bassin dโessais. Actuellement, les canaux et bassins dโessais permettent de modรฉliser la houle dans une gamme de pรฉriode situรฉe entre 4 et 20s, ce qui ne permet pas de modรฉliser certains รฉtats de mer. Par exemple, les tsunamis locaux non tectoniques ont une pรฉriode de lโordre de 10 minutes, et ceux dโorigine tectonique ont une longueur dโonde proche de 60 minutes. La reprรฉsentation des courants reste sommaire, sachant que les bassins dโessais de gรฉnie cรดtier sont trรจs souvent seulement รฉquipรฉs dโun point dโinjection et dโune prise, ne permettant pas de reprรฉsenter un courant tel quโil est rencontrรฉ en mer.
Surverse acceptable
ย ย Au cours dโune tempรชte, les volumes de franchissement acceptables sont spรฉcifiques au site considรฉrรฉ car le volume dโeau qui peut รชtre tolรฉrรฉ dรฉpend de la taille et de lโusage de la zone impactรฉe, de lโefficacitรฉ des tranchรฉes de drainage vis-ร -vis des dommages รฉvaluรฉs selon le niveau dโinondation et de la pรฉriode de retour. La surverse acceptable est le plus souvent exprimรฉe via les paramรจtres de dรฉbit de franchissement moyen q, et par le dรฉbit individuel maximal Vmax. On peut รฉgalement avoir recours ร des grandeurs physiques moins directes pour รฉvaluer les effets de la surverse :
โช Vitesses horizontales et verticales de franchissement sur la crรชte ou la promenade,
โช Epaisseur de la lame dโeau, mesurรฉe ou calculรฉe en crรชte,
โช Distance ร la laquelle sโabat le volume surversรฉ,
โช Vitesses et hauteur dโeau post-surverse au bas du parement cรดtรฉ terre,
โช Pression et forces exercรฉes par les vagues sur la structure sous des conditions impulsives ou nonimpulsives. Les pรฉriodes de retour selon lesquelles sont estimรฉs les dangers du franchissement et sont dimensionnรฉs les ouvrages sont fixรฉes par des rรฉglementations nationales. Diffรฉrents niveaux dโalรฉa peuvent รชtre acceptables et รฉvoluent ร lโinverse de la pรฉriode de retour considรฉrรฉe. On estime en gรฉnรฉral le franchissement acceptable pour des enjeux spรฉcifiques, comme la limite pour la circulation des piรฉtons et des vรฉhicules, des immeubles et pour des dommages en crรชte dโouvrage et sur le parement cรดtรฉ terre. Les limites de franchissement acceptables sโappuient sur le dรฉbit de franchissement moyen et la hauteur des vagues qui causent la surverse. La Recherche sโest focalisรฉe sur la description des distributions de volumes surversรฉs et le volume maximal Vmax peut dรฉsormais รชtre estimรฉ correctement pour des structures simples ; cโest un paramรจtre pertinent pour dรฉcrire la sรฉvรฉritรฉ dโune surverse. Le dรฉbit de franchissement moyen q (exprimรฉ en m3/s par m ou en L/s par m) est le paramรจtre principal de la description des mรฉcanismes du franchissement et la plupart des autres paramรจtres lui sont liรฉs. Il est aisรฉ ร mesurer en bassin dโessais, contrairement aux volumes individuels et de nombreux essais sur modรจles physiques ont รฉtรฉ rรฉalisรฉs dans le monde sur des structures idรฉalisรฉes ou sur des applications rรฉelles et des conceptions dโouvrages. Ainsi, la base de donnรฉes EurOtop-CLASH comporte plus de 13000 tests pour tous les types de structures, utilisรฉs pour amรฉliorer les formules empiriques mais souvent applicables ร des structures typiques seulement.
Modรจles Navier-Stokes
ย ย Les รฉquations de Navier-Stokes offrent la description la plus complรจte des รฉcoulements en calculant les 3 composantes de la vitesse et la turbulence, grรขce ร lโutilisation dโun modรจle turbulent. Il est nรฉcessaire de distinguer lโapproche eulรฉrienne, qui considรจre le fluide comme un milieu continu et discrรฉtise le domaine de calcul en volumes de contrรดle, de lโapproche lagrangienne, qui calcule lโรฉvolution temporelle de lโรฉcoulement via lโinteraction et la vitesse de particules fluides qui sont alors lโunitรฉ de discrรฉtisation. Lโapproche eulรฉrienne nรฉcessite un traitement spรฉcifique de la surface libre faisant appel ร des mรฉthodes ยซ Volume of Fluid ยป (VoF) et ยซ level-set ยป. Ces mรฉthodes ont รฉtรฉ รฉtendues au gรฉnie cรดtier en posant des conditions aux limites rรฉalistes pour la gรฉnรฉration et lโabsorption des vagues, en ajoutant des termes dans les รฉquations de Navier-Stokes pour reflรฉter la rรฉsistance ร lโรฉcoulement des parties poreuses des ouvrages ou en introduisant une certaine compressibilitรฉ de lโรฉcoulement pour modรฉliser des conditions dโinteraction houle-structure impulsives. Les modรจles Navier-Stokes sont applicables ร un large รฉventail de structures permรฉables ou non et de gรฉomรฉtrie complexe et fournissent des informations dรฉtaillรฉes sur les champs de vitesse et de pression. La non-linรฉaritรฉ de la houle est prise en compte dans les รฉquations et lโhydraulique complexe du franchissement est bien traitรฉe par les mรฉthodes VoF. Ils sont plus performants que les modรจles non linรฉaires en eaux peu profondes (NLSW) et Boussinesq sur la dispersion de la houle et le dรฉferlement, la caractรฉrisation de lโรฉcoulement selon la verticale, le champ de pression non-hydrostatique et les รฉcoulements en milieux poreux. Plus rรฉcents, les modรจles VARANS (Volume Averaged Reynolds Averages Navier Stokes) ont dรฉmontrรฉ des performances accrues dans les calculs sur milieux poreux (Jensen et al., 2014). Mener des calculs sur le franchissement est rรฉalisable en deux dimensions (typiquement moins de 24 h pour simuler 100 vagues), mais les simulations dโessais tridimensionnels en bassin demeurent inaccessibles dans des conditions de conception standards. Dans tous les cas, la validation de ces modรจles, basรฉe sur la comparaison avec des essais physiques, a รฉtรฉ un sujet trรจs actif ces derniรจres annรฉes et continue de lโรชtre. Des avancรฉes rรฉcentes ont รฉtรฉ rรฉalisรฉes sur lโapproche lagrangienne grรขce aux modรจles Smooth Particle Hydrodynamics (SPH), qui ne nรฉcessitent pas de maillage complexe ou de traitement spรฉcifique de la surface libre mais sont trรจs coรปteux numรฉriquement et ne peuvent actuellement รชtre appliquรฉs ร de grands domaines de calcul ou simuler les trains de vagues de longue durรฉe nรฉcessaires ร lโรฉtude des interactions houlestructure (Altomare et al., 2016 ; Dalrymple et al., 2001).
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Table des matiรจres
Notice analytique
Remerciements
Liste des illustrations
Introduction
1. Etat de lโart en France
1.1 Digues fluviales
1.1.1 Elรฉments de contexte
1.1.2 Fonctions des digues fluviales
1.1.3 Caractรฉristiques des digues fluviales
1.1.4 Principales dรฉfaillances
1.1.5 Evรฉnements marquants
1.1.6 Caractรฉrisation de la surverse
1.2 Ouvrages de protection maritimes
1.2.1 Elรฉments de contexte
1.2.2 Niveaux et conditions de mer
1.2.3 Fonctions des digues maritimes
1.2.4 Diffรฉrents ouvrages de protection contre les submersions
1.2.5 Principales dรฉfaillances
1.2.6 Evรฉnements marquants
1.2.7 Caractรฉrisation du franchissement
2. Essais de surverse
2.1 Contexte
2.2 Description du dispositif expรฉrimental
2.2.1 Matรฉriel de mesure
2.2.2 Protocole expรฉrimental
2.3 Observations lors des essais
2.4 Critiques du dispositif
2.5 Bilan des expรฉrimentations
3. Modรฉlisation numรฉrique
3.1 Description du code de calcul
3.1.1 Modรจle mathรฉmatique
3.1.2 Modรจle numรฉrique
3.2 Modรฉlisation de la surverse
3.2.1 Maillage
3.2.2 Initialisation du calcul
3.2.3 Visualisation des rรฉsultats des simulations
3.2.4 Etude des profils de vitesse
3.2.5 Etude des profils de la fraction en eau
3.2.6 Comparaison entre hauteur dโeau et hauteur dโรฉcoulement
3.2.7 Comparaison des hauteurs dโรฉcoulement numรฉriques et expรฉrimentales
3.2.8 Profils de vitesse moyenne le long de lโabscisse curviligne
3.2.9 Comparaison aux donnรฉes expรฉrimentales
3.2.10 Modรฉlisation avec une fosse dโรฉrosion
3.3 Modรฉlisation du franchissement dโune vague solitaire
3.3.1 Gรฉomรฉtrie du problรจme
3.3.2 Initialisation du calcul
3.3.3 Visualisation des rรฉsultats des simulations du cas 1
3.3.4 Analyse des rรฉsultats du cas 1
3.3.5 Visualisation et analyse des rรฉsultats du cas 2
3.4 Critiques
3.4.1 Concernant la modรฉlisation de la surverse
3.4.2 Concernant la modรฉlisation du franchissement
Conclusion
Rรฉfรฉrences bibliographiques
Annexes
Annexe A : Fonctions de post-traitement des essais de surverse
Annexe B : Fonctions de post-traitement dโune vague solitaire franchissant un mur
Annexe C : Dรฉroulement dโun calcul sur 1 domaine
Annexe D : Dรฉroulement dโun calcul sur n domaines
Annexe E : Communication รฉcrite soumise au colloque Digues2019
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