LE FONCTIONNEMENT HYDRAULIQUE DU CAISSON JARLAN

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Les alternatives aux caissons à parement plein

La voie commune à ces nouveaux types de brise-lames est liée à la dissipation de toute ou partie de l’énergie de la houle incidente, obtenue en disposant des écrans de porosité décroissante devant le mur vertical. Dès lors, le pouvoir de réflexion de l’ouvrage est moindre que celui d’une digue verticale à parement plein. Associées à cet effet, les charges exercées par la houle sont plus faibles et l’ascension des vagues sur les parois est moins prononcée.

Digues à carapace

Parmi les conceptions inédites, on peut citer notamment certaines digues mixtes récentes, dites japonaises1, où une carapace d’éléments préfabriqués (Dolos, tétrapodes, etc.) s’appuie sur un caisson vertical (Tanimoto et Takahashi, 1994, Kortenhaus et Oumeraci, 1999). Une coupe de principe d’un tel ouvrage présentée en figure 1-4 incite à le classer à mi-chemin d’une digue à talus et d’une digue verticale. De la première, il conserve la couche de blocs qui brise la houle sur une épaisseur de quelques mètres et évite les franchissements. De la seconde, il garde l’élancement et l’imperméabilité totale à la propagation de la houle.

Digues à paroi perforée

Une solution différente et souvent mise en œuvre correspond aux caissons à paroi perforée. Ces structures sont constituées d’un ou plusieurs écrans perforés placés devant une paroi verticale, formant ainsi une ou plusieurs chambres.
Les dimensions et la nature des perforations peuvent être très différentes et compliquent donc la comparaison de ces structures. A titre d’exemple de caissons avec des fentes verticales, la figure 1-5 présentent deux types de brise-lames implantés au Japon. D’autres structures peuvent au contraire avoir des fentes horizontales (Bergmann et Oumeraci, 1999), plusieurs parois perforées (Franco et al., 1998), des murs verticaux droits ou au contraire hémisphériques (Tanimoto et Takahashi, 1994).
Parmi cette variété de conceptions, nous nous attacherons à la description d’une structure particulièrement répandue et pratiquement à l’origine de toutes les autres. Il s’agit d’un caisson, illustré par la figure 1-6, ne possédant qu’une seule paroi perforée et dont les dimensions respectent le brevet de G.E. Jarlan (1963).
L’idée initiale de cet auteur est de concevoir une nouvelle forme de digue verticale peu réfléchissante en s’inspirant des équations décrivant la propagation d’une onde acoustique à travers un milieu poreux et dont une partie de l’énergie se dissipe. Il approfondit alors l’analogie avec une onde de gravité afin d’établir des relations entre les paramètres géométriques d’une paroi perforée et ceux d’une houle incidente (Jarlan, 1965).
Position du problème
Le brise-lames qu’il propose est ainsi constitué d’un premier écran portant des perforations cylindriques horizontales et d’un mur arrière vertical (Figure 1-6). Une partie de l’énergie de la houle incidente est dissipée par les écoulements au travers des perforations alors que l’onde résiduelle est renvoyée par la seconde paroi. Les déphasages respectifs des différentes ondes réfléchies par les deux murs contrarient ainsi l’établissement d’un clapotis devant l’ouvrage.
Si le principe de fonctionnement est simple, les phénomènes physiques engendrés par la houle dans un caisson Jarlan sont complexes et demeurent mal déterminés. Les qualités potentielles de ce genre d’ouvrage ont toutefois incité plusieurs ports à se doter de caissons Jarlan.

LES CAISSONS JARLAN

La première digue de type Jarlan fut édifiée en 1961-63 à Baie Comeau au Québec. Depuis, de nombreux ouvrages similaires ont été édifiés dans le monde pour des usages parfois différents : brise-lames, atténuateur de houle dans des marinas, ouvrage offshore…
Dans le cas d’un brise-lames et comme le montre la figure 1-7, un caisson Jarlan se compose d’une chambre de dissipation, de largeur B et de profondeur d, et d’une paroi perforée, d’épaisseur e et de porosité surfacique ε. L’ouvrage peut être placé sur une berme de hauteur hb alors que la profondeur devant la structure est h.
En France, depuis le début des années 1970, de nombreux projets d’extension de sites portuaires ont conduit à envisager l’édification de digues à paroi perforée. Après des études en bassin à houle et en fonction des coûts de construction envisagés, certaines de ces digues ne verront pas le jour (celle constituant une variante du port d’Antifer par exemple), d’autres seront réalisées (port des Bas-Sablons à Saint-Malo). Les caractéristiques générales de structures représentatives sont données dans la section suivante afin de fixer quelques idées sur les dimensions de ces ouvrages. Nous présentons ensuite le programme de recherche sur les parois perforées qui s’est mis en place à la fin des années 80, autour de partenaires institutionnels et universitaires. Il a notamment pour objectif de mieux déterminer le comportement hydraulique des caissons Jarlan et ainsi de fournir de meilleures méthodes de dimensionnement aux concepteurs.

Les caissons Jarlan en France

Quatre brise-lames sont particulièrement représentatifs des digues de type Jarlan existant en
France. Ces ouvrages sont implantés :
• au port de Bloscon à Roscoff (Finistère) ;
• au port de Hérel à Granville (Manche) ;
• au port du Stiff à Ouessant (Finistère) ;
• à l’avant-port de Dieppe (Seine-Maritime).
Le tableau 1-1 regroupe les principales caractéristiques géométriques des quatre digues qui sont présentées ci-après. L’ouvrage de Dieppe est étudié dans le chapitre 3 de ce mémoire. Nous citons, par ailleurs, un cinquième site, celui de Port-Diélette (Manche), bien que les caissons perforés soient un peu différents.

Port-Diélette

Datant des années 1996-97, Port-Diélette est la plus récente des structures à paroi perforée. Elle se compose de petits caissons perforés utilisés comme brise-lames mais surtout employés comme atténuateurs de houle dans le bassin de commerce.
La largeur des chambres est très inférieure à celle des ouvrages précédents alors que les états de mer de projet sont analogues. Cette conception originale semble néanmoins provoquer des problèmes de réflexion de la houle et d’instabilité potentielle des caissons.
Nous ne détaillerons pas davantage ce site car les dimensions des caissons ne suivant pas les recommandations du brevet, ce ne sont pas véritablement des caissons Jarlan. Nous citons toutefois son existence car elle illustre l’aspiration des concepteurs à de nouvelles variantes de digues à paroi perforée.

Le programme de recherche sur le caisson Jarlan

Les concepteurs (les entreprises de travaux publics et maritimes) et les organismes de tutelle (le Ministère de l’Equipement, du Transport et du Logement en particulier) sont confrontés à de nombreuses difficultés lors du dimensionnement d’un projet. En effet, malgré la réalisation des digues Jarlan décrites précédemment, des lacunes subsistent dans la connaissance des phénomènes hydrauliques générés par ce type de structure.
A la fin des années 80, plusieurs institutions partenaires se regroupent afin de conduire un programme d’études sur le caisson Jarlan et de contribuer à la détermination de règles de dimensionnement adaptées.

Les partenaires

Le partenariat résulte de la collaboration de plusieurs intervenants, dès 1987, dans la phase de dimensionnement de la digue Jarlan de Dieppe (Bélorgey et Caminade, 1994). Le programme de recherche est alors défini autour des partenaires suivants :
9 le Ministère de la Recherche et de la Technologie ;
9 le STCPMVN (Compiègne) ;
9 la SOGREAH (Grenoble) ;
9 le Laboratoire de Mécanique des Fluides (LMF, Université du Havre jusqu’en 1997, puis Université de Caen, équipe du laboratoire de Morphodynamique Continentale et Côtière) ;
9 le GRESARC (Université de Caen).
Chaque participant se propose de réaliser une partie du programme de recherche que nous présentons ci-dessous.

Les objectifs du programme

Le programme d’études a pour objectifs de mieux connaître le fonctionnement hydraulique des caissons Jarlan, de mieux s’assurer de leur stabilité et de leur résistance structurelle. Les problèmes vont toutefois être abordés de trois manières différentes mais complémentaires, en fonction des compétences des partenaires :
• par modélisation numérique ;
• par modélisation physique ;
• par le recueil de données sur un ouvrage existant.
La digue de Dieppe est choisie comme structure représentative et les différents partenaires, dont le tableau 1-2 regroupe les objectifs respectifs, basent donc leurs études sur les dimensions de ces caissons. Leurs principaux résultats seront détaillés dans la troisième partie de ce chapitre.

Etudes réalisées au cours du programme

Travaux de SOGREAH
Au cours du projet de construction de la digue de Dieppe, SOGREAH avait étudié, en bassin à houle, la stabilité et le comportement hydraulique des caissons Jarlan (LCHF, 1987). En mettant en œuvre les mêmes maquettes au 40ème, des essais complémentaires ont été réalisés en 1993, toujours en bassin, portant sur les efforts globaux exercés par la houle sur un caisson complet et sur la seule paroi perforée d’un caisson. Le dispositif dynamométrique était complété par des limnigraphes décrivant les variations de la surface libre à proximité des parois des maquettes (SOGREAH, 1993).
Les essais se déroulèrent en houle régulière et en houle aléatoire, avec une incidence nulle ou oblique (β varie de 0° à 60°), pour une hauteur d’eau constante. Quatre hauteurs et trois périodes de houle ont été générées pour chaque incidence : T ou Tp = 7 , 9,5 et 11,5 s (nature).
Travaux du STCPMVN
La modélisation numérique du comportement des caissons Jarlan a été développée au STCPMVN et à l’Université Technologique de Compiègne. Elle a fait l’objet de la thèse de doctorat de Ropert (1999).
Ses travaux conduisent à l’élaboration de trois codes de calcul aux éléments finis :
• un code bidimensionnel horizontal prenant en compte réflexion, réfraction et diffraction ;
• un code bidimensionnel vertical décrivant l’écoulement du fluide dans un caisson ;
• un code bidimensionnel vertical consacré à la simulation de l’écoulement dans le soubas- sement de la digue.
Les différentes simulations déterminent les agitations de la surface libre à proximité des parois, les pressions sous le caisson (sous-pressions) et le comportement général de la jetée pour des houles obliques (réflexion, diffraction, etc.). Les résultats sont essentiellement comparés aux mesures de la surface libre de SOGREAH (1993) effectuées en bassin à houle.
Travaux du Laboratoire de Mécanique des Fluides
Pour le projet de la digue de Dieppe, le LMF avait étudié, en canal à houle, les forces et les moments générés par une houle régulière frontale sur une maquette à l’échelle du du 40ème (LMF, 1987 et 1989).
Dans le cadre du programme de recherches sur le caisson Jarlan, des études complémentaires ont été réalisées en canal à houle, à l’échelle du 25ème, notamment avec l’emploi de la Vélocimétrie Doppler Laser. Cette technique a permis de caractériser les écoulements produits par une houle régulière agissant sur la structure perforée.
Dans sa thèse de doctorat, Caminade (1992) a étudié ainsi les champs des vitesses de part et d’autre d’une paroi perforée verticale, en fonction des conditions de houle. Les mesures des vitesses ont été corrélées aux mesures de la surface libre afin d’analyser la transmission de la houle à travers l’écran perforé.
Tabet-Aoul (1998) poursuivit cette démarche en analysant la circulation générale de l’écoulement dans la chambre de dissipation d’un caisson Jarlan, sans lest et sans berme. De plus, il s’intéressa aux pressions exercées par la houle régulière sur les parois verticales de la maquette afin de proposer une formulation donnant les forces horizontales appliquées.
L’instrumentation d’un caisson Jarlan, appelé « prototype » par opposition au modèle étudié en canal, constitua le volet le plus original du programme mais aussi le plus délicat. L’objectif était de mesurer les pressions exercées par la houle sur les parois verticales et sous la semelle d’un caisson de la digue Ouest de Dieppe. La mesure de la houle fut confiée au GRESARC, le LMF se chargeant de l’instrumentation du caisson et de l’étude proprement dite.
Le programme initial prévoyait des campagnes de mesures des pressions sur site entre 1992 et 1994. Toutefois de multiples et successives difficultés techniques, financières et administratives ont retardé le déroulement prévu de ces études, la mise en place définitive de l’instrumentation sur la digue de Dieppe n’étant achevée qu’en 1996. Les travaux de recherche sur le caisson Jarlan (prototype et modèle) s’intègrèrent à cette époque au programme européen MAST 3 – PROVERBS2, orienté sur l’étude des digues verticales. La digue de Dieppe et celle de Porto-Torres (Sardaigne) furent alors les deux ouvrages pilotes pour les études in situ sur les caissons perforés.
Le programme d’étude ainsi évoqué, nous présentons ci-dessous une synthèse des différents résultats des travaux de recherche sur le caisson Jarlan, en particulier son fonctionnement hydraulique.

LE FONCTIONNEMENT HYDRAULIQUE DU CAISSON JARLAN

Le caisson Jarlan est une structure peu réfléchissante, c’est-à-dire qu’une majeure partie de l’énergie de la houle, dissipée par l’ouvrage, n’est pas réfléchie.
Le coefficient de réflexion (Cr) indique le rapport de l’énergie de la houle réfléchie sur l’énergie de la houle incidente. Il varie en fonction de nombreux paramètres et caractérise la dissipation de l’énergie et l’efficacité de la structure.
L’étude du coefficient de réflexion seul n’apporte pas de précisions sur le fonctionnement du caisson. Il n’est que le résultat de phénomènes physiques engendrés par la houle et la paroi perforée, et présentés dans une deuxième partie : pertes de charge, jets et écoulement du fluide dans la chambre de dissipation.
Nous limiterons cependant notre étude aux caissons mono-chambres, les caissons multi-chambres semblant engager des processus physiques différents (Bergmann, 2000).

Etude du coefficient de réflexion

Un bilan relatif à l’influence des différents paramètres liés à la géométrie des caissons à paroi perforée, sur le coefficient Cr, est établi.

Influence de la largeur relative B/L de la chambre

La largeur relative de la chambre est le rapport de la largeur réelle de la chambre du caisson B sur la longueur d’onde L de la houle incidente.
Jarlan (1965) indique que la réflexion la plus faible est atteinte pour une largeur relative B/L = 0,1. Toutefois les études ultérieures préconisent un rapport compris dans l’intervalle 0,15 < B/L < 0,25, cette dernière valeur correspondant à la position sur la paroi perforée d’un nœud de clapotis parfait engendré par une réflexion totale sur la paroi arrière.
Kondo (1979) présente des résultats expérimentaux et théoriques, en houle régulière, pour un caisson Jarlan sans berme ni lest. Les coefficients les plus faibles sont obtenus pour B/L = 0,20, rapport obtenu également par Allsop et McBride (1994) et Tabet Aoul (1998) pour des structures analogues. Le coefficient de réflexion est alors compris entre 15 et 30%.
Il est donc possible de définir une plage d’efficacité dans laquelle le caisson se comporte comme une structure très peu réfléchissante. Cette plage est illustrée par la figure 1-13, tirée des valeurs données par McConnell et al. (1998) pour des essais de caissons Jarlan en houle aléatoire.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 – POSITION DU PROBLÈME
1. LES DIGUES VERTICALES
1.1 Les digues verticales à parement plein : avantages et inconvénients
1.2 Les alternatives aux caissons à parement plein
2. LES CAISSONS JARLAN
2.1 Les caissons Jarlan en France
2.2 Le programme de recherche sur le caisson Jarlan
3. LE FONCTIONNEMENT HYDRAULIQUE DU CAISSON JARLAN
3.1 Etude du coefficient de réflexion
3.2 Dissipation de l’énergie
4. LES SOLLICITATIONS EXERCÉES PAR LA HOULE SUR UN CAISSON VERTICAL
4.1 Conséquence d’un mauvais dimensionnement
4.2 Formulation pour un caisson vertical à parement plein
4.3 Formulations pour un caisson vertical à paroi perforée
5. CONCLUSIONS
CHAPITRE 2 – LA DIGUE À PAROI PERFORÉE DE DIEPPE
1. LE PORT EXTÉRIEUR DE DIEPPE
1.1 L’activité portuaire de Dieppe
1.2 L’aménagement du port extérieur
2. LA NOUVELLE DIGUE OUEST
2.1 Description du brise-lames
2.2 Description d’un caisson courant
2.3 Description du soubassement
3. L’INSTRUMENTATION DE LA DIGUE OUEST
3.1 Les capteurs de pressions
3.2 Le système d’acquisition
3.3 Le pré-traitement des données des capteurs du caisson
4. LA MESURE DE LA HOULE
4.1 Description du dispositif de mesure
4.2 Maintenance et programmation du houlographe
5. SYNTHÈSE DES MESURES DE HOULE
5.1 Conditions générales du site de Dieppe
5.2 Conditions de houle retenues pour l’étude des pressions
6. COMMENTAIRES SUR LES MESURES IN SITU
6.1 Mesure des pressions sur le caisson
6.2 Techniques mises en œuvre
CHAPITRE 3 – LA MODÉLISATION PHYSIQUE DU CAISSON
1. PRINCIPE DE LA MODÉLISATION PHYSIQUE
1.1 Choix de la similitude
1.2 Facteurs d’échelle
2. LE CANAL À HOULE
3. LA GÉNÉRATION DE LA HOULE
3.1 Le générateur de houle monochromatique
3.2 Le générateur de houle aléatoire
4. LE MODÈLE PHYSIQUE
4.1 La maquette du caisson Jarlan
4.2 Les bermes
5. L’INSTRUMENTATION DU MODÈLE
5.1 La mesure de la surface libre
5.2 La mesure des pressions
5.3 Le système d’acquisition
6. LE TRAITEMENT DES DONNÉES DE LA MODÉLISATION PHYSIQUE
6.1 Détermination du coefficient de réflexion
6.2 Analyses statistique et spectrale
7. PARAMÈTRES HYDRAULIQUES DES ESSAIS
CHAPITRE 4 – LE FONCTIONNEMENT HYDRAULIQUE DU CAISSON JARLAN
1. ETUDE DU COEFFICIENT DE RÉFLEXION
1.1 Influence de la nature de la houle
1.2 Influence de la forme de la berme
1.3 Définition de la largeur relative de la chambre (B/L’)
1.4 Influence de la hauteur de houle incidente sur la réflexion
1.5 Interprétation du coefficient de réflexion
2. ETUDE DE L’ÉCOULEMENT À TRAVERS LES PERFORATIONS
2.1 Perforations au-dessus de la surface libre
2.2 Perforations sous la surface libre
3. CONCLUSIONS
CHAPITRE 5 – SOLLICITATIONS DU CAISSON JARLAN EN HOULE ALÉATOIRE
1. FLUCTUATIONS DE LA SURFACE LIBRE À PROXIMITÉ DES PAROIS
1.1 Essais en houle aléatoire
1.2 Essais en houle régulière
1.3 Comparaison avec des mesures en bassin à houle
1.4 Synthèse des résultats sur les fluctuations de la surface libre
2. PRESSIONS EXERCÉES PAR LA HOULE SUR LE CAISSON
2.1 Pressions sous le radier du caisson
2.2 Pressions sur les parois verticales
3. FORCES EXERCÉES PAR LA HOULE ALÉATOIRE SUR LE CAISSON
3.1 Forces verticales
3.2 Forces horizontales
3.3 Synthèse des résultats sur les forces
CONCLUSIONS
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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