Transport sédimentaire sur rugosités immobiles : de l'hydrodynamique locale à la morphodynamique

• Main Author: Raus, David
• Other Authors: Institut National Polytechnique de Toulouse - INPT (FRANCE)
• Format: Others
• Language: en
• Published: 2018
• Subjects: Turbulence; Hydraulique; Sédiment; Protection; Couche limite turbulente; Macro-rugosités; Apport-limité
• Online Access: http://oatao.univ-toulouse.fr/23587/1/Raus_David.pdf

Cette étude, en partenariat avec l'AFB (Agence Française pour la Biodiversité), a pour objectif decomprendre le devenir des sédiments qui ont été bloqués dans des barrages hydrauliques. Lorsdes « chasses » (lâchers massifs d’eau) réalisées pour assurer la continuité écologique des coursd'eau avec retenues, une certaine quantité de sédiments est relarguée en aval de la retenue, cessédiments sont ensuite transportés sur un fond de rugosités immobiles à différentes échelles(gravier, galets, rochers). L'objectif de cette thèse est donc d'étudier comment la présence degrains grossiers et immobiles peut avoir un effet sur les différentes échelles du transport desédiment. Au travers de trois études expérimentales en canaux hydrauliques à surface libre, danslesquelles les grains grossiers immobiles sont modélisés par une canopée d'hémisphèresrégulièrement espacés, différents impacts de la présence des rugosités immobiles sont mis enexergue. Une étude préliminaire a tout d'abord pour objectif de comprendre comment l'apparitiond'une rugosité isolée dans du sédiment a pour effet de modifier les conditions d’hydrodynamiquelocale à l’amont de cette rugosité, en particulier par la mise en place d'un système de tourbillon(tourbillon en fer à cheval) pouvant accentuer le taux d'érosion locale. Ce tourbillon, trèsdocumenté pour des rugosités à géométrie simple, demeure très peu étudié dans le casd'obstacle aux parois courbées de type grains de rivière. Cette étude montre alors que lesdimensions et l'intensité du tourbillon en fer à cheval sont plus faibles dans le cas d'un obstacleaux parois inclinées et courbées que dans le cas d'un obstacle aux parois normales au fond, cephénomène étant expliqué par la facilité du fluide à contourner et l'obstacle, et donc la diminutiondu gradient de pression adverse à l'amont de l'obstacle, responsable du décollement de la couchelimite incidente et de la formation du tourbillon en fer à cheval. Dans une seconde étude,l'hydrodynamique locale proche de sédiment placé dans un patch d'hémisphères est mesuré, pourdifférents niveaux de découvrement du patch et pour du sédiment collé au fond du canal. Ilapparaît qu'en fonction du découvrement ($P = k/R$ avec $k$ la hauteur découverte d'unerugosité et $R$ sa hauteur totale), de forte variations locales de contrainte et de niveaux deturbulence au fond se mettent en place, le sédiment étant soumis à des sur-contraintesimportantes à l'arrière des rugosités pour $P = 20\%$, mais protégés pour des découvrementsplus importants. Une analyse par quadrants montre alors que ce phénomène peut être expliquépar la capacité des événements turbulents instantanés de forte intensité à pénétrer entre leshémisphères pour atteindre le sédiment. Une troisième étude dans un canal aux dimensions plusimportantes consiste à analyser la déstabilisation d’un lit sédimentaire initialement plat etrecouvrant totalement une canopée d’hémisphères immobiles. En début de la déstabilisation du lit,des dunes se forment et croissent, jusqu'à ce que leur volume devienne limité par l'apport initial desédiment. Des zones érodées apparaissent alors entre ces dunes, dans lesquelles on observe dusédiment protégé entre les hémisphères immobiles. Il apparaît alors que cette protection estdépendante de la dimension des zones érodées. Sur les temps longs et après évacuation desdunes en aval du canal, l'effet de protection des hémisphères immobiles sur le sédiment est misen avant, avec en particulier l'obtention d'une forte dépendance du taux d'érosion des grains enfonction du niveau de découvrement des hémisphères, un ralentissement soudain de l'érosionétant obtenu pour $P \sim 50 %. Ce changement de régime est expliqué en lien avec les résultatsde l’étude précédente sur les groupes d’hémisphères.