Étude du mouvement bidimensionnel d'une particule dans un courant d'eau sur forte pente

Two-dimensional motion of a single particle in a water flow down a steep channel

• Auteur / Autrice : Françoise Bigillon
• Direction : Jack Lanier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géophysique, géochimie, géomécanique
• Date : Soutenance en 2001
• Etablissement(s) : Université Joseph Fourier (Grenoble, Isère, France ; 1971-2015)

Résumé

Ce travail porte sur l'étude microstructurelle du charriage torrentiel afin de mieux comprendre la physique sous-jacente au charriage torrentiel. Pour cela, le mouvement bidimensionnel d'une particule-test a été étudié dans un courant d'eau à forte pente. Nous avons développé un dispositif expérimental permettant l'étude du mouvement d'une bille en canal de laboratoire à l'aide d'une technique de visualisation rapide. En parallèle, nous avons réalisé des simulations numériques des équations lagrangienne du mouvement. A partir des essais numériques et des expérimentations, nous avons identifié trois régimes : l'arrêt, le roulement, et la saltation. Ils peuvent être classés suivant l'intensité de l'écoulement moyen, la pente du fond, et les caractéristiques du fond rugueux. Bien que la pente ait une influence sur l'apparition des régimes, la rugosité du fond est le paramètre clé. Concernant le transport solide, les résultats obtenus laissent présager pour la plupart des régimes d'écoulement en torrent(i) l'existence d'un transport sélectif significatif dû à la pente et à la variété de taille des sédiments, (ii) la prédominance du régime de saltation (iii) le roulement est marginal et disparaît pour une pente supérieure à 10%. Nous avons mis en évidence un nouveau mécanisme propre aux écoulements de faible hauteur : L'interaction entre une bille et la surface libre sans doute liée aux effets de tension. Nous avons également montré que lors d'un choc de la bille avec le fond, il faut tenir compte de la présence d'eau dans la modélisation des actions de contact. L'analyse du mouvement moyen de la bille en saltation a permis de préciser que la vitesse moyenne de la bille est surtout imposée par la vitesse moyenne du courant d'eau et sa hauteur. La pente influence peu la physique pour un transport intense ; en revanche, près du seuil de mise en mouvement, les essais numériques ont montré qu'elle a un effet bien plus marqué.