Etude expérimentale de la dynamique sédimentaire d'un système à forte pente soumis à des conditions hydrauliques faibles

An experimental study of the sediment dynamic of a torrential system under weak flow conditions.

• Auteur / Autrice : Vito Bacchi
• Direction : Mohamed Naaim
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'univers
• Date : Soutenance le 23/06/2011
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : CEMAGREF
• Jury : Président / Présidente : François Métivier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mohamed Naaim, Jonathan Laronne, Alain Recking, Philippe Frey
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François Métivier, Dieter Rickenmann

Mots clés

Mots clés libres

Charriage

Forte pente

Tri granulométrique

Morphologie torrentielle

Bedload transport

Steep slopes

Grain sorting

Bed morphology

Résumé

Cette thèse, à dominante expérimentale, tente de décrire, de comprendre et de quantifier le transport sédimentaire pour un système torrentiel caractérisé par une forte pente et des conditions hydrauliques faibles. Une plateforme expérimentale a été mise en place et instrumentée. Elle permet de contrôler quatre paramètres du système : la pente du canal, le débit hydraulique, le débit solide et la granulométrie. La durée des expériences est suffisamment longue pour couvrir l'ensemble des fluctuations gouvernant le transport. L'étude de l'évolution d'un même mélange granulaire soumis à un forçage hydraulique fort, (Shield = 1.37 Shield critique) ou à un forçage hydraulique faible (Shield = 0.94 Shield critique) a permis de mettre en évidence, au sein des structures sédimentaires observées, deux classes de comportement différentes. Pour l'expérience à Faible Transport, le lit est globalement pavé au cours de la durée de l'expérience qui est de 110 heures. Des structures de type step-pools sont présentes et très stables, et contrôlent la dynamique de transport du système à court terme et à long terme. A court terme, le transport solide n'est pas uniforme mais s'effectue à travers des processus transitoires d'érosion et de dépôt « de proche en proche », associés respectivement à la destruction et à la formation de step-pools dans le système. A long terme, les step-pools conduisent à un pavage uniforme sur l'ensemble du canal. Des destructions périodiques de ce pavage de surface sont également observées et sont associées à une capacité de transport pour le système pouvant atteindre jusqu'à 15 fois le débit solide moyen. Pour l'expérience à Fort Transport, d'une durée de 92 heures, la morphologie du lit fluctue entre deux états extrêmes. Un lit plat dont la surface est formée de particules fines, à forte capacité de transport et un lit pavé à forte pente et à faible capacité de transport. Les step-pools ne sont, ici, que des états éphémères associés à la phase de transition du système qui sont rapidement détruits par les nappes de charriage. Ces dernières sont le mode principal de transport pour le système et expliquent les évolutions cycliques mesurées à court et à long terme. Enfin, nous avons étudié les conséquences des phénomènes décrits ci-dessus en conditions hors équilibre à forte pente. Nous avons pour cela réalisé deux expériences : une première expérience où nous étudions le cas d'un système en phase d'aggradation et une seconde où nous prenons le cas d'un système contrôlé par deux seuils de correction torrentielle. La première a nécessité une longue période afin que le système atteigne une condition d'équilibre dynamique : plus que 210 heures. L'équilibre local du système est atteint progressivement de l'amont vers l'aval, les parties les plus proches de l'alimentation atteignant en premiers l'état d'équilibre. De plus, pendant l'aggradation les fluctuations du système autour de la moyenne sont inférieures à celles mesurées pour un système à l'équilibre. La seconde expérience a montré que l'aménagement d'un système torrentiel avec des seuils peut avoir un impact non négligeable sur la quantité maximum de matériau transporté au cours d'un seul événement. Néanmoins, l'intensité maximale instantanée du transport et le comportement global du système à long terme ne sont en rien affectés par la présence de seuils.

This experimental thesis aims to describe, understand and quantify the sediment dynamics of a torrential system, characterized by steep slope and low hydraulic conditions. An experimental platform has been developed and instrumented for monitoring the channel slope, the water discharge, the feed solid discharge and the bed grain size distribution. The duration of the experiments were sufficiently long to cover all the fluctuations governing the bedload transport phenomenon. Two flow conditions were considered, in order to observe the bed dynamic under different forcing. A strong hydraulic forcing capable to move the bed pavement (Shield parameter = 1.37 Critical Shield parameter) was compared to a low hydraulic forcing supposed to not disturb the bed pavement (Shield Parameter = 0.94 Critical Shield Parameter). We measured for each case the sediment dynamic and associated bedforms. For the “Low Transport” experiment the bed was generally paved over all the duration of the experiment (110 hours). Bedforms similar to step-pools developed and were present for all the duration of the run. These macroforms seems to control the transport dynamic of the system in the short and long term. In the short term, bedload transport was not uniform. Instead, transient processes of erosion / deposition associated with the formation / destruction of step-pools were observed. In the long term, step-pools lead to the formation of a uniform paved bed on the whole channel length. Periodic destruction of bed pavement was also observed and associated with a transport capacity that could reach 15 times the value of average measured bedload transport. For the “High Transport” experiment (92 hours) the channel morphology fluctuates between two extremes. A flat bed characterised by highly mobile fine sediments and high transport capacity, and a steep paved bed corresponding to a low transport capacity. For this experiment step-pools were just a transitory state associated with the transition between the two extremes and they are quickly destroyed by the bedload sheets propagation. Bedload sheets were the main transport mode for the system. Their formation and propagation can explain the cyclical evolution of the system in the short and long term. We finally studied the consequences of the observed phenomena for non-equilibrium systems on steep slopes. We conducted two experiments: one in order to reproduce an aggradational system and the second to reproduce the dynamic of a system controlled by two check dams. A very long duration was necessary for reaching the dynamic equilibrium condition with the aggradational system (more than 210 hours). The local equilibrium was achieved gradually from upstream to downstream, with the flume sections closest to the feeding device attaining first the dynamic equilibrium. Experiments with check dams showed that this kind of slope correction can have a significant impact on the maximum amount of material transported during a single event. However, the maximum instantaneous transport and the long term sediment behaviour of the system are not affected by the presence of the check dams.