Expériences de laboratoire sur l’érosion et le dépôt de sédiments fins dans un système de barres alternées et son impact sur la morphodynamique des barres

Laboratory experiments on fine sediment erosion and deposition in an alternate bar system and its impact on bar morphodynamics

• Auteur / Autrice : Shashank Gupta
• Direction : Benoît Camenen, Céline Berni
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mecanique des fluides
• Date : Soutenance le 19/12/2023
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : RiverLy (Lyon ; 2018-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Philippe Matas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Benoît Camenen, Céline Berni, Simona Francalanci, Pablo Tassi, Stéphane Rodrigues
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Simona Francalanci, Pablo Tassi
• DOI : 10.70675/504e78b8z8afbz42d6zbf1cz279524882638

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sédiments (géologie)

Inondations -- Maîtrise

Érosion

Cours d'eau

Mots clés libres

Barres alternées forcées

Sédiments fins

Morphodynamique des barres de gravier

Écoulement instable

Forced alternate bars

Gravel bar morphodynamics

Unsteady flow

Laboratory experiments

Fine sediments

Résumé

Les barres alternées se manifestent sous la forme de vagues dont la crête et le creux alternent cycliquement entre les rives opposées. Elles apparaissent souvent dans les rivières caractérisées par un apport important de sédiments et largement limitées par des digues. Les longueurs d'onde de ces barres correspondent généralement à plusieurs fois la largeur de la rivière, tandis que leurs hauteurs sont proportionnelles à la profondeur de l'eau, bien que des variations se produisent en fonction de la mobilité des barres. Les barres alternées forcées représentent une catégorie unique de barres alternées caractérisées par leur nature stationnaire, provenant de distorsions dans la géométrie de la ligne de rive, telles que les courbes de la rivière ou les piliers de pont dans la section transversale de la rivière. Après leur formation dans les rivières, ces barres capturent efficacement les sédiments fins, y compris l'argile, les limons et les sables. L'accumulation de ces sédiments fins contribue à l'aggradation des bancs de gravier et favorise le développement de la végétation riveraine. Cette évolution peut potentiellement augmenter le risque d'inondation à moyen et long terme. Dans ce contexte, l'étude actuelle se concentre sur l'élucidation de l'impact de l'infiltration de sédiments fins, en particulier de limon, dans un système de gravier alternatif forcé. Pour ce faire, nous avons réalisé une série d'expériences en laboratoire dans un canal de 18 mètres de long et de 70 centimètres de large. Dans un premier temps, nous avons établi un cas de référence dans lequel des barres de gravier en alternance forcée ont été créées dans des conditions d'écoulement régulier. Ces barres ont été formées par des cycles successifs de transport, d'érosion et de sédimentation. Par la suite, dans la deuxième étape, des barres alternées forcées ont été développées tout en introduisant des sédiments fins en suspension dans des conditions d'écoulement régulier. Les schémas d'infiltration des sédiments fins observés dans les barres alternées forcées ont indiqué que la queue des barres présentait un niveau de colmatage relativement plus élevé que les têtes des barres et la région centrale des barres. Ces résultats sont similaires aux schémas d'infiltration des sédiments fins observés dans les barres alternées formées dans les rivières Arc et Isère. En outre, les bancs de gravier alternatifs forcés développés en présence de sédiments fins présentent des distinctions significatives par rapport au cas de référence dans la majorité des expériences menées. En outre, nous avons étendu notre étude pour examiner l'impact de la pente initiale du lit sur le développement des bancs de gravier alternatifs forcés, à la fois avec et sans la présence de sédiments fins en suspension, par rapport à notre cas de référence. En outre, nous avons comparé les caractéristiques géométriques des barres alternatives forcées développées, avec et sans sédiments fins, à deux modèles théoriques existants de barres forcées trouvés dans la littérature. Cette comparaison a mis en évidence les limites de ces modèles. Dans un troisième temps, nous avons mené des expériences d'écoulement instable, avec et sans sédiments fins. Ces expériences ont été conçues pour étudier divers aspects, notamment l'impact de l'écoulement instable sur la dynamique et la formation de bancs de gravier alternatifs forcés, l'influence potentielle de la topographie initiale du lit sur la formation de bancs alternatifs forcés, les effets de deux inondations successives sur le système de bancs de gravier alternatifs forcés, parmi d'autres facteurs.

Alternate bars manifest as wave-like patterns in which the crest and trough cyclically alternate between the opposing riverbanks. They often appear in the rivers characterized by a significant sediment input and largely constrained by embankments. The wavelengths of these bars typically correspond to several times the river's width, while their heights are proportional to the water depth, although variations occur depending on the mobility of the bars. Forced alternate bars represent a unique category of alternate bars characterized by their stationary nature, originating from distortions in the bank line geometry, such as river bends or bridge piers within the river's cross-section. Subsequent to their formation within rivers, these bars effectively capture fine sediments, including clay, silts, and sands. The accumulation of these fine sediments contributes to gravel bar aggradation and fosters the development of riparian vegetation. This evolution can potentially increase flood risk in the medium to long term. In this context, the current study is focused on elucidating the impact of fine sediment infiltration, particularly silt, within a forced alternate gravel system. This understanding is pursued through a series of laboratory experiments conducted in an 18 m long and 70 cm wide flume. As a first step, we established a reference case where forced alternate gravel bars were created under steady flow conditions. These bars were formed through successive cycles of transport, erosion, and sedimentation. Subsequently, in the second step, forced alternate bars were developed while introducing suspended fine sediments under steady flow conditions. The patterns of fine sediment infiltration observed within the forced alternate bars indicated that the tail end of the bars displayed a relatively higher level of clogging when compared to the bar heads and the central region of the bars. These findings bear similarity to the patterns of fine sediment infiltration observed in alternate bars formed in the Arc and Isère rivers. Moreover, the forced alternate gravel bars developed in the presence of fine sediments display significant distinctions from the reference case in the majority of the experiments conducted. Furthermore, we extended our investigation to examine the impact of the initial bed slope on the development of forced alternate gravel bars, both with and without the presence of suspended fine sediments, in comparison to our reference case. Additionally, we compared the geometric characteristics of the developed forced alternate bars, with and without fine sediments, to two existing theoretical models of forced bars found in the literature. This comparison highlighted the limitations of these models. In the third step, we conducted unsteady flow experiments, both with and without fine sediments. These experiments were designed to investigate various aspects, including the impact of unsteady flow on the dynamics and formation of forced alternate gravel bars; the potential influence of the initial bed topography on the formation of forced alternate bars; the effects of two successive flood events on the forced alternate gravel bar system, among other factors. Specifically, in the unsteady flow experiment conducted over the reference case, where a constant gravel supply rate was maintained throughout the experiment, our findings indicated that the first forced gravel bar became flatter and shorter, and the second forced bar vanished as the water discharge approached its peak. Subsequently, during the falling limb of the hydrograph, the two forced alternate gravel bars redeveloped, each with different shapes.