Les crues torrentielles

Les crues torrentiellesPrésenté par :Mr. Abdelhadi AmmariMaître de Conférences ENSH

Quelques définitionsTorrentsCours d’eau à régime rapidement variable, de pente moyenne supérieure à 6 %, caractérisé parun transport solide souvent abondant.La rivière torrentielle, quant à elle, est de pente moyenne comprise entre 1,5 et 6 % ellen’atteint jamais un profil d’équilibre et est sujette à des crues subites. Débit : volume d’eau écoulé en une seconde par un cours d’eau en un point de son cours ;ce débit brut s’exprime en m3/s ; le débit de pointe d’une crue est le débit instantané correspondantau maximum de la crue ; il peut être bien supérieur au débit quotidien moyen du même jour.

CrueAugmentation du débit d’un cours d’eau dépassant plusieurs fois le débit

moyen qui peut êtreà l’origine d’inondation, c’est-à-dire le recouvrement par de l’eau des

terrains riverains plus ou moins proches du cours d’eau en crue.Le caractère torrentiel renvoie à la définition même du torrent : “cours

d’eau de montagne, rapide et irrégulier, de faible longueur, plus ou moins à sec entre des crues violentes et brusques”.

l On distingue les crues :- Simples lorsqu’elles n’ont qu’une cause principale, telles celles résultant :- de la rupture de barrage naturel comme les crues d’embâcles

(amoncellement d’objetsflottants),- d’averse provoquée par des pluies intenses sur un bassin versant

imperméable ouimperméabilisé dont le sol est déjà saturé, où l’eau ruisselle directement

sur les versantsjusqu’à la rivière.- Liées à la fonte des neiges (crues nivales) mais plus encore à des averses

de printemps venant gonfler les débits déjà soutenus dus à la fusion nivale.

- Les crues complexes dues à l’interférence de plusieurs causes sur un même bassin versant.

Lit mineur - lit majeur

On appelle lit mineur, le chenal apparent limité par des berges franches dans lequel s’écoulent les basses eaux et le débit moyen annuel.Le lit majeur est la section d’écoulement des crues au-delà du lit mineur.

DécruePhase terminale d’une crue pendant laquelle le débit ne cesse de diminuer.

PenteInclinaison par rapport à l’horizontal d’un versant, d’une surface, du profil en long d’un talweg.

TalwegLigne qui joint les points les plus bas d’une vallée et suivant laquelle s’écoulent les eaux.

Alors qu'en est-il des crues des torrents à proprement parler ? Rappelons-nous que la définition du torrent fait d'abord référence à de fortes pentes, favorisant l'érosion et le transport des sédiments arrachés sur les pentes ou prélevés dans le lit-même des cours d'eau sous l'action de l'écoulement. Les écoulements torrentiels sont donc susceptibles de présenter des concentrations en sédiments très élevées, d'autant plus importantes bien sûr que les pentes seront raides, et que l'écoulement, autrement dit la crue, sera vigoureux. On pose là une définition différente des crues torrentielles, plus spécifiquement hydraulique, car reliée à la nature des écoulements.

Les conséquences de l'intensité du transport solide dans les écoulements torrentiels sont diverses. D'abord, l'importance des interactions entre phase liquide et phase solide met en défaut les lois de l'hydraulique classique, c'est-à-dire de l'hydraulique d'eau claire. Par exemple Smart et Jaeggi ont mis en évidence (1983) qu'à partir d'une pente de l'ordre de 7 %, la hauteur d'écoulement, pour un débit liquide donné s'écoulant sur un lit affouillable devenait significativement supérieure à ce qu'elle devrait être si seulement de l'eau s'écoulait. Le supplément de hauteur est à attribuer à la présence de sédiments dans l'eau, qui ne peut donc plus être négligée dans le calcul de la hauteur d'écoulement. De même, selon Graf et Altinakar (1995),

Au delà d'une concentration volumique de 8 %, un écoulement chargé en matériau solide ne se comporte plus de façon semblable à l'eau, parce que la relation entre les forces exercées et les déformations est différente de celle que l'on connaît pour l'eau, sur laquelle est fondée l'hydraulique classique. Il est donc nécessaire de faire appel à une hydraulique différente, reconnue en tant que telle depuis à peine plus d'une dizaine d'années, et baptisée logiquement hydraulique torrentielle.

En termes de risque les conséquences du transport solide sont bien évidemment considérables. Il ne suffit plus de se prémunir contre une montée du niveau d'eau, il faut se protéger contre des engravements ou des affouillements considérables, ou encore des coulées de boue capables de causer des dommages matériels ou humains très importants.

Caractéristiques d’un torrentUn torrent peut être caractérisé par son régime, sa pente, son travail.

Il existe deux types de comportementTorrent à affouillement (ou à écoulement peu chargé) : il se nourrit des débris des versants friables et se creuse en terrains tendres.Torrent à clape (ou à écoulement fortement chargé) : il recrute son matériel dans des débris de parois rocheuses et creuse son lit en roches dures ; il est rebelle à la correction car la désagrégation des falaises qui pourvoit à son ravitaillement est inépuisable.

Description d’un torrentUn torrent comprend d’amont en aval :- le bassin de réception,- le chenal d’écoulement,- le cône de déjection : lieu où se déposent les matériaux,

issus des transports solides.

Composition d’un bassin

Bassin de réception

Chenal

Talweg

Modes d’action du torrent : érosion, transport, dépôt

l 1.3.1 - ÉrosionEnsemble des phénomènes extérieurs à l’écorce terrestre qui contribuent à modifier les formes du relief et du paysage en général. Cette modification se fait par enlèvement de matière (sols et roches) : c’est l’érosion proprement dite, mais aussi par accumulation (cônes de déjection).Dans les falaises se produisent des éboulements. Tous les blocs tombés constituent la clape. Un torrent qui prend naissance sous une falaise est donc un torrent à clape.On appelle affouillement longitudinal le creusement du lit par l’action de l’eau. Il a surtout pour résultat l’écroulement ou le glissement des berges résistantes.

Profil d’équilibreLe creusement se fait de l’aval vers l’amont à partir d’un point situé au bas du profil en long appelé niveau de base.Les pentes du profil croissent depuis le niveau de base jusqu’au sommet du profil.

Le profil d’équilibre est le profil en long d’un cours d’eau tel qu’en chaque point, l’action de l’eau ne parvient plus à affouiller le lit et ne dépose plus. Ce profil théorique est rarement atteint naturellement par les torrents.En période de crues, le torrent transporte des matériaux, c’est le déblaiement.

Après le passage d’une crue

Les crues torrentielles Le contexte torrentielLes crues torrentielles représentent une menace permanente pour beaucoup de villages de montagne qui se trouvent implantés sur le cône de déjection de torrents. La soudaineté de ces crues et la puissance des écoulements qui en résultent les rendent particulièrement dévastatrices. Ainsi en Algéie déplore-t-on chaque année un certain nombre d’habitations endommagées et de routes coupées et même de pertes humaines.

On peut observer des écoulements dans lesquels les sédiments sont charriés au voisinage du fond sous l'effet des forces hydrodynamiques dues à l'écoulement d'eau. L'eau et les sédiments transportés, ainsi d'ailleurs que les sédiments transportés entre eux, ont des vitesses de déplacement nettement différentes. Ce mode de transport solide présente donc des analogies certaines avec le transport de sédiments charriés dans les rivières à faible pente, et on le baptise donc par analogie charriage torrentiel. Les valeurs de concentration solide sont en revanche d'un tout autre ordre de grandeur, puisque si à des pentes de 1 % les concentrations maximales sont de l'ordre de 0, 1 %, pour des pentes de 10 %, l'ordre de grandeur des concentrations solides est de 10 % également. On parle alors de charriage hyperconcentré

Illustré autrement, dans ces écoulements, la hauteur d'écoulement est du même ordre de grandeur que la taille des plus gros blocs transportés (tout au plus le double ou le triple). On comprend alors aisément que les risques de débordement soient au moins autant liés aux évolutions du niveau du lit, suite à des engravements locaux par exemple, qu'aux variations de la hauteur d'écoulement proprement dite. D'ailleurs une autre manifestation de l'intensité du transport solide par charriage est une fluctuation très marquée et très rapide du nombre et de la position des chenaux d'écoulement, constamment refaçonnés par l'écoulement et les alternances érosion/dépôt correspondant. En rivière de plaine au contraire, le risque d'inondation « classique » résulte généralement des seules variations du tirant d'eau dans un lit supposé fixe à l'échelle de temps de la crue, puisque le transport solide y est marginal.

Hydraulique Torrentielles (Meunier 1991)

Ecoulement lors d’une crue torrentielle

Ecoulements dans les cas des crues torrentiellesLa principale particularité des écoulements torrentiels par rapport aux écoulements en rivières à faible pente consiste en un transport de sédiments (ou transport solide) beaucoup plus important, au moins en période de crue. De plus, les écoulements torrentiels transportent souvent des particules de grandes dimensions, jusqu'à des blocs rocheux de plusieurs tonnes. La pente figure bien entendu au premier rang des causes de ce transport solide accru.En plus de la pente, les autres caractéristiques des cours d'eau torrentiels participent également à la génération de transports solides importants : effet du relief sur les épisodes météorologiques et les régimes hydrologiques, proximité d'importantes sources de sédiments...

Pour les débits liquides les plus faibles, le transport solide est absent ou n’affecte que les particules les plus fines, par Charriage et mise en suspension (comme en rivières). Pour les débits liquides de crue au contraire, le transport solide peut mobiliser des quantités de sédiments considérables, soit par intensification des processus de charriage, soit par le biais d’un mode de transport spécifique aux torrents : les laves torrentielles. Dans le cas du Charriage, les particules roulent et glissent sur le lit sous les effets combinés de la poussée de l’eau et de la gravité (les particules les plus fines étant en suspension). Dans le cas d’une lave torrentielle, au contraire, les phases solides et liquides sont intimement mêlées et l’écoulement prend la forme d’une bouffée très visqueuse. Les principales caractéristiques de ces deux modes de transport sont récapitulées dans le tableau suivant.

Principales caractéristiques des deux types de crues torrentielles.

Caractéristiques phénoménologiques

Caractéristiques mécaniques

Charriage

Transport de particules dont la taille maximale correspond environ à la

hauteur d’écoulement.Limité en général à des pentes de

quelques dixièmes de % à quelques %.

Ecoulement « biphasique » : séparation nette entre les phases liquides et solides

dont les vitesses sont différentes.

Concentration solide inférieure à 30 % en

volume.

Lave torrentielle

Ecoulement en masse avec zone de dépôt nette sur le cône de déjection.

Formes de dépôt particulières : bourrelets latéraux, lobes frontaux.Capacité de transport de très gros

blocs (plusieurs dizaines de m3 parfois).

Ecoulement « monophasique » : les

phases solides et liquides vont à la même vitesse.

Concentration solide supérieure à 60 % en

moyenne.Comportement mécanique

de type fluide visqueux non-newtonien.

Lave Torrentielle

A des concentrations solides encore supérieures, on observe des écoulements dans lesquels le mélange eau/sédiment est si intime que l'on ne distingue plus qu'une seule masse boueuse et rocailleuse en écoulement, dans laquelle l'eau et les sédiments transportés s'écoulent à la même vitesse. On parle alors de laves torrentielles, par analogie avec les laves volcaniques.

Les écoulements de lave torrentielle s'opèrent généralement par bouffées, qui poussent devant elles un front constitué d'un amas de gros blocs rocheux. Il est là aussi assez facile de comprendre que ces écoulements ne répondent pas tout à fait aux mêmes lois que les écoulements d'eau claire, et qu'il faut développer une hydraulique particulière adaptée à ces mélanges visqueux. On comprend aisément que les mesures de protection contre de tels écoulements sont nécessairement très spécifiques, pour prendre en compte l'importance des transports solides et des dégâts qu'ils sont susceptibles de causer, et en tout cas bien différentes des mesures de protection en vigueur contre les inondations de plaine.

Les crues des torrents, crues torrentielles au sens strict, ne constituent donc pas simplement une catégorie particulière des crues des rivières en général. Les conséquences du caractère montagneux des bassins versants torrentiels, et en particulier leurs fortes pentes, sont déterminantes non seulement pour l'accélération des processus de génération et de propagation des crues, mais également par l'apparition de processus nouveaux, d'arrachement et de transport de sédiments. Il en résulte la formation et l'écoulement de fluides nouveaux, complexes, et dont l'hydraulique utilisée en cours d'eau de pente modérée ne peut rendre compte.

Des phénomènes à l’aléa : cas des risques gravitaires rapides

Les phénomènes naturels gravitaires en montagne sont spécifiques en matière de :

vitesse et durée (même si, de manière générale, les phénomènes gravitaires rapides se caractérisent par une durée ne permettant pas d'imaginer une évacuation après déclenchement des phénomènes) ;

mode de propagation des phénomènes (impacts ponctuels dans le cas de chute de blocs, trajectoire rectiligne dans les chenaux d'écoulement torrentiels, zone d'extension importante dans le cadre d'avalanche ou de zone de dépôt de lave torrentielle);

La nature et la précision des analyses des risques induits dépendent largement de :

la capacité à prévoir l'occurrence des aléas notamment sur la base d'évènements passés ;

la connaissance théorique disponible sur les phénomènes ;

Vidéo d’une lave torrentielle

Les étapes de la gestion du risque sont les suivantes :

identification et localisation des phénomènes naturels (analyse topographique, géomorphologique du site) ;

caractérisation des aléas (définition des effets potentiels, caractérisation de l’intensité et de la fréquence) ;

identification des enjeux (typologie immatériels, matériels, humains) ;

caractérisation des conséquences associées à l’effet des phénomènes (au cours d’un évènement) en vue d’une détermination de la vulnérabilité.

Prévision spatiale et temporelle des phénomènes pour la sécurité des personnes

Phases temporelles de la gestion des risques naturels

Les situations de risques auxquelles sont confrontées les différents pays du monde et les modes de gestion mis en œuvre sont identiques. De nombreuses présentations génériques des phases de gestion existent. Nous présentons ici le « cercle de la gestion des risques »

cercle de la gestion des risques

Connaissance de l’aléa

Plus récemment les modélisations statistiques, physiques (sur maquette) puis numériques sont venues compléter l’étude historique et l’analyse géomorphologique. Ces approches permettent d’une part de mieux connaître le phénomène et d’autre part de pouvoir définir plus précisément des scénarios dits de référence, contre lesquels la collectivité va chercher à se protéger. Suivant les réglementations la période de retour prise en compte pour l’aléa relevant de la sécurité des biens peut être différente : cent ans en France pour les avalanches contre trois cent ans en Suisse par exemple.

La modélisation statistique a d’abord été utilisée sous la forme de relations empiriques permettant de prédire la distance d’arrêt des événements extrêmes à partir des caractéristiques topographiques du site étudié. Elle permet maintenant d’encadrer les modèles numériques de propagation de façon à établir des cartes d’aléa probabilisé.

La modélisation physique vise à reproduire sur un modèle réduit le phénomène

Les stratégies de Protection a-correction torrentielle

Et il y a les aménagements mixtes

b- les ouvrages de génie civil Les ouvrages de génie civil occupent encore une place essentielle dans les dispositifs de protection contre les risques liés aux crues torrentielles. Dans le cadre de travaux de correction active, les barrages de consolidationsont positionnés dans les tronçons fortement érodables du chenal d'écoulement pour limiter l'érosion longitudinale et les divagations du torrent. Les zones de berges en glissement constituent d'importantes zones d'apport de matériaux solides et constituent souvent des zones prioritaires d'implantation des barrages de correction torrentielle.

Ouvrages de génie civil

les barrages de sédimentation (ou plages de dépôt) sont mis en place en partie inférieure du torrent dans le cadre de travaux de défense passive. Ces équipements sont généralement constitués d'une capacité de stockage limitée par des digues latérales en remblai et d'un ouvrage terminal en béton armé rendu plus ou moins filtrant grâce à des systèmes de grilles ou de pertuis aménagés dans le voile .

Schéma de principe d’un barrage de sédimentation

Rôle des BarragesLe rôle principal des barrages se

résume dans le laminage des crues, soit l’étalement de l’onde de crue dans le temps

Barrage Beni Haroun

L e projet SMART (Storm Water Management and Road Tunnel. KUALA LAMPUR. Malaisie )

Autres ouvrages civils

Le risque résiduel

Le risque zéro n’existe pas. Le risque résiduel représente le risque persistant après la mise en œuvre des protections calculées généralement pour des événements centennaux. La quantification du risque résiduel reste actuellement délicate. Plans d’évacuation et de secours ou accès protégés doivent être prévus dès l’initiation du projet.

ConclusionLes Crues sont des événements extrêmes, où une forte précipitation peut provoquer des ruissèlements très importants, et emportant tous types de sédiment et de débris solides qui peuvent provoquer des écoulements torrentiels dévastateurs.La prévention et les dispositifs de protection sont impératifs pour réduire des dégâts humains et matériels d’un phénomène qu’on ne peut éviter totalement.