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Etude expérimentale de l’érosion de contactau sein des digues

Rémi BEGUINDoctorant en 2ème année de thèse

LTHE, Saint Martin d’Hères, le 11 mars 2010

Directeurs de thèse :

Yves-Henri FAURE ( Equipe TRANSPORE- LTHE )Pierre PHILIPPE ( Cemagref Aix en Provence )

Encadrement EDF : Jean-Robert COURIVAUD

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Érosion de contact : – Érosion interne à l’interface entre deux couches de sol de

granulométries différentes en présence d’un écoulement d’eau

Contexte et localisation possibles :

Critère de filtre géométrique non respecté

Introduction

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3 Plan

Introduction

1. Échelle intermédiaire : Lois d’érosion et caractérisation des sols

2. Échelle microscopique : Écoulement à l’interface (fin 2009)

3. Grande échelle : Comportement d’un ouvrage (2010)

Conclusion

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4 Dispositif expérimental

Dimensions de la cellule : 30x70x25 cmCharge constante : ~2mDébit maximum : 1.4l/s

5

5

Cellule

Bac à niveauconstant

Pompe

Turbidimètre

DébitmètreAcquisition

Mise en pressionde la vessie

6

6

Brauns (1985),

Wörman (1992),

Van Der Meulen (1984),

De Graauw (1983)

Sols testés, littérature

Sols fins :

Sols grossiers :

B1 : Argile (Illite)B2 : Limon d’OrlyB3, B5 : Mélanges de sable et de 20% et 10% d’IlliteB4 : Sablon de l’IsèreB6: Mélange de sable et de 25% de SablonB7 : Sable de Fontainebleau (NE34)

C1 à C4 : Graviers de 2 à 15mm

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7 Observations

Sens de l’écoulement

Vitesse = 2,4cm/s

T=20min

T=50min

T=0min

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8

u (c

m/s

)

Érosion transitoire, brefs pics de turbidité

Résultat expérimental typique

Vitesse critique, définie par une turbidité non nulle après

30min de palier

Érosion importante, modification de la géométrie de l’interface

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9

Observations :

- Transport par charriage sur une épaisseur de grain grossier

- Transport en suspension dans toute la couche de sol grossier

Processus d’érosion de contact

Érosion de surface particulière

Seuil d’initiation de l’érosion ?Cinétique de l’érosion ?

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10 Seuil d’érosion en fonction de la granulométrie du sol fin

+

−=

²17.0

HH

w

wscr d

gdnu βρρρ

Guidoux et al, 2010

Gravier d50=20mm

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11 Seuil d’érosion en fonction du D50 du gravier

- Peu dépendant de la granulométrie du gravier- Régime de Forchheimer

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12

Sablon de l’Isère :

Limon d’Orly :

>−

=sinon0si)( cCerk ττττ

ε

3

1

k 2.10 /c

er

Pas m

τ−

≈

≈

Argiles :Matériau cohésif

Sables :Matériau non-cohésif

Limons

Le détachement contrôle le processus

Modèles semi-empiriques basés sur le nombre de Shields, modèles

diphasiques…

La capacité de transport contrôle le processus

4

15

k 3.10 /c

er

Pas m

τ−

≈

≈

Exemples…

d

Adaptation de modèles d’érosion…

Sollicitation hydraulique sur le sol fin ?...

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13 Spécificités de l’érosion de contact

Effondrement du gravier :

Configuration sol fin sur sol grossier :Rôle inversé de la gravité

Apparition de cavités :Initiation d’un renard ?

Tri granulométrique observé :

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14 Evolution dans le temps : sols à granulométrie étendue

Sol naturel à granulométrie étendue :

Pavage de surface qui ralentit l’érosion

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15 Plan

Introduction

1. Échelle intermédiaire : Lois d’érosion et caractérisation des sols

2. Échelle microscopique : Écoulement à l’interface (fin 2009)

3. Grande échelle : Comportement d’un ouvrage (2010)

Conclusion

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16

Objectifs :

Caractériser la sollicitation hydraulique sur le sol fin

– Profil de vitesse à l’interface entre deux milieux poreux– Variabilité– Dépendance aux conditions géométriques ( Diamètres ? )

Étude à échelle micro de l’érosion de contact

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17 Banc d’essais

Pompe à engrenage : Débit constant

Nappe laser

Cellule de 8x8x40cm

Billes de borosilicate

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18 Milieu iso-indice

Ajuster l’indice de réfraction des deux milieux pour éviter la diffraction (Loi de Descartes)

n1 # n2

n1 = n2

Billes de verre n1=1,5Eau n2=1

Billes de verre borosilicate n1=1,414Huiles minérales n2=1,414

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19 Particle Image Velocimetry

Image brute

50 im/sec500 images1024x1024

?

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20 Champ de vitesse

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21 Résultats : Profils de vitesse et de porosité

Variabilité spatiale importante

Corrélation porosité / Vitesse

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22 Distributions de vitesse :

Vitesses verticalesVitesses horizontales

Données d’entrée pour un modèle d’érosion ?

xx ττ ˆ

Contrainte de cisaillement

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23 Modélisation de l’érosion de contact pour un sol cohésif

Sollicitation

Résistance du sol

On suppose une loi d’érosion locale de la forme :

On utilise la distribution de contrainte comme entrée : >−

=otherwise0if)( cCerk ττττ

ε

τ

ε Loi localeLoi globale

Possibilité d’enrichissement du modèle avec- une distribution de résistance- évolution de la résistance au cours de l’érosion

Résistance du sol

Sollicitation

Temps

ε

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24 Plan

Introduction

1. Échelle intermédiaire : Lois d’érosion et caractérisation des sols

2. Échelle microscopique : Écoulement à l’interface (fin 2009)

3. Grande échelle : Comportement d’un ouvrage (2010)

Conclusion

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25 Essais à grande échelle à la CNR (Lyon)

Gravier (20cm)

Limon compacté

2m

~ 8mLargeur : 3-4m

Instrumentation : - Topographie- Turbidité- Débit

Echantillonage

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Recharge pour la stabilité

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26

Conclusions :

Observation et identification des mécanismes liés à l’érosion de contact

Adaptation de modèles classiques d’érosion de surface

Caractérisation de l’écoulement moyen à l’interface mais aussi de sa variabilité

Perspectives :

Modélisation statistique du phénomène

Evolution dans le temps de l’érosion

Validation à grande échelle à la CNR à partir de mai 2010

Communications :

Article sous presse dans «Journal of Geotechnical and GeoenvironmentalEngineering »Communications orales : European Work Group on Internal Erosion 2009, Congrès Français de Mécanique 2009, Comité Français de Mécanique des sols

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