15 ans de recherche à la Vallée de la Sionne

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1 Journée «dangers naturels» à Sion 21 novembre ans de recherche à la Vallée de la Sionne Betty Sovilla / François Dufour WSL- Institut pour l Etude de la Neige et des Avalanches SLF 1 La vue d ensemble de la Vallée de la Sionne. Une vallée fermée vers le Nord

2 Avalanches secondaires possibles? Vallée de la Sionne Vallée de la Morge maison

3 Crêta Besse 1 Crêta Besse 2 Pourquoi a-t-on la Vallée de la Sionne? Nous voulons déclencher de grandes avalanches (catastrophiques..) qui ont les mêmes caractéristiques et comportement physique que les avalanches dont il faut tenir compte pour établir les cartes de danger et concevoir des ouvrages de protection Nous voulons non seulement mesurer la pression, vitesse, la hauteur d écoulement... (partiellement déjà fait dans le passé), mais aussi comprendre les processus géophysiques qui caractérisent la dynamique des avalanches

4 => Buts des expériences Calibrer et développer des modèles dynamiques d avalanches (tels que RAMMS) Recherche fondamentale sur la dynamique des avalanches 7 1. Etudes globales Vitesse du front photogrammétrie, GEODAR Vitesse moyenne sur la hauteur radars doppler, GEODAR Bilan des masses balayage laser aéroporté (laser-scanning) Volume de l aérosol photogrammétrie Structure d écoulement 2D GEODAR Le caractère 2D de ces données permet de cartographier l'avalanche avec une grande résolution spatiale et temporelle, amenant la résolution au niveau généralement utilisé dans les simulations numériques (par ex. RAMMS). 8

5 2. Etudes de détail Profil de vitesses capteurs optiques Profil de densités capteurs de capacitance Pression d impact capteur piézoélectriques Hauteur d écoulement commutateurs mécaniques => mesures à l'échelle de la particule (structure interne de l avalanche) 9 A. Le bilan des masses de l avalanche Masse de décrochement Mr Bilan des masses M avalanche = M r + M e - M d Dépôts de neige le long du couloir de l'avalanche M d Entraînement de la couverture neigeuse M e

6 Mesure des bilans de masses entre 1998/99 et 2004/05 Méthode: Photogrammétrie (avant et après le déclenchement d avalanche) Coûts élevés Hauteur de neige que dans les zones de décrochement et de dépôt..... Résolution/qualité de l'information dépend de la qualité des images Pas possible avec une mauvaise visibilité Mesure des bilans de masses depuis 2005/06 Méthode: arial laser-scanner (avant et après le déclenchement d avalanche) Hauteur de neige tout le long du couloir d'avalanche Résolution plus élevée(0,5 m2) Aucun problème de visibilité Coûts réduits

7 Mesure des bilans de masses : entraînement Méthode: radars FMCW Entrainment rates Entrainment location Information on entrainment mechanisms Taux d'entraînement Lieu d'entraînement Mécanismes d'entraînement Bilan des masses: nouvelles découvertes sur l entraînement 1. De grandes variations de masse (en moyenne lg = 4) ont été observées pour les petites et les grandes avalanches se déplaçant sur des pentes ouvertes ou des couloirs, par conditions favorable et grandes surfaces d'érosion possibles. 2. Il y a une faible corrélation entre les taux d'entraînement et la vitesse d'écoulement des avalanches. L'érosion est "indépendante" de la dynamique des avalanches mais dépendante des caractéristiques de la couverture de neige le long du couloir d'avalanche.

8 Conclusion sur le bilan des masses L'estimation correcte de la masse d avalanche et la façon dont elle évolue ont des effets sans doute plus importantes sur la distance de dépôt que la nature de la loi de frottement elle-même. 1 ère avalanche 2 ème avalanche => Cette nouvelle connaissance va être introduite dans le prochain modèle en développement pour les moyennes et petites avalanches B. Mesure du profil de vitesse depuis 2003/04 Méthode: capteurs optiques Nous avons installé 1 capteur tous les 12 cm de 0 à 6.0 m 6.0 m

9 Exemple de mesure : le profil de vitesse d une avalanche sèche vitesse du front Plot 2D de la vitesse d avalanche sèche hauteur d écoulement (m) temps (sec) Une couleur représente une valeur de vitesse p. ex. : rouge 10m/s et bleu 40m/s

10 Régimes d'écoulement d'avalanche et profils de vitesse avalanche de neige mouillée avalanche de neige sèche Conclusions sur les vitesses La vitesse d avalanche admise dans le modèle de Voellmy-Salm était constante tout au long de l avalanche avec ξ et µ également constants: Les mesures effectuées à la Sionne montrent que ça n est pas le cas. Le profil de vitesse varie tout au long de l avalanche en fonction de la réhologie => Pour une avalanche de neige sèche, on a ceci av. poudreuse av. dense => pour une avalanche de neige mouillée, on a plutôt ceci mais la friction au sol varie en fonction de la présence d eau WSL-Institut für Schnee- und Lawinenforschung SLF 20

11 C. Mesure de la densité (depuis 2003) Les sondes de capacitance (capacité électrique) La géométrie du capteur a été conçue pour mesurer la permittivité de la neige dans le flux de l'avalanche La densité est dérivée de la mesure de permittivité en utilisant une courbe de calibration empirique. La réponse à haute fréquence du capteur (7,5 khz) permet de mesurer des variations significatives de densité qui peuvent également être corrélées à la granulométrie de l avalanche. WSL-Institut für Schnee- und Lawinenforschung SLF 21 Conclusions densité kg/m3

12 Conclusions sur les densités La variation de la densité peut être plus importante pour le processus dynamique que la valeur de la densité ellemême Ces mesures montrent, pour la première fois, la structure des avalanches humides et sèches et conduiront à de nouveaux modèles physiques de la dynamique des avalanches De plus, l'information pourra être utilisée pour étalonner les formules de pression d'impact et donc améliorer les procédures de calcul. WSL-Institut für Schnee- und Lawinenforschung SLF 23 D. Mesure de la pression d impact Sur de petits obstacles, nous calculons la pression P selon la formule suivante (Bernoulli) : P = ½ C d ρv 2 C d Cœfficient de traînée de 1 à 6: cela tient compte des effets de la forme (Cd est une fonction complexe du régime d'écoulement, de la dimen-sion et de la forme de l'obstacle) ρ Supposées être 300 kg m-3 pour toutes les avalanches denses v Vitesse maximale de l avalanche

13 Mesures des pressions d'impact Méthode 0.25 m 0.60 m Des mesures sont effectuées sur de petits obstacles de différentes dimensions et formes dimensions d obstacle dimension des capteurs 0.25 m < w < 1.0 m 0.10 m < d < 1.0 m 1.0 m Ampleur de la pression en fonction des régimes d'écoulement Avalanche de neige mouillée Pression [kpa] vitesse [m/s] Avalanche de neige mixte Pression [kpa] vitesse [m/s]

14 Ampleur de la pression en fonction du nombre de Froude Subcritical!! supercritical Selon nos mesures, la pression dépend du nombre de Froude Froude élevé (avalanche rapide) => on surestime la pression Froude bas (avalanche lente) => on sous-estime la pression Le problème des avalanches mouillées lentes : 6236, 6241, 8448,. U =3 m/s p =10 kpa p = ζ(dp, pc) ρ(h) g H Nous avons observé que la pression d'impact sur un mât augmente linéairement avec la profondeur et que la pression est indépendante de la vitesse de l'avalanche.

15 Réflexions sur la pression d impact Les résultats observés à la Vallée de la Sionne soulignent la nécessité d'établir de nouvelles relations qui régissent la pression d'impact en fonction du nombre de Froude en englobant tous les régimes d'écoulement observé. => à réfléchir sur les conséquences que cela pourrait entraîner. Le problème majeur de la mesure d impact reste la dimension des capteurs et son interprétation par rapport aux différentes structures utilisées par les ingénieurs: béton = rigide; acier = souple Qu'avons-nous pu tirer de la VDLS? 1) nous avons mesuré, pression, vitesse, hauteur d écoulement, volumes de déclenchement, de dépôt, et d érosion: Ils nous ont permis de calibrer les modèles dynamiques d avalanche, avec une précision jamais atteinte. 2) nous avons mesuré les profils de vitesse détaillés. Ils nous ont permis de caractériser les différents régimes d écoulement, et donc nous ont permis d élaborer des critères de calcul plus appropriés (p. ex. les nouveaux modèles RAMMS) 3) Nous avons découvert que l'érosion du manteau neigeux est très important. Les avalanches de la VdlS peuvent multiplier jusqu'à 10 fois la masse du volume de la zone de déclenchement. Ceci a des implications fondamentales sur la distance d'arrêt. Tous les nouveaux modèles dynamiques comprennent ce nouveau concept. 4) On est en train d améliorer les critères pour le calcul de la pression d impact sur les structures. Nous avons pu vérifier que les avalanches de neige mouillée exercent une pression qui est indépendante de la vitesse, mais dépendante de la hauteur de l'écoulement. 5) Nous avons pu essayer et nous familiariser avec de nouvelles technologies utilisées dans d'autres projets... radar, laser-scanning, etc

16 Merci pour votre attention WSL- Institut pour l Etude de la Neige et des Avalanches SLF

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