Influence du plan de pose sur les distributions de porosité au sein d'une carapace de digue à talus

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1 XII èmes Jourées Natioales Géie Côtier Géie Civil Cherbourg, jui 2012 DOI: /jgcgc S Editios Paralia CFL dispoible e lige available olie Ifluece du pla de pose sur les distributios de porosité au sei d'ue carapace de digue à talus Ima SAFARI 1, Domiique MOUAZÉ 1, Fraçois ROPERT 2, Sylvai HAQUIN 1, Alexader EZERSKY 1 1. Uiversité de Cae, UMR 6143 CNRS-M2C, 24 rue des Tilleuls, Cae, Frace. 2. Société Soframarp 4, Sq Jea Mermoz Compiège, Frace. Résumé : La pose de blocs artificiels écessite ue étude écoomique preat e compte, d'ue part, l'accroissemet du coût de costructio de la digue e raiso du grad ombre de blocs qui doivet être utilisés et, d'autre part, l'augmetatio des coûts de pose et de réparatio de la digue dus aux cotraites associées au placemet de blocs élacés et/ou fortemet imbriqués. La méthode de pose est u paramètre importat qui ifluece la desité de pose des blocs par uité de surface, et doc la porosité surfacique et volumique de la carapace, coséqueces sur la stabilité. Das ce papier, ous présetos deux maières différetes de cosidérer les porosités au sei de la carapace et aisi d'examier l'évaluatio de ce paramètre e termes de "performaces hydrauliques" et "stabilité". Si la porosité volumique est relativemet aisée à détermier e modèle physique, ce est pas le cas de la porosité surfacique. C est pourquoi ous avos opté pour ue représetatio virtuelle e trois dimesios à l'aide d'u logiciel DAO. Cette aalyse aide à mieux compredre l'ifluece de la porosité sur les phéomèes hydrauliques au sei de la carapace et doc les coséqueces sur la stabilité globale de l ouvrage de défese. Mots-clés : Carapace Desité de pose Digue Pose de bloc Porosité Porosité surfacique Porosité volumique Performace hydraulique Ouvrage de défese 1. Itroductio Les blocs artificiels sot ue alterative pour remplacer les erochemets aturels lorsque l'o e dispose pas de blocs aturels e quatité et qualité suffisate ou d'ue taille assez importate pour assurer la stabilité. La pose de blocs artificiels écessite ue étude écoomique preat e compte, d'ue part, l'accroissemet du coût de costructio de la carapace e raiso du grad ombre de blocs qui doivet être utilisés et, d'autre part, l'augmetatio des coûts de pose associés au placemet complexe de blocs élacés et/ou fortemet imbriqués. 791

2 Thème 4 Ouvrages portuaires et offshore La mise e place des blocs artificiels s'opère suivat ue grille de pose prédéfiie qui détermie l'emplacemet de chaque bloc par rapport aux autres. Cette grille peut être adaptée e foctio de la positio relative des blocs voisis. La méthode de pose est u paramètre importat qui ifluece grademet la "stabilité" et "performaces hydrauliques" de la carapace (MUTTRAY et al., 2004). E fait, les plas de pose viset à rechercher u optimum etre stabilité et performace qui déped de la forme des blocs : - ue imbricatio maximale des blocs compte-teue de leur géométrie afi d'éviter les plas de rupture das la carapace (OEVER et al., 2006), - ue porosité optimale de la carapace afi d'augmeter la dissipatio, tout e miimisat le "ru-up" (et doc le frachissemet) aisi que des sous-pressios déstabilisatrices (DE GROOT et al., 1994). O présetera ue défiitio de certais élémets géométriques de carapace tels que : desité de pose et porosité. Esuite, o exposera les méthodes de détermiatio d'u certai ombre de paramètre comme : la porosité surfacique et volumique, l'épaisseur de la carapace, le ombre de blocs, la desité de pose et etc. Il est importat de oter que les résultats présetés sot valable uiquemet pour le bloc étudié, quoique la méthode exploitable pour l esemble des blocs artificiels. 2. Desité de pose et porosité Ue desité de pose, basée sur le rapport de surface d'occupatio, sera utilisée pour cette recherche. L avatage de cette méthode est que le volume écessaire de béto et aussi le ombre de blocs exigé par surface peuvet être simplemet calculés (LATHAM et al., 2002). E gééral, la desité de pose des carapaces,, est défiie comme (CETMEF, 2007) : N D a 2 (1) A où : N a = ombre de blocs placés das la zoe cocerée; A = surface de la carapace parallèle au talus local [mm 2 ]; D = diamètre omial du bloc [mm]. La desité de pose joue u rôle essetiel sur la porosité, et avec la forme et les dimesios des blocs, cotrôle l'imbricatio etre les blocs. Du poit de vue gééral, la porosité accrue de la carapace peut etraier ue meilleure stabilité du fait de la plus grade dissipatio d'éergie, ou au cotraire dimiuer la stabilité de la carapace à cause de la réductio de l'echevêtremet des blocs ou du frottemet bloc cotre bloc (CETMEF, 2007). Il s agit bie de trouver u optimum de desité. Ce paramètre déped pricipalemet de la forme du bloc, aisi que du pla de pose des blocs sur le talus. La porosité de couche, v, peut être e gééral estimée à l'aide de l'équatio suivate (CEM, 2002) : 792

3 XII èmes Jourées Natioales Géie Côtier Géie Civil Cherbourg, jui 2012 NV a b v (2) ktd où : = épaisseur de la carapace exprimée e ombre de couches d'erochemets ; V b = volume du bloc artificiel [mm 3 ] ; k t = coefficiet d'épaisseur de couche, défii par t a k t D ; t a = épaisseur de la carapace [mm] (LATHAM et al., 2002). Le terme de porosité est ue défiitio tridimesioelle. Par aalogie, o peut détermier u rapport de surface. O défiit alors la porosité surfacique (à deux dimesios) : Ap Surfacelibredispoibleà l'écoulemetdeseaux a (3) A 0 Surface totale Il est importat de rappeler que l objectif de cette étude est de quatifier le plus précisémet possible le taux des porosités volumique et surfacique au sei d ue carapace e spécifiat u écart limite pour la distace iter-cetres etre deux blocs voisis. Afi de calculer les vides etre les blocs, ous avos développé u modèle umérique à l aide d u logiciel de DAO (3D). L'avatage de cette méthode est la possibilité de quatifier de plus simples iformatios cocerat le placemet tels que : les coordoées de chaque uité, l épaisseur de la couche. Cette aalyse calcule o seulemet les coordoés du chaque bloc, mais ous doe égalemet automatiquemet plus d'iformatios sur le type de pose compreat la desité de pose, le ombre totale de blocs, et la distace d u cetre à l'autre des uités. U autre avatage de cette aalyse est la comparaiso etre les plas de pose das ue représetatio virtuelle e trois dimesios à l'aide d'u logiciel DAO et u modèle réduit motre la perspicacité des modèles réalistes de pla de pose. Cette iformatio sera utilisée pour améliorer la mise e place des blocs. 3. Méthodologie La pose des blocs artificiels, postérieure à la costructio du oyau et des sous-couches, peut deveir u facteur limitat (temps de pose, qualité, ) pour l'avacemet des travaux. Afi de décrire plus facilemet les différets arragemets, o présete ue vue virtuelle du pla de pose des blocs (SAFARI, 2011). Différets cofiguratios de pose sot exposées das les paragraphes suivats. Il coviedra das u premier temps de déposer ces blocs au voisiage les us des autres et puis aussi parfois par traslatio (limitée) d'imbriquer les blocs les us aux autres. Das cette étude, o propose deux techiques de placemet : - U placemet "régulier" ou "uiforme" ; - U placemet "alteratif" ou "spécial". 793

4 Thème 4 Ouvrages portuaires et offshore 3.1 Placemet "régulier" ou "uiforme" Suivat la première attitude, tous les blocs sot disposés côte à côte das ue attitude parfaitemet idetique et régulière. La figure suivate motre ue successio de schémas illustrat cette techique. U ombre miimum de blocs et ue imbricatio faible etre les blocs caractériset ce pla de pose. La figure motre ue vue supérieure de cet agecemet (figure 1-a). La deuxième méthode est mise e oeuvre de faço similaire à la première méthode. Par cotre, le bloc de la deuxième ragée se place das l'iterstice des deux blocs situés e dessous, de telle sorte que les pattes du bloc situées vers le bas touchet les deux pattes des blocs iférieurs (figure 1-b). 3.2 Placemet "alteratif" ou "spécial" Das cette cofiguratio, les blocs sot agecés de faço régulière pour la première lige. La patte "C" est vers le haut, parallèlemet à la lige de plus grade pete du talus, et pour la ragée du bas, seules les pattes "A" et "B" touchet la sous-couche. Le premier rag état e place, le premier bloc de la deuxième ragée se positioe das le "creux" de deux blocs situés e dessous. E fait, la patte "C" est das le ses iverse de la première couche. A cette place, il se trouve verrouillé par deux blocs, ce qui lui empêche toute traslatio latérale. La pose de tels blocs fourit u bo echevêtremet et le maximum de poits de cotacts etre les blocs voisis (figure 1-c). Pour ue deuxième cofiguratio étudiée, la pose de la première ragée est détermiate. O pose le bloc sur les deux pattes vers le bas et ue patte vers le haut. Les blocs adjacets sot placés de la même maière. Les blocs des ragées supérieures serot placés das le ses iverse de la première ragée. O pose le bloc sur ue patte vers le bas et deux pattes vers le haut. Puis, il sera ameé par traslatio vers le "creux" etre les blocs iférieurs (figure 1-d). Le tableau 1 suivat sythétise les caractéristiques des plas de pose étudiés. Afi d'avoir ue boe estimatio de l'espace vide existat etre les blocs, huit coupes sot réalisées e épaisseur à des poits critiques (extrémités et milieu de la carapace, poits de cotact) (figure 2). Ces coupes ot été effectuées parallèlemet à la pete du talus. D'autre part, ces coupes ous permettet de calculer la porosité surfacique das chaque pla et aussi d'observer les poits de cotacts etre des blocs. La porosité volumique peut se calculer à partir de la porosité surfacique et l'épaisseur de deux coupes cosécutives. L'espacemet maximum horizotal etre deux cetres de gravité de deux blocs voisis est idetique pour tous les plas de pose ( D H =71,37 mm). Par cotre l'espacemet maximum vertical ( D V ) est variable (Tableau 1). Pour les plas de pose "3" et "4", cet espacemet est aussi différet avec des attitudes différetes (figure 1). 794

5 XII èmes Jourées Natioales Géie Côtier Géie Civil Cherbourg, jui Résultats Les pricipaux résultats des mesures pour détermier la porosité pour les différets plas de pose sot présetés sur les figures suivates. Das ces figures, o présete deux otios de porosité : la porosité volumique et la porosité surfacique. O réalise des coupes du bloc das des sectios parallèles à la pete qui ous permettet d'obteir soit la porosité volumique soit la porosité surfacique de chaque coupe (c'est-àdire : pour chaque sectio effectuée e parallèle de la pete, o peut mesurer l'aire ( A p ) occupée par les pores). E observat les figures suivates, o costate la variatio de la porosité das l'épaisseur e foctio du pla de pose. E effet, la variatio iduite par les différetes "plas de pose" est sigificativemet plus importate que la "variabilité aturelle pour u même pla de pose". Figure 1. Schéma des différets plas de pose étudiés. Tableau 1. Caractéristiques des différets plas de pose Pla de pose Nombre de blocs Epaisseur de la carapace 1, 39D 1, 39D 1, 39D 1, 39D adimesioelle [ Ec f( D) ] Porosité surfacique miimum 41,27 52,57 33,93 40,65 Porosité volumique miimum 59,40 67,21 54,32 59,51 Espacemet maximum horizotal 19D 19D 19D 19D Espacemet maximum vertical 14D 10,34D 5,7D 11D 13,1D 10,39D Poit de cotacts

6 Thème 4 Ouvrages portuaires et offshore Figure 2. Vue e perspective d'ue carapace costituée par des blocs et emplacemet des coupes parallèle à la pete. D'autre part, o observe aussi que la porosité surfacique les plus élevées se situe plutôt aux extrémités et que les plus petites porosités se trouvet au sei du massif : la porosité surfacique est dissymétrique au sei du massif. Tout d'abord, o ote que la valeur miimum de porosité surfacique se situe pour ue profodeur d 0,40D pour le pla de pose "3", doc la carapace deviet mois perméable et u ombre de blocs employé plus importat que prévu. O remarque égalemet que la décroissace de porosité au-delà de ce poit est plus rapide. a-porosité surfacique b-porosité volumique Figure 3. Comparaiso de la valeur de porosité de carapace. Par cotre, le pla de pose "2" a u maximum de porosité et u miimum de poits de cotact doc ue stabilité iférieure comparée à d'autres plas de pose. Cepedat, le ombre de blocs utilisé sur la carapace est iférieur aux autres plas de pose. La décroissace de porosité à l'extérieur de la carapace est progressive et faible. 796

7 XII èmes Jourées Natioales Géie Côtier Géie Civil Cherbourg, jui 2012 E examiat les figures 1 et 3, o peut oter le fait que les différets plas de pose egedret ue différece importate sur la porosité et aussi sur le ombre de blocs utilisés. Par cotre, o observe cepedat ue différece porosité de pose pour les plas de pose "1" et "4" e sachat que le ombre de blocs utilisés est le même. Les figures "1-a"-"1-d" motret égalemet d'autres paramètres importats qui jouet sur la stabilité de bloc, c'est-à-dire l'imbricatio, caractéristique favorable à la stabilité du bloc. E fait, ces plas de pose permettet de calculer le ombre de poits de cotact et doc das ue certai mesure le degré d'imbricatio. E effet, le degré d'imbricatio est lié e partie au ombre de poits de cotact d'u bloc avec ses voisis das ue carapace. Das ces coditios, ue forte imbricatio est observée das le pla de pose "3" ce qui permet d'atteidre ue forte stabilité d'équilibre des élémets vis-à-vis d ue sollicitatio hydraulique géérée par la houle. A partir de ce travail, le tableau 2 suivat regroupe les pricipaux résultats qui sot à l'origie des plas de pose proposée. Il s'agit d'ue évaluatio très sommaire doat des tedaces de groupe à l'itérieur desquels le pla de pose peut éamois préseter des performaces très différetes. La porosité de la carapace pour la méthode régulière (plas de pose "1" et "2") est supérieure à la méthode alterative (plas de pose "3" et "4"). Par cotre, l'imbricatio etre les blocs est dimiuée. O ote que la stabilité du pla de pose régulier est iférieure à celle le pla de pose alteratif. Cepedat, le ombre de blocs utilisés sur la carapace est iférieur au pla de pose alteratif. Le coût de costructio est aisi dimiué. L'esemble de ces résultats serot très utiles pour la mise e place de la carapace lors des essais expérimetaux, aisi que pour ue meilleure compréhesio des phéomèes observés (visat à ue optimisatio de la performace du bloc). A la fi, Il est importat de oter que les résultats présetés sot valable uiquemet pour le bloc étudié, quoique la méthode exploitable pour l esemble des blocs artificiels. Tableau 2. Relatios etre la géométrie et les paramètres de base du bloc (Abréviatio : N b : Nombre du bloc, E c : Epaisseur de la couche, E i : Imbricatio, F p : Facilité de pose, P o : Porosité, P r : Perméabilité, F r : Frachissemet/- : faible, +- : moye, + : fort, ++ : très fort) N b E c E i F p P o P r F r Pla de pose

8 Thème 4 Ouvrages portuaires et offshore 5. Coclusios Pour mettre e évidece l ifluece du pla de pose de blocs sur les caractéristiques des couches de carapace, o réalise des mesures de paramètres (épaisseur, porosité ) avec différets plas de pose avec u seul type de bloc à l aide d u modèle umérique de DAO. Pour ce faire, o défiit différets pla de pose de blocs sur le talus (vis- à-vis de l espacemet et de l attitude des blocs). U cocept théorique iitial, associé à u modèle umérique (DAO) et des travaux expérimetaux motre qu ue grade porosité volumique (ou globale) favorise la péétratio de l'écoulemet à travers la carapace et das le filtre, l'ouvrage est doc davatage perméable, les ascesios "ru-up" et descetes "ru-dow" sot plus faibles et doc les vitesses d'écoulemet le log du talus s'e trouvet dimiuées. Aisi, lorsque l'o désire réduire la trasmissio de la houle, la porosité élevée doit être requise. Il faut remarquer que la réductio de la porosité risque de réduire la stabilité des blocs, du fait du soulèvemet de blocs par les pressios qui se développet à l'itérieur de la digue. La surface de moidre porosité semble détermiate cocerat les différetiels de pressios les plus dommageables et doc pour la stabilité des blocs cosidérés sous l'agle des sous-pressios géérées par les défauts de perméabilité. 6. Référeces bibliographiques CEM (2002). Coastal Egieerig Maual (CEM). I U.S. Army Corps of Egieers, Vicksburg, Mississippi, USA, 335 p. CETMEF (2007). Guide erochemet : L'utilisatio des erochemets das les ouvrages hydrauliques. Versio fraçaise du Rock Maual, CETMEF, Compiège, 1302 p. DE GROOT M.B., YAMAZAKI H., VAN GENT M.R.A., KHEYRURI Z. (1994). Pore pressures i rubble moud breakwaters. Proc. 24 th It. Coferece o Coastal Egieerig, Kobe, Japa, ASCE, Vol. 2, pp LATHAM J.P., NEWBERRY S., MANNION M., SIMM J., STEWART T. (2002). The void porosity of rock armour i coastal structures. Proc. of the ICE-Water ad Maritime Egieerig, Vol. 154, pp MUTTRAY M., REEDIJK B., VOS-ROVERS I. BAKKER P. (2004). Placemet ad structural stregth of Xbloc ad other sigle armour uits. ICE Coastlies, Structures ad Breakwater 2005, Lodo. OEVER E.T., VERHAGEN H.J., KLABBERS M., REEDIJK B. (2006). Theoretical ad experimetal study o the placemet of Xbloc armour uits. Proc. 30 th It. Coferece o Coastal Egieerig, Sa Diego, Califoria, USA, pp SAFARI I., (2011). Aalyse de la performace hydraulique d u ouveau type de bloc artificiel utilisé pour la protectio côtière. Thèse de doctorat, Uiv. de Cae, 233 p. 798

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