Etude expérimentale de l érosion de contact au sein des digues

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1 Etude expérimentale de l érosion de contact au sein des digues Rémi BEGUIN Doctorant en 2 ème année de thèse Directeurs de thèse : Yves-Henri FAURE ( Equipe TRANSPORE- LTHE ) Pierre PHILIPPE ( Cemagref Aix en Provence ) Encadrement EDF : Jean-Robert COURIVAUD LTHE, Saint Martin d Hères, le 11 mars 2010

2 2 Introduction 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

3 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

4 4 Dispositif expérimental Dimensions de la cellule : 30x70x25 cm Charge constante : ~2m Débit maximum : 1.4l/s

5 5 Bac à niveau constant Acquisition Débitmètre Turbidimètre Cellule Mise en pression de la vessie Pompe

6 6 Sols testés, littérature Brauns (1985), Wörman (1992), Van Der Meulen (1984), De Graauw (1983) Sols fins : B1 : Argile (Illite) B2 : Limon d Orly B3, B5 : Mélanges de sable et de 20% et 10% d Illite B4 : Sablon de l Isère B6: Mélange de sable et de 25% de Sablon B7 : Sable de Fontainebleau (NE34) Sols grossiers : C1 à C4 : Graviers de 2 à 15mm

7 7 Observations Sens de l écoulement T=0min Vitesse = 2,4cm/s T=20min T=50min

8 8 Résultat expérimental typique Vitesse critique, définie par une turbidité non nulle après 30min de palier u (cm/s) Érosion transitoire, brefs pics de turbidité Érosion importante, modification de la géométrie de l interface

9 9 Processus d érosion de contact Érosion de surface particulière Observations : - Transport par charriage sur une épaisseur de grain grossier - Transport en suspension dans toute la couche de sol grossier Seuil d initiation de l érosion? Cinétique de l érosion?

10 10 Seuil d érosion en fonction de la granulométrie du sol fin + = ² H H w w s cr d gd n u β ρ ρ ρ Guidoux et al, 2010 Gravier d 50 =20mm

11 11 Seuil d érosion en fonction du D 50 du gravier - Peu dépendant de la granulométrie du gravier - Régime de Forchheimer

12 12 Adaptation de modèles d érosion d Argiles : Matériau cohésif Le détachement contrôle le processus Limons Sables : Matériau non-cohésif La capacité de transport contrôle le processus ker ( τ τ C ) si τ > τ c ε = 0 sinon Modèles semi-empiriques basés sur le nombre de Shields, modèles diphasiques Exemples Sablon de l Isère : τ 15 Pa c s 4 ker 3.10 / m Limon d Orly : τ 1 Pa c 3 ker 2.10 s / m Sollicitation hydraulique sur le sol fin?...

13 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 :

14 14 Evolution dans le temps : sols à granulométrie étendue Sol naturel à granulométrie étendue : Pavage de surface qui ralentit l érosion

15 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

16 16 Étude à échelle micro de l érosion de contact 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? )

17 17 Banc d essais Billes de borosilicate Nappe laser Cellule de 8x8x40cm Pompe à engrenage : Débit constant

18 18 Milieu iso-indice Ajuster l indice de réfraction des deux milieux pour éviter la diffraction (Loi de Descartes) Billes de verre n1=1,5 Eau n2=1 n1 # n2 Billes de verre borosilicate n1=1,414 Huiles minérales n2=1,414 n1 = n2

19 19 Particle Image Velocimetry 50 im/sec 500 images 1024x1024? Image brute

20 20 Champ de vitesse

21 21 Résultats : Profils de vitesse et de porosité Variabilité spatiale importante Corrélation porosité / Vitesse

22 22 Distributions de vitesse : Vitesses horizontales Vitesses verticales Données d entrée pour un modèle d érosion? τ ˆ x τ x Contrainte de cisaillement

23 23 Modélisation de l érosion de contact pour un sol cohésif On suppose une loi d érosion locale de la forme : On utilise la distribution de contrainte comme entrée : ker ( τ τ C ) if τ > τ c ε = 0 otherwise Sollicitation ε Loi globale Loi locale Résistance du sol τ Possibilité d enrichissement du modèle avec - une distribution de résistance - évolution de la résistance au cours de l érosion Sollicitation Résistance du sol ε Temps

24 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

25 25 Essais à grande échelle à la CNR (Lyon) Largeur : 3-4m ~ 8m Limon compacté Recharge pour la stabilité 3 1 2m Echantillonage Gravier (20cm) Instrumentation : - Topographie - Turbidité -Débit

26 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 Geoenvironmental Engineering» Communications orales : European Work Group on Internal Erosion 2009, Congrès Français de Mécanique 2009, Comité Français de Mécanique des sols

27 27 Merci de votre attention!