Modélisation 3D de la stabilité mécanique des pentes forestières & application à l éco-

Transcription

1 Modélisation pour les ressources naturelles INRA, Montpellier juin 2008 Labo Bot Modélisation 3D de la stabilité mécanique des pentes forestières & application à l éco- ingéni niérie & Eco Vég N. Kokutse, T. Fourcaud, K. Kokou, A. Stokes

2 introduction (1) catastrophes naturelles : glissements de terrain, éboulements,

3 introduction (2) lutte contre l érosion & les glissements de terrain renforcement des sols en pente STRUCTURES DE GENIE CIVIL PLANTES gabions béton herbacées arbres

4 introduction (3) Utilisation des plantes: approche douce et verte éco-ingénierie techniques d utilisation des plantes pour le renforcement à long terme d une pente ou d un site exposé à un risque naturel (Coppins & Richards, 1990)

5 introduction (4) pentes végétalisées : comment s assurer de la stabilité? analyses de stabilité renforcement racinaire homogène Modèles 2D inappropriés Pourquoi? Modèle 2D MEF, résolution numérique EDP découlant des lois

6 introduction (5) pente boisée -distribution spatiale non continue des systèmes racinaires -forte hétérogénéité dans la morphologie des systèmes racinaires d arbres (Dupuy, 2003) sources de variations: choix du forestier, génétique x environnement

7 Cadre du travail: Peuplement forestier Objectif: Analyser l impact de l hétérogénéité spatiale de la structure forestière sur la stabilité mécanique d un versant Méthode: Modélisation EF 3D & analyse numérique

8 PLAN 1- Modèle 2- Analyses d impacts structure de plantations monospécifiques structure de peuplements mixtes Conclusion

9 PLAN 1- Modèle 2- Analyses d impacts structure de plantations monospécifiques structure de peuplements mixtes Conclusion

10 concepts (1) Arbres & sol: interactions mécaniques et hydrauliques paramètres hydrauliques

11 concepts (2) Arbres & sol: interactions mécaniques et hydrauliques paramètres mécaniques

12 concepts (3) Principes: critère de plasticité d un sol & rupture d une pente Critères de plasticité Mohr-Coulomb, Drucker- Prager, Stabilité: facteur de sécurité rupture C: cohésion du sol σ: contrainte normale (charge gravitaire, surcharges) disponible Φ:angle de frottement interne, τ = C + σ tan φ FS = τ disponible Mohr-Coulomb τ rupture

13 concepts (4) Mécanisme de renforcement racinaire racine fine : ~ câble & racine de structure: ~ poutre T r A r / A θ φ S = T r ( A / A)(sinθ + cosθ tanφ) Résistance moyenne à la traction r Fraction de sol occupée par les racines fines RAR Angle de déformation de la racine Angle de frottement interne du sol ~1.2 gain de résistance = cohésion additionnelle (Wu & al, 1979)

14 modèle (1) Etape 1: Entrées: répartition spatiale, morphologie racinaire, Etape 2: Paramétrisation: pente, blocs, distribution spatiale, Etape 3: Calculs MEF (Abaqus) Etape 4: Variables de sorties: zone de rupture, facteur de sécurité, volume de sol mobilisé

15 modèle (2) Etape 1: Entrées: répartition spatiale, morphologie racinaire, Etape 2: Paramétrisation: pente, blocs, distribution spatiale, Etape 3: Calculs MEF (Abaqus) Etape 4: Variables de sorties: zone de rupture, facteur de sécurité, volume de sol mobilisé

16 modèle (3) Paramétrisation (pente, blocs renforcés) & calculs MEF morphologies racinaires modèles C=C sol +C racines Kokutse & al, 2006 Calculs MEF Abaqus

17 modèle (4) Distribution spatiale des morphologies racinaires rectangle quinconce quelconque

18 modèle (5) Etape 1: Entrées: répartition spatiale, morphologie racinaire, Etape 2: Paramétrisation: pente, blocs, distribution spatiale, Etape 3: Calculs MEF (Abaqus) Etape 4: Variables de sorties: zone de rupture, facteur de sécurité, volume de sol mobilisé

19 modèle (6) Calcul de la variable quantitative FS modules python: construction des modèles (C i, Ф i ) Abaqus : calculs MEF des U i pour une configuration (C i, Ф i )

20 modèle (7) Calcul de la variable quantitative facteur de sécurité Cinit Crupt FS = C C init rupt

21 modèle (8) Calcul de la variable quantitative volume de sol mobilisé estimation par intégration volumique surface du sol y 1- délimiter la surface de rupture : critère de déplacements max des nœuds 2- découper la zone de rupture en trapézoïdes 3- calculer le volume V i de chaque trapézoïde

22 PLAN 1- Modèle 2- Analyses d impacts structure de plantations monospécifiques structure de peuplements mixtes Conclusion

23 Analyse de sensibilité plans d expériences numériques: optimisation du nombre d essais, modèle quadratique avec interactions = = = = = + = = = = ². i i i i i i j i j j i ij i i i i x c x x b x a a FS a i, b i, c i : coefficients x i : paramètres analyse paramétrique (1)

24 analyse paramétrique (2) Analyse de sensibilité paramètres de l étude: paramètres de la plantation - distributions spatiales des arbres: pattern, densité - écartements entre arbres morphologies racinaires, R, Z, C racines

25 résultat (1) résultat de l étude : variation du FS pour les patterns de plantation différences d écartements dans la direction de la pente

26 résultat (2) résultat de l étude : synthèse sur le degré de stabilité paramètres morphologie racinaire motif de plantation écartement dans la direction de la pente variation de 50 % cohésion due aux racines variation de 80 % profondeur du système racinaire variation de 50 % performances ou effets moyens pivot > cœur > plaque rectangle > quinconce +23.8% du FS + 19 % du FS % du FS

27 résultat (3) résultat de l étude : synthèse sur le degré de stabilité paramètres morphologie racinaire motif de plantation écartement dans la direction de la pente variation de 50 % cohésion due aux racines variation de 80 % profondeur du système racinaire variation de 50 % performances ou effets moyens pivot > cœur > plaque rectangle > quinconce +23.8% du FS + 19 % du FS % du FS

28 résultat (4) résultat de l étude : volume de sol mobilisé à la rupture remontée des chemins de plus faible résistance

29 résultat (5) résultat de l étude: remontée des chemins de plus faible résistance Pivot Cœur Plaque

30 PLAN 1- Modèle 2- Analyses d impacts structure de plantations monospécifiques structure de peuplements mixtes Conclusion

31 étude sur site (1) étude sur 2 sites au Togo zone forestière & montagneuse site K site A

32 étude sur site (2) collecte de données en plusieurs phases - morphologie de la pente, - root area ratio - poids des arbres - essais de cisaillement sur les sols cartographie (distribution spatiale) essai de traction morphologie racinaire

33 étude sur site - résultat (1) résultat sur les peuplements mixtes FS ~ 17% FS ~ 10% stabilité: les arbres seraient plus utiles en bas de versant qu en haut de versant. Confirmation par des études ultérieures!!!

34 étude sur site - résultat (2) résultat sur les peuplements mixtes: zones de rupture pente A pente K

35 PLAN 1- Modèle 2- Analyses d impacts structure de plantations monospécifiques structure de peuplements mixtes Conclusion

36 conclusion & perspectives 1- Modélisation EF 3D, approche innovante pour répondre à des questionnements d aménagements des versants boisés: structure explicite du peuplement forestier (morphologie racinaire des espèces, répartition spatiale des arbres, etc.) 2- Améliorations, couplages avec d autres modèles: potentiel hydrique des racines, pluviométrie, dynamique de la croissance forestière. 3- Informations pour outils d aides à la décision (SDSS, JDSS)

37 Merci