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Les risques naturels en montagne

En période de crues, des tonnes de sédiments arrachés aux versants d’altitude sont transportées par les torrents jusqu’aux vallées.

On parle de transport solide par charriage ou suspension des sédiments. La rupture de l’équilibre sédimentaire peut avoir des conséquences lourdes en aval, comme des déstabilisations de berges, des effondrements de digues, des obstructions de ponts, etc.

À Irstea à Grenoble, les travaux à la croisée de la recherche fondamentale et de la recherche finalisée permettent d’analyser le phénomène de charriage de l’échelle de la particule à celle de la rivière.

Améliorer les techniques de mesures

De l'échelle de la particule à l'échelle du tronçon de rivières
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Charriage torrentiel et risques naturels : quels liens ?

Les chercheurs en parlent :

© M. Chiari

Améliorer les techniques de mesures

L’étude du charriage des sédiments représente encore aujourd'hui un véritable défi scientifique. Si un réseau de stations hydrologiques permet aujourd’hui de mesurer les débits liquides de la plupart des cours d’eau, la mesure du transport solide en crue reste techniquement impossible. Les ingénieurs doivent faire confiance aux prédictions des formules de transport. À Irstea, les travaux ont pour objectif d’améliorer la fiabilité de ces formules, de comprendre les fluctuations des flux solides associées au charriage et de les quantifier. Ces études sont faites à partir d’essais réalisés en canal expérimental au laboratoire. Il s'agit de reconstituer le lit d'une rivière dans un canal inclinable d'une pente jusqu'à 20 %, délimité par des parois transparentes.

Ce lit sédimentaire est alimenté en amont par un débit constant d'eau et de particules, et son évolution est suivie dans l’espace et dans le temps. Différentes techniques d’analyse d’images vidéos rapides permettent des mesures très fines des variations du transport solide par charriage.

Système de caméra qui permet de mesurer le débit solide en sortie de canal expérimental

De l'échelle de la particule à l'échelle du tronçon de rivières

À l'échelle de la particule

Comment les paramètres de l’écoulement tels que le débit et la pente, ou ceux liés à la rugosité du lit, influencent-ils les modes de transport des sédiments ? Comment les particules charriées interagissent-elles entre elles et avec les graviers mobiles constituant le fond de la rivière ? Pour répondre à ces questions, les chercheurs ont conçu un canal expérimental étroit à l'échelle de la particule  permettant d’étudier les flux solides. Le processus est complexe. Les travaux se sont tout d’abord focalisés sur une seule taille de particules, des billes de verre de 6 mm de diamètre, dont le mouvement sur un fond fixe ou mobile a été filmé par une caméra rapide. En zoomant sur le processus de charriage, les scientifiques ont identifié un mouvement collectif des particules en roulement, sur des intervalles de temps très courts et réguliers. Aujourd’hui, les travaux prennent en compte deux tailles de particules, 4 mm et 6 mm. L’enjeu est de mieux comprendre le mode de ségrégation des sédiments en fonction de leur granulométrie, processus majeur intervenant au cours du charriage.

À l’échelle du tronçon de rivière

Les effets du tri granulométrique sur le transport solide par charriage ont aussi été étudiés sur un modèle réduit de tronçon de rivière : un canal expérimental de 6 m de long sur 0,25 m de large. Ces travaux menés à une échelle classique en hydraulique ont connu un véritable essor à Irstea grâce au développement de dispositifs originaux. Pour contrôler les flux solides d’entrée, les scientifiques ont conçu un distributeur délivrant un flux constant de sédiments de différentes tailles. En sortie de canal, un dispositif GDS (pour Granulométrie-Débit Solide) fondé sur une analyse d’image à haute fréquence permet de mesurer quasi instantanément le débit solide et la granulométrie. Les essais réalisés sur différents mélanges de matériaux non uniformes ont mis en évidence des fluctuations périodiques du débit solide, de l’état du lit et de sa pente moyenne. Deux sortes de fluctuations ont été observées : des fluctuations courtes associées au passage de nappes de charriage et des fluctuations longues affectant profondément la morphologie du lit.

Ces travaux ouvrent de nouvelles perspectives de recherche, avec la volonté d’intégrer les résultats obtenus dans un même modèle, aux différentes échelles d’expérimentation. En complément à ces essais en canal expérimental, des mesures sont aujourd'hui réalisées sur différentes rivières alpines dans le cadre du projet ANR GESTRANS.

© J.R. Malavoi

Charriage torrentiel et risques naturels : quels liens ?
Dans les zones à forte pente (à partir de 2 %), le lit des cours d'eau est sans cesse en mouvement. Sous l’action du courant, les sédiments se déplacent par roulement, glissement ou saut sur de courtes distances, en restant très proches du fond. On parle de transport solide par charriage. Lors de fortes pluies, le charriage des sédiments devient un important facteur de risque naturel. À l'amont, l'énergie des écoulements peu chargés en matériaux solides favorise d’intenses processus érosifs. À l'aval, lorsque la pente diminue, les sédiments en excès se déposent et rehaussent le niveau des cours d'eau. L'érosion ou à l'inverse le dépôt des sédiments se manifeste parfois sur plusieurs mètres de haut !

Une évolution cyclique du lit du cours d'eau

 

Vers de nouveaux outils d’aide à la décision

Témoignage d'Alain Recking
Unité de recherche : Érosion torrentielle, neige et avalanches, Grenoble

"Avec une réglementation en perpétuelle évolution (directive cadre européenne 2000/60/CE) la gestion des cours d'eau devient de plus en plus compliquée car elle doit à la fois prendre en compte les risques d'inondation à court terme et les objectifs environnementaux à long terme. Ces objectifs souvent conflictuels rendent la prise de décision souvent difficile. En outre sur le terrain, techniciens et décideurs manquent encore d’outils permettant d'évaluer la dynamique sédimentaire. Pour tenter d’apporter des réponses concrètes à ce problème complexe et transversal, le projet GESTRANS (2010-2012) a associé les compétences des ingénieurs, géographes, géophysiciens et sociologues. Les travaux menés à la fois au laboratoire et sur différents sites alpins mettent en œuvre des technologies de pointe : mesure directe du charriage par hydrophone, technologie lidar pour suivre l'évolution morphologique du lit du cours d'eau, analyse d'images pour étudier la granulométrie du lit, etc. Le volet sociologique du projet prévoit d’analyser les comportements des populations et des décideurs face aux risques liés aux dépôts sédimentaires et à leur gestion sur le long terme, à l’échelle de la rivière. Piloté par lrstea, le projet fédère quatre laboratoires scientifiques, la direction départementale des territoires de l'Isère et l'Université de la Colombie Britannique."

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Témoignage de Vito Bacchi
Unité de recherche :
Érosion torrentielle, neige et avalanches, Grenoble

"Ma thèse a pour principal objectif de comprendre le rôle du tri granulométrique sur les écoulements et le transport solide à de fortes pentes (autour de 10 %). Comme il est difficile de décrire et de quantifier les phénomènes directement dans les torrents, je travaille exclusivement en canal expérimental.

En amont, le canal est alimenté par un débit constant de particules mélangées à de l'eau. J'utilise des sédiments de tailles variables représentées par 6 classes de diamètre allant de 1 mm à 25 mm. Chaque taille de particule est décelable à l'œil nu selon sa couleur (rouge, vert et bleue pour les cailloux les plus gros, variation de teintes naturelles pour les autres). Grâce à des caméras disposées au-dessus, sur les côtés et en sortie de canal, j'analyse l'évolution de la morphologie du lit. Les particules de surface forment des structures caractéristiques, comme par exemple des "step-pool". Au cours du temps, ces structures se désagrègent peu à peu et se reforment de manière cyclique à différents endroits du lit du canal. Un autre volet concerne l'analyse de la granulométrie de surface. Il s'agit d'un paramètre important à étudier car c'est le mouvement de cette couche superficielle qui intervient au premier plan dans les phénomènes de transport par charriage."