Le canal particulaire : un outil d’étude du charriage à forte pente

Lors de fortes pluies, le charriage de sédiments devient un important facteur de risque naturel. Dans un torrent, le débit volumique de matière transportée atteint parfois jusqu’à 20 % du débit d’eau écoulé. En conséquence, l’avènement d’une crue torrentielle engendre une modification importante de la taille du lit, entraînant parfois un dépôt massif de sédiments sur les terres environnantes.

Pour mémoire, un exemple typique d’inondation majeure est la crue de la Saltine (Canton du Valais en Suisse), qui se produisit en 1996, causant deux morts à Brigue. Afin de protéger les populations de montagne, il apparaît donc nécessaire d’appréhender les mécanismes du charriage.

Objectifs scientifiques

La compréhension réelle du transport solide par charriage au-delà de la simple description pose de sérieuses difficultés. Les formules semi-empiriques tombent rapidement en défaut dès que l’écoulement se produit au voisinage du seuil de transport et plus particulièrement lorsque la granulométrie des sédiments est étendue. La principale raison des difficultés rencontrées dans l’étude du transport solide tient à l’existence de plusieurs échelles d’espace et de temps. Le problème doit parfois se traiter de manière discrète, par exemple lors de la mise en mouvement alors que, d’autres fois, des approches type milieux continus sont efficaces. Pour progresser dans la compréhension des processus, un canal spécifique étroit a été spécifiquement conçu pour l’étude à l’échelle de la particule des interactions complexes entre particules en mouvement, lit mobile et écoulement d’eau et, plus généralement, du couplage entre phases solide et fluide.

Dispositif expérimental

Il s’agit d’un canal d’écoulement à pente, largeur et fond variables et d’une longueur de 2 m. Ce canal est constitué de profils d’aluminium entre lesquels sont serrées deux plaques de verre, de planéité imposée. Ces vitres ont une hauteur de 20 cm et une épaisseur de 1 cm. L’écartement entre les deux plaques peut varier de 3 à 25 mm.

À l’amont du canal, un système de guides verticaux permet de régler la pente d’inclinaison de 0 à 20 degrés par rapport à l’horizontale. Le fond est amovible et interchangeable : il est possible de travailler avec un fond fixe, usiné (avec différentes rugosités de taille et de forme), ou avec un fond mobile, composé de particules solides (entraînées par l’écoulement d’eau).

Ce canal est alimenté conjointement en eau et en billes de verre. Il a permis d’étudier des flux bidimensionnels (même largeur de canal que le diamètre des billes). La régularité du débit liquide est assurée par un réservoir à charge constante. Deux distributeurs de billes de verre à flux constant couvrant une gamme variable de flux solides (typiquement de 5 à 30 billes/s) et de diamètres permettent l’étude de la ségrégation.
Un système de traitement d’images (éclairage backlight, caméra rapide, suite d’algorithme sous WIMA) a été développé en collaboration avec le laboratoire Hubert Curien de St Étienne, afin de déterminer les principales caractéristiques de l’écoulement et les trajectoires de particules solides (thèse H. lafaye de Micheaux). Il a servi tout d’abord dans le cas de l’étude du mouvement d’une seule bille (thèse F. Bigillon) puis dans le cas du suivi d’une collection de particules sur lit mobile (thèse T. Böhm) et le suivi de mélanges bidisperses (thèse V. Hergault). Plus récemment, il a permis d’étudier l’infiltration de particules fines en fonction du ratio de tailles et de la proportion de fines (thèse A. Dudill en co-tutelle avec M. Church, University of British Columbia, dept of Geography, Vancouver, Canada).

 

Figure 1 : Schéma du canal et des distributeurs de particules (Schéma Böhm, modifié par Hergault)
Figure 2 : Visualisation du charriage à forte pente à l’échelle de la particule (Photo Hubert Raguet)
Figure 3 : Ségrégation obtenue avec un mélange bidisperse (diamètres 4 et 6 mm, pente 10 %, largeur 6.5 mm) (Photo Hubert Raguet)
Figure 4 : Exemple de calcul de trajectoires par analyse d'images - collaboration avec C. Ducottet, laboratoire Hubert Curien (Photo Philippe Frey)

Programme en cours

Projet ANR SegSed (coord. Philippe Frey) Tri granulométrique en Transport de Sédiments

Collaborations

Publications

Basées sur des données obtenues dans ce canal particulaire

  • Dudill, A., Lafaye de Micheaux, H., Frey, P., Church, M., in press. Introducing finer grains into bedload: the transition to a new equilibrium. Journal of Geophysical Research: Earth Surface, doi:10.1029/2018JF004847.
  • Lafaye de Micheaux H, Ducottet C, Frey P. 2018. Multi-model particle filter-based tracking with switching dynamical state to study bedload transport. Machine Vision and Applications 29(5): 735-747.
  • Dudill A, Frey P, Church M. 2017. Infiltration of fine sediment into a coarse mobile bed: A phenomenological study. Earth Surface Processes and Landforms 42(8): 1171-1185.
  • Maurin R, Chauchat J, Chareyre B, Frey P. 2015. A minimal coupled fluid-discrete element model for bedload transport. Physics of Fluids 27(11): 113302.
  • Frey P. 2014. Particle velocity and concentration profiles in bedload experiments on a steep slope. Earth Surface Processes and Landforms 39 (5): 646-655.
  • Hergault V, Frey P, Métivier F, Barat C, Ducottet C, Böhm T, Ancey C. 2010. Image processing for the study of bedload transport of two-size spherical particles in a supercritical flow. Experiments in Fluids 49: 1095-1107.
  • Frey P, Church M. 2009. How River Beds Move. Science 325: 1509-1510.
  • Ancey C, Davison AC, Böhm T, Jodeau M, Frey P. 2008. Entrainment and motion of coarse particles in a shallow water stream down a steep slope. Journal of Fluid Mechanics 595: 83-114.
  • Böhm, T., P. Frey, C. Ducottet, C. Ancey, M. Jodeau, and J.-L. Reboud, 2006: Two-dimensional motion of a set of particles in a free surface flow with image processing. Experiments in Fluids, 41, 1-11.
  • Böhm, T., C. Ancey, P. Frey, J. L. Reboud, and C. Ducottet, 2004: Fluctuations of the solid discharge of gravity-driven particle flows in a turbulent stream. Physical Review E, 69, 061307, 1-13
  • Ancey, C., F. Bigillon, P. Frey, J. Lanier, and R. Ducret, 2002: Saltating motion of a bead in a rapid water stream. Physical Review E, 66, 036306, 1-16.

Thèses, HDR

 

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Philippe Frey (HDR)
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Spécialités : Mécanique des fluides, hydraulique, transport de sédiments, morphodynamique, risque torrentiel