LE CANAL PARTICULAIRE : UN OUTIL D’ETUDE DU CHARRIAGE A 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. L’écartement entre les deux plaques peut varier de 3 à 60 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. 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. Plusieurs distributeurs de billes de verre à flux constant couvrant une gamme variable de flux solides et de diamètres permettent l’étude de la ségrégation.
Un système de traitement d’images (éclairage backlight, caméra rapide, suite d’algorithme sous WIMA puis MATLAB) 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 http://www.theses.fr/2017LYSES008). 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). Actuellement, le canal est utilisé pour l’étude d’un intrus dans un lit de particules fines (Thèse de H. Rousseau et B. Dedieu en partenariat avec J. Chauchat, LEGI, Grenoble).