Hugo ROUSSEAU

Soutenance en 2021

De l’échelle granulaire à la modélisation continue du phénomène de ségrégation par taille en transport par charriage : étude théorique et expérimentale

Encadrants : Philippe Frey, Julien Chauchat

Résumé :
Dans les rivières, le transport de sédiments s’opère sous deux régimes. D’une part les sédiments transportés en suspension dans l’eau et d’autre part le charriage, représentant les particules transportées sur le fond du cours d’eau.En montagne où les pentes sont fortes, lors de pluies intenses, le débit d’eau augmente significativement et le transport par charriage peut devenir intense, modifiant fortement la forme du cours d’eau et causant parfois de nombreux dégâts environnementaux et publics. Face à ce danger, prédire l’évolution morphologique de la rivière par le charriage est primordiale. Pourtant, après plus d’un siècle de recherche, ce phénomène reste mal compris.L’une des raisons provient du tri par taille, aussi appelé ségrégation par taille, qui s’opère entre les grains en mouvement. Ce phénomène provient d’interactions à l’échelle granulaire mais impact sensiblement le taux de transport des sédiments et ainsi la forme des cours d’eau.Si la physique des milieux granulaires semble indispensable pour mieux comprendre les interactions à l’échelle des grains, il est aussi nécessaire de recourir à la modélisation continu pour modéliser le processus sur de plus grandes échelles et ainsi mieux prévoir l’impact sur la géomorphologie des cours d’eau.Le but de cette thèse est de faire le lien entre les forces identifiées à l’échelle granulaire et la modélisation continue.Grâce à des avancées sur la compréhension des forces de ségrégation (Tripathi and Khakhar 2013 ; Guillard et al. 2016) une équation théorique pour la ségrégation verticale d’une grosse particule est proposée. A partir de cette équation, un modèle 1D multi-phasique continu pour la ségrégation d’un ensemble de deux tailles de particules en transport par charriage est développé.Ce modèle est résolu numériquement et les résultats sont comparés à des simulations discrètes proposées par Chassagne et al. 2020b.Le modèle reproduit qualitativement les simulations discrètes mais des dépendances supplémentaires ont été identifiées et permettent de reproduire quantitativement les résultats observées par Chassagne et al. 2020b, validant ainsi le modèle continu.Ces équations multi-phasiques permettent ensuite de dériver une équation d’advection-diffusion pour la ségrégation verticale par taille, sur le modèle de Thornton et al. (2006). Cela apporte une vision simplifiée du problème tout en gardant les paramètres physiques du processus à l’échelle granulaire.Dans un second temps, des expériences en laboratoire ont été menées sur la ségrégation d’une grosse particule en transport par charriage dans un canal avec 10% de pente et constitué d’un lit de billes de verre. Deux nombres de Shields différents ont été explorés ainsi que huit ratios de tailles. Des techniques d’analyse d’images ont permis de suivre l’intrus dans le temps et l’espace ainsi que de déterminer le profil de vitesse du lit de petites particules. L’équation Lagrangienne proposée au début de ce travail a été comparées aux résultats expérimentaux et semble prédire le bon comportement. Plus surprenant, la trajectoire de l’intrus apparaît comme linéaire avec une pente indépendante du nombre de Shields ou du ratio de taille. Ce comportement pourrait aider à mieux comprendre la dynamique de ségrégation d’un intrus.