[PGRN] [Programme de recherche départemental]

Projet CG38 - PGRN piloté par le Cemagref ETNA

Titre du projet

Contribution à l'amélioration du dimensionnement d'une digue paravalanche
[ rapport final pdf ] [ annexe pdf ]

Type d'aléa
Glace, neige et avalanches
Année

2004

Mots-clés
Avalanche - Ouvrage de protection - Dimensionnement - Obstacle - Ecoulement granulaire - Interaction - Régime d’écoulement
Champs disciplinaires
Mécanique, dynamique des fluides granulaires, nivologie


1) Organismes et auteurs


Organisme pilote
Cemagref ETNA
Organisme(s) associé(s)
*
Coordonnateur
Thierry FAUG
Participants
*


2) Contexte du projet


Site(s) d'étude
*
Contexte de l'étude

Le bon dimensionnement des ouvrages de protection permettant de dévier, freiner et stopper les avalanches de neige nécessite d’étudier l’interaction d’un écoulement à surface libre avec un obstacle. Cette thématique couvre plusieurs questions de recherche :

(i) l’étude des effets hydrodynamiques d’un obstacle fixe et rigide sur un écoulement,

(ii) l’étude des sollicitations exercées sur un obstacle par un écoulement,

(iii) l’étude de la réponse mécanique de l’obstacle soumis à ces sollicitations.

Le projet proposé au PGRN concernait plus particulièrement la première question : « étude des effets hydrodynamiques d’un obstacle fixe et rigide sur un écoulement ». Ses résultats concernent l’efficacité fonctionnelle de l’ouvrage de protection.

Programme plus vaste
Projet CADZIE (1999-2003) : Catastrophic Avalanche: Defense Structures and Zoning In Europe.
Voir l'annexe du rapport final : "Conception des ouvrages de défense passive vis-à-vis des avalanches de neige sèche" [pdf]
Initiation du projet
Projet initié par le PGRN
Montant du financement (k€)
5 k€
Part du CG38 - PGRN
100 %
(Co)-Financements
*
Appréciation du rôle du financement CG38 - PGRN
 


3) Objectifs, méthodes et résultats

Objectifs
Faire une synthèse des travaux de recherche concernant l’interaction d’un écoulement granulaire avec un obstacle.

Traduction et mise à jour du guide méthodo CADZIE sur les ouvrages de protection.

Méthodologie
1 - Définition de plusieurs régimes d’interaction écoulement / obstacle à partir d’une analyse dimensionnelle basée uniquement sur les grandeurs macroscopiques du problème (vitesse moyenne, épaisseur de l’écoulement non perturbé et hauteur de l’obstacle) sans tenir compte de la nature du fluide en jeu et des conditions aux limites.

2 - Démonstration de la pertinence de l’analyse, ainsi que de ses limites, par quelques processus physiques bien identifiés, à partir d’études expérimentales sur des écoulements granulaires en canal incliné et interagissant avec un obstacle obstruant entièrement la largeur du canal : (i) apparition de ressauts ; (ii) formation d’un jet balistique en régime inertiel ; (iii) phénomènes de zone morte.

3
- Synthèse des questions ouvertes concernant certains régimes et les transitions de régimes.

4 - Mise en application des résultats au cas du dimensionnement d’une digue paravalanche : Examen des prédictions de la formulation empirique de Salm (1990) - qui peut être interprétée comme une conversion de l’énergie cinétique en énergie potentielle - pour la détermination de la hauteur d’une digue en ingénierie paravalanche dans le cadre des résultats de l’étude expérimentale sur les écoulements granulaires en modèles réduits et interagissant avec une digue.
Résultats
1 - Mise en évidence de différents régimes d’interaction écoulement / obstacle - régime quasi-statique, régime dense, régime collisionnel et régime inertiel - caractérisés par le nombre de Froude de l’obstacle (nombre sans dimension Frobs, rapport de la vitesse moyenne de l’écoulement à une célérité caractéristique des ondes de gravité, définie à partir de la hauteur de l’obstacle), dont les valeurs sont analysées en fonction des valeurs aux limites du nombre de Froude (Fr : rapport de la vitesse moyenne de l’écoulement à la célérité des ondes de gravité) et du nombre d’aspect de l’obstacle (Aobs : rapport de la hauteur de l’obstacle à la hauteur de l’écoulement).

2 - Description des conditions requises pour former un ressaut (écoulement incident supercritique, hauteur d’obstacle grande et conditions aux limites encore mal connues dont la présence d’un fond lisse). Description des conditions de formation d’un jet (probablement favorisée par le lâcher brusque de matériau granulaire, une forte inclinaison du canal et un fond lisse) et positionnement dans le plan (Aobs, Fr). Idem pour les conditions d’apparition du phénomène de zone morte, qui semblent correspondre à un régime particulier zone de (transition entre les régimes dense et collisionnel), le nombre de Froude de l’obstacle variant typiquement entre 1 et 4 dans ces expériences et la rugosité au fond semblant jouer un rôle crucial. Ce phénomène, avec des écoulements granulaires secs sur fond rugueux, est plus difficile à former en régime permanent avec le matériau neige.

3 - Questions ouvertes :
a) quel est l’effet des termes « source » (gravité, loi de friction) dans les équations de conservation sur les conditions d’apparition d’un ressaut à l’amont de l’obstacle ? ;
b) quel est le rôle des conditions aux limites ? ;
c) quelle est l’influence de la forme de l’obstacle ? ;
d) quel est le rôle de la topographie à l’amont ? ;
e) quels sont les effets à l’impact (présence d’un front, aspects transitoires) ?

4 - Formulation de la hauteur minimale de la hauteur de digue en traduisant la condition préalable que le volume maximal de neige que peut retenir la digue est supérieur au volume de l’avalanche par le fait que la longueur maximale du dépôt en amont reste inférieure à la longueur maximale du volume que peut retenir la digue.
Formulation de la hauteur minimale en dessous de laquelle l’écoulement sera bloqué pour un nombre de Froude donné (estimation de la vitesse moyenne incidente et de la hauteur de l’avalanche).
Description des valeurs des paramètres les plus adaptées dans la formule de Salm en fonction de la vitesse des avalanches (et du nombre de Froude).
Formulation d’équations permettant de quantifier le risque résiduel en aval de la digue.


4) Débouchés du projet

Utilisateurs finaux potentiels
Ingénieurs RTM (concepteurs d’ouvrages de protection - digues paravalanches)
Production scientifique
- Production de connaissances théoriques
- Production de connaissances pratiques / opérationnelles
Produits délivrables
Guide méthodologique sur les ouvrages de protection (diffusion en interne + PGRN + RTM ?)
Partenariats
*
Retombées du projet
 Conférence (avec actes) en Russie + Guide méthodologique sur les ouvrages de protection (diffusion en interne + PGRN + RTM ?)


5) Valorisation du projet

Publications et communications
- FAUG, T., NAAIM M. – 2006. Modelling a snow avalanche flowing past a protection dam: experimental investigations. Proceedings of the 3rd International Conference on avalanches and related subjects. 4-8 September 2006. Kirovsk, Russia .

- Guide méthologique: Dans le cadre du projet, la traduction en français et la mise à jour du « handbook defence structures against dense snow avalanches » (deliverable EU project CADZIE) a été réalisée en collaboration avec Florence Naaim.

- T. Faug, F. Naaim, M. Naaim, K.M. Hákonardóttir, T. Jóhannesson, M. Kern, P. Sampl, F. Tiefenbacher . Conception des ouvrages de défense passive vis-à-vis des avalanches de neige sèche.

Pages Web
 Rapport disponible : http://www.grenoble.cemagref.fr/etna/resultats/program_region/FAUGNEWPGRN.pdf

 

[Programme de recherche départemental]