[PGRN] [Programme de recherche départemental]

Projet CG38 - PGRN piloté par le Cemagref ETNA

Titre du projet

Transfert d'un logiciel de calcul des ondes de rupture de barrage

Type d'aléa
Rupture de barrage
Année

1992

Mots-clés
Rupture de barrage bidimensionnelle - Onde de submersion - Expérimentation - Modélisation numérique - Saint-Venant
Champs disciplinaires
Physique expérimentale, mécanique des fluides, métrologie


1) Organismes et auteurs


Organisme pilote
Cemagref Nivologie
Organisme(s) associé(s)
SOGREAH (suivi)
Coordonnateur
Mohamed NAAIM
Participants
Pierre-Yves COLIN


2) Contexte du projet


Site(s) d'étude
 
Contexte de l'étude
Le laboratoire de nivologie du Cemagref de Grenoble, dont le domaine de recherche est la neige et les avalanches, a réalisé une série d’expériences destinées à étudier l’écoulement de l’eau lors d’une rupture de barrage. Lors de la rupture d’un barrage hydraulique, l’eau s’écoule vers l’aval selon un mouvement gravitaire rapide. Pour étudier cet écoulement, la division nivologie du Cemagref procède en suivant deux approches différentes : une modélisation numérique (simulation sur ordinateur) et une modélisation physique (étude expérimentale sur modèle réduit). Ces deux approches sont ensuite confrontées, les résultats de la modélisation physique permettant de valider ou d’invalider la modélisation numérique.
Programme plus vaste
 
Initiation du projet
Participation du PGRN
Montant du financement (k€)
10,67 k€ (70 kF)
Part du CG38 - PGRN
~ 30 %
(Co)-Financements
 
Appréciation du rôle du financement CG38 - PGRN
Gros surplus qui a contribué à la mise en place de l’expérimentation + 1 DEA.


3) Objectifs, méthodes et résultats

Objectifs
Etudier expérimentalement l’écoulement de l’eau lors d’une rupture de barrage
Méthodologie
Modélisation physique :
Réalisation d’essai sur un dispositif expérimental constitué d’un canal horizontal allongé, laissé libre dans sa partie supérieure, avec un fond métallique et des parois latérales en plexiglas transparent épais. Ce canal est divisé en deux parties par une paroi en PVC perpendiculaire à son axe et figurant le barrage : la partie amont, d’une longueur de 1,40 m, représente le lac réservoir (niveau d’eau variable selon l’expérience) ; la partie aval, d’une longueur de 3,80 m, reçoit l’écoulement de l’eau lors de la rupture du barrage. La paroi en PVC comporte une partie amovible sur le côté, qui permet de simuler la rupture du barrage et permet aux phénomènes tourbillonnaires de se développer en largeur.

- L’écoulement est étudié via des mesures de hauteur d’eau à l’aide de trois détecteurs de houle (chacun formé d’une sonde conductimétrique, d’un module de mesure et d’un module d’alimentation), des mesures de la vitesse de l’eau dans la zone située à l’amont de la digue à l’aide d’un anémomètre à moulinet, et des observations par visualisation à l’aide d’un appareil photographique et d’une caméra ccd.

- Le paramètre principal qui varie selon les expériences est la hauteur d’eau dans le bassin amont avant rupture, mais il est également possible de placer divers obstacles sur le fond du canal aval.

- Le système d’acquisition, de type numérique, est constitué de 4 voies en parallèle se rejoignant au niveau du multiplexeur. Il comprend 4 capteurs (3 sondes conductimétriques et 1 sonde anémométrique), 4 conditionneurs de signaux (formé chacun d’un convertisseur de mesure, d’un amplificateur et d’un dispositif de filtrage), une carte d’acquisition (composée d’un multiplexeur temporel, d’un échantillonneur-bloqueur et d’un convertisseur analogique-numérique), et un ordinateur PC qui permet de piloter la carte d’acquisition et de traiter l’information (langage informatique Asyst).

Modélisation numérique :
Le modèle, développé en 1989, est applicable à de nombreux phénomènes étudiés en mécanique des fluides (effets hydrodynamiques provoqués par un glissement solide dans une retenue, par exemple), dont les dimensions peuvent être très variables. Il est bidimensionnel, et son principe est le suivant :

- le fond du canal (parties amont et aval) est découpé en surfaces élémentaires, de dimension moyenne (delta)l chacune repérée par ses coordonnées x, selon la direction parallèle à l’axe du canal, y selon la direction perpendiculaire à cet axe et z, ou cote,

- pour chaque surface élémentaire, on définit 3 variables fonction du temps : la hauteur d’eau h(t) et les composantes du vecteur vitesse, considérées constantes sur toute la hauteur d’eau, soit u(t) selon x et v(t) selon y,

- les conditions initiales, entrées par l’utilisateur, sont, pour chaque surface élémentaire, h(0), u(0) et v(0),

- le pas de temps (delta)t utilisé est calculé par le modèle en fonction de (delta)l, de la hauteur d’eau maximale et de la vitesse maximale. Ainsi, pour (delta)l = 0,1 m, (delta)t = 1/50 s environ.

- à chaque pas de temps, le modèle calcule h(t), u(t) et v(t) pour toutes les surfaces élémentaires.

Les résultats peuvent être présentés de deux façons différentes :
(1) courbes h(t), u(t) et v(t) pour un ou plusieurs éléments du maillage,
(2) cartes h(t), u(t) et v(t) donnant pour t = t0 et pour tous les éléments du maillage ; on peut ainsi visualiser des hauteurs d’eau (à l’aide de différentes couleur, par exemple) ou des vitesses (à l’aide de flèches orientées de longueur proportionnelle…).
Résultats

Dans le rapport préliminaire :
Graphiques des hauteurs d’eau après rupture en fonction du temps, pour des hauteurs avant rupture de 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 50, 55 et 60 cm.
Une trentaine d’expériences avaient été réalisées lors de la remise de ce rapport…

Suite ?



4) Débouchés du projet

Utilisateurs finaux potentiels
Cemagref , chercheurs et, gestionnaires impliqués dans la prévention du risque de rupture de barrages
Production scientifique
- Production de connaissances théoriques
- Production de connaissances pratiques / opérationnelles
Produits délivrables
Logiciel
Partenariats
- Préexistant
- Qui se poursuit
Retombées du projet
Perspectives : une cinquantaine d’autres expériences devaient suivre et les résultats devaient être analysés par différentes méthodes et comparés avec ceux fournis par le modèle numérique. Les résultats définitifs devaient être présentés en septembre 1993 dans le cadre d’un rapport de DEA.

Ce modèle numérique est aujourd’hui utilisé au Cemagref pour l’expertise.


5) Valorisation du projet

Publications et communications
Rapport de DEA de Pierre-Yves Colin, UJF
Pages Web
 

 

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