RAPPORT FINAL Action 2.5 Evaluation de la vulnérabilité des

RAPPORT FINAL Action 2.5 Evaluation de la vulnérabilité des barrages vis-à-vis des aléas torrentiels

European projet Alcotra RISBA – Final Report Azione 2.5 : Valutazione della vulnerabilità delle dighe nei confronti del rischio da fenomeni torrentizi

Action 2.5 Evaluation de la vulnérabilité des barrages vis-à-vis des aléas torrentiels

IRSTEA – Region Piemonte – Region Autonoma Val d’Aosta – Février 2015 2

Action 2.5 Evaluation de la vulnérabilité des

barrages vis-à-vis des aléas torrentiels

PITON Guillaume1, RECKING Alain

1,

PATROCCO Davide2, ROPELE Paolo

3, COLLE Franco

3,

LEGUERN Jules1, RIFAÏ Ismail

1

1. Contexte

1.1. Implantation des ouvrages

Les retenues collinaires et d’altitude sont pour certaines d’entre elles construites directement dans le lit des torrents. Ainsi des prises d’eau de montagne (Blanchet 1975), par exemple celle du Mont d’Arbois en France, et certains barrages de montagne (Bouvard 2004), par exemple le barrage de Brusson en Italie, montrent des problèmes d’engravement tel qu’illustré figure suviante.

Figure 1: Dépôts massifs dans la retenue de Fond de France sur le Bréda, crue de 2005 (Isère, France) photo © IRMA (Gominet 2010)

En parallèle, les problèmes d’érosions, d’embâclement et d’inondation des installations restent une menace permanente pour les structures construites dans le voisinage des torrents tel qu’illustré figure suivante.

1 Irstea – Equipe Erosion Torrentielle, Neige et Avalanches (ETNA) 2 rue de la Papeterie, 38 402 ST-

MARTIN-D’HÈRES FRANCE 2 Regione Piemonte, Direzione Regionale Opere Pubbliche, Difesa del Suolo, Economia Montana e

Foreste, Settore Pianificazione Difesa del Suolo, Difesa Assetto Idrogeologico e Dighe, Via Petrarca, 44 - 10126 TORINO ITALIA 3 Regione Autonoma Valle d'Aosta, Dipartimento programmazione, difesa del suolo e risorse idriche,

Struttura organizzativa opere idrauliche, via Promis, 2/a 11100 AOSTA ITALIA




Figure 2: Crue torrentielle du Bréda en 2005 engendrant des dépôts sédimentaires, embâcles de flottants et inondations d’installation hydrauliques (Isère, France) photo © IRMA (Gominet 2010)

1.2. Aléas torrentiels

Les deux caractéristiques principales des torrents et des aléas liés à ces cours d’eau sont : (i) la rapidité et la faible durée des crues qu’ils subissent (entre quelques dizaines de minutes et quelques heures) (Fabre 1797) , et (ii) les volumes très importants de sédiments érodés, transportés et déposés (Armanini et al. 1991).

Les aléas torrentiels doivent être abordés à deux échelles : (i) à l’échelle du bassin versant, il faut estimer l’hydrologie du torrent et les potentiels de production sédimentaire afin de caractériser l’intensité de la crue pouvant atteindre le site et l’ouvrage étudié, et (ii) à l’échelle du tronçon longeant ou traversant le site et l’ouvrage, il faut estimer les risques d’érosions, d’affouillements, de dépôts, etc.

1.3. Hydrologie torrentielle

L’hydrologie torrentielle est une science complexe : la rapidité des phénomènes et le manque de données sur les pluies en montagne aussi bien que sur les débits dans ces cours d’eau rend difficile les analyses. Le travail de (Mathys et al. 2013) a récemment rassemblé les méthodes spécialement destinées aux études hydrologiques des bassins versants de montagne.

1.4. Erosion de sols et limitation des apports sédimentaires à l’échelle du bassin versant

L’érosion des sols et la limitation des apports sédimentaires est une préoccupation qui est étudiée sérieusement depuis le milieu du 19ème siècle dans les Alpes (Demontzey 1882; Duile 1841; Gras 1857; Surell 1870), ces études ayant été inspirées par des travaux pionniers réalisés en Italie et en France (Fabre 1797; Frisi 1770). Les préoccupations premières des ingénieurs s’intéressant aux risques torrentiels étaient la protection des zones agricoles, des zones habitées et des voies de transport (routes et voies ferrées). La protection des ouvrages hydrauliques est arrivée plus tard avec le développement de ces derniers dans les montagnes (Blanchet 1975).

Les paragraphes suivants rappellent rapidement les moyens d’action dont disposent les gestionnaires pour la gestion des risques sédimentaires. L’ensemble de ces moyens sont encore utilisés à travers le monde pour protéger les retenues des risques de sédimentation (Kostadinov et al. 2008).




1.5. Techniques de corrections torrentielles

1.5.1. Plantation et génie biologique

Les premiers ingénieurs ayant étudié la problématique de la correction torrentielle, dès le 19ème siècle, ont souligné l’importance que la végétation a sur la stabilisation des versants. Les Alpes françaises avaient subi des opérations de déboisement excessives et les risques torrentiels avaient augmenté entre le 18ème et le 19ème siècle, en partie du fait de la disparition partielle des forêts et de leur effet stabilisateur sur les pentes (Demontzey 1882). À l’époque, les sociétés montagnardes étaient encore largement agricoles et une main d’œuvre nombreuse était présente dans les vallées. L’État français a alors amorcé de grandes campagnes d’achat des

terrains couvrant les bassins versants torrentiels et a engagé des plans de plantation des hauts bassins versants. Ces mesures ont été associées à des réseaux de drainages visant à améliorer la stabilisation des versants. L’objectif était alors de stabiliser les zones de production sédimentaire.

Les problèmes de déforestation du côté italien des Alpes étaient similaires bien que les analyses historiques laissent entendre que la déforestion côté Italien était légèrement moins marquée que côté français (Fesquet 1997). La figure suivante illustre le taux de boisement (surface boisées/surface totale) des différentes régions d’Italie et de France au lancement des politiques de reboisement.

Figure 3: Le taux de boisement des régions méditerranéennes italiennes et françaises au moment, respectif, de plus faible extension du couvert forestier. En 1913 en Italie et 1827 en France (Fesquet 1997).




1.5.2. Stabilisation des chenaux dans les hauts bassins

En parallèle des opérations de plantations, des travaux de confortement des lits des torrents étaient engagés via la construction de barrages (Figure suivante, croquis A à D). Le côté italien des Alpes a, à la même époque, engagé des travaux de création de barrages du même type (Marchi & Cavalli 2007; Rinaldi et al. 2011).

L’érosion sévissant dans un certain nombre de bassins versants est partiellement contrôlée par l’évolution du niveau du pied des pentes : si le torrent a régulièrement tendance à éroder le pied des pentes, ces dernières sont alors déstabilisées et les processus d’alimentation sédimentaire par ravinement, glissement de terrain... sont plus réguliers. Une forte activité torrentielle se traduit par :

la déstabilisation des versants amont par érosion des pieds de versants, et

le transfert de volumes importants de sédiments vers la zone aval.

Le premier phénomène limitait l’efficacité des plantations amont, le second est la conséquence du premier et le problème contre lequel il s’agit de lutter. Des barrages ont donc été construits pour stabiliser le niveau et le tracé en plan du lit du torrent, limiter les déstabilisations de versants en reboisement et stopper les incisions de long terme des torrents (Bernard 1927; Demontzey 1882). Ces ouvrages ont des effets secondaires de rétention totale de sédiment lors de leur remplissage initial et de modulation du transport solide par rétention temporaire des sédiments au gré des respirations torrentielles (variations transitoires du stock sédimentaire du lit se manifestant par des changements dans la cote du fond et la propagation de vagues sédimentaires dans le lit du cours d’eau) (Gras 1850).

Figure 4 : Croquis de formes de barrages de corrections torrentielles (A-D) et barrages filtrants (E-L) (Suda et al. 2009)

Un travail d’analyse des archives a été réalisé dans le cadre de Risba afin de remettre en lumière les objectifs et fonctions des barrages de corrections, ceux-ci sont divers en fonction de la zone d’implantation des barrages, de leurs formes et positions vis-à-vis des autres. Ce travail est en cours de finalisation (Piton et al. n.d.)

1.5.3. Piégeage des sédiments avant l’arrivée dans la retenue




Au droit des zones de dépôt naturel, des ouvrages de piégeage des sédiments équipés de barrages filtrants (plages de dépôts) peuvent être implantés (Figure 4 E-L). De tels ouvrages ont été créés en parallèle des barrages de correction et des plantations mais n’étaient utilisés qu’en dernier ressort : les moyens de curage mécanique étaient très limités au 19ème siècle qui devaient alors être réalisés à la main. Le développement des engins de terrassement après la seconde guerre mondiale a permis de faciliter les curages, celui du béton armé a permis la création de structures plus résistantes et pourtant équipées d’ouverture (Van Effenterre 1982). Les barrages filtrants qui avaient été testés dès les débuts des travaux de Restauration des Terrains en Montagnes (Demontzey 1882) et les ouvrages de piégeage se sont alors pleinement développés entre les années 1970 et 1990 (Gruffaz 1996).

L’exode rural a rendu cette solution encore plus intéressante : la main d’œuvre montagnarde en mesure d’entretenir les barrages de correction et de continuer l’effort de végétalisation des hauts bassins diminuait (Van Effenterre 1982).

1.5.4. Chenalisations

En complément des techniques de diminution des apports solides à la source, de la stabilisation des lits torrentiels dans les zones de production et de transfert, et du piégeage des sédiments, il est parfois simplement nécessaire de maintenir l’écoulement torrentiel dans un tronçon donné avec un minimum de dynamique de dépôts et d’érosions au niveau local. Pour ce faire, sont régulièrement utilisés des techniques de protections de berges, d’endiguements et de chenalisations par recalibrage du lit (Van Effenterre 1982).

Figure 5 : Chenalisation du torrent du St Julien sur son cône de déjection (photo de gauche : 1898 ; photo de droite : 1911)(Anon 1911)

Ces techniques sont aussi usuellement utilisées dans des contextes d’écoulements fluviaux. Un plus grand soin à la résistance des ouvrages aux érosions doit être pris dans le contexte torrentiel. Par ailleurs, la revanche des endiguements, c’est-à-dire la hauteur de sécurité entre la ligne d’eau et la crête des digues doit prendre en compte le risque de variation du fond du lit (CIPC 2013).




2. Objectif de l’action 2.5 du projet RISBA : la protection des retenues contre les sédiments

2.1. Contexte de la problématique

Les volumes sédimentaires produits et transportés dans les montagnes sont tels que partout où cela est possible, il faut concevoir des ouvrages transparents à ces apports. Cette transparence peut être obtenue par différents moyens (Figure suivante) tels que :

l’effacement de la retenue lors de la crue, c’est-à-dire l’ouverture en grand de vannes permettant de faire disparaitre le remous liquide dû au barrage ;

les chasses hydrauliques, c’est-à-dire l’abaissement contrôlé du plan d’eau par l’ouverture des vannes de fonds dans l’objectif de remettre en mouvement les sédiments déposés dans la retenue ;

l’équipement de la retenue par un ouvrage de contournement : un tunnel de by-pass ou le maintien d’un chenal parallèle à la retenue peut permettre de transférer les écoulements de crues et leur charge sédimentaire sans passage dans la retenue.

Ces techniques ne peuvent être adaptées à tous les sites et de nombreux barrages sont peu à peu comblés de sédiments par les rivières et torrents qui les alimentent (Bouvard 2004). Ces sédiments sont transportés selon deux processus :

les sédiments fins : argiles, limons et sables sont transportés en suspension et ont tendance à se déposer loin dans le lac de retenue ;

les sédiments grossiers : sables grossiers, graviers et blocs sont transportés par des mécanismes de charriage et ont tendance à former un dépôt de forme deltaïque au débouché du cours d’eau dans la retenue.

Les dépôts qui ont eu lieu dans les queues de retenues depuis leur création sont généralement extraits et valorisés sous la forme de granulats pour les remblais routiers ou le marché de la construction. Depuis quelques dizaines d’années, les problèmes causés par la rupture de la continuité sédimentaires et les mesures de réduction de ces effets sont de plus en plus pris en compte (Malavoi et al. 2011). Ces préoccupations ne sont pas l’objet du projet RISBA mais peuvent fortement influencer la destination finale des sédiments piégés par les retenues et pièges associés.

La dernière alternative existant dans les retenues où la transparence sédimentaire n’est pas possible par des effacements, des chasses ou des structures de by-pass, est de réaliser des opérations de correction torrentielle.

A l’aide d’opération visant la diminution de la fourniture sédimentaire (gestion à la source par reforestation et stabilisation des lits à l’aide de barrages),

A l’aide d’ouvrage visant la gestion des flux sédimentaires tels que les pièges à graviers et plages de dépôts.

En effet, il semble préférable de piéger les apports juste en amont de la retenue dans une structure dédiée pour pouvoir les extraire dans de bonnes conditions et ensuite les réutiliser de la façon la plus adaptée au site (réintroduction des matériaux en aval, valorisation extérieure).

Les différentes manières de gérer les sédiments sont résumées dans la figure suivante.




Figure 6 : Fonctionnement schématique des méthodes de gestion de la sédimentation des retenues avant la crue, pendant la crue et après la crue : a) mise en transparence et chasses hydrauliques, b) curages mécaniques des dépôts dans la retenue et c) correction torrentielle amont

2.2. Questions abordées dans le cadre de l’action 2.5

Le travail réalisé dans le cadre de l’action 2.5 du projet RISBA s’est donc intéressé à la protection des retenues contre les sédiments et les dépôts torrentiels. Pour cela, cette action a travaillé sur les trois questions suivantes :

Quelles sont les règles de l’art de la conception des ouvrages de protection torrentielles ?

Cette question a été abordée à travers un important travail bibliographique croisé avec des visites de sites en France et en Italie et des interviews de spécialistes.

Quels sont les effets des barrages de correction torrentielle sur le transport solide ? Cela permettrait de déterminer s’il est pertinent d’équiper les cours d’eau situés en amont des retenues par de tels ouvrages et de continuer à maintenir les ouvrages existants ;

En complément des éléments existants dans la littérature, cette question a été abordée à l’aide d’expériences sur modèle réduits croisés avec des observations de terrains.

Quels sont les mécanismes de piégeage des sédiments qui permettent le bon ou le mauvais fonctionnement d’une plage de dépôt ? Cela permettrait de déterminer comment concevoir pertinemment ces ouvrages en amont des retenues.

En complément des éléments existants dans la littérature, cette question a aussi été abordée à l’aide d’expériences sur modèle réduits croisés avec des observations de terrains.

a)

b)

c)




3. Stabilisation amont des lits torrentiels : utilisation des barrages de correction torrentielle

3.1. Objectif des barrages de correction

Si l’objectif premier des barrages de correction torrentielle était présenté comme étant une lutte contre les affouillements verticaux et latéraux des lits torrentiels (Bernard 1927; Demontzey 1882; Thiéry 1891), certains auteurs indiquaient que ces ouvrages pouvaient avoir d’autres effets tels que la modulation du transport solide, c’est-à-dire l’atténuation des pics de fourniture sédimentaire du haut bassin versant en une fourniture plus régulière et moins intense (Gras 1857). Cet aspect intéressant pour la gestion des risques torrentiels peut aussi intéresser les gestionnaires des retenues collinaires et d’altitude : il est plus aisé de gérer des apports sédimentaires réguliers et peu intenses, que des apports erratiques et intenses. Des essais sur modèles physiques ont été réalisés sur de longues durées pour mieux comprendre l’effet des barrages et de ces phénomènes de modulations du transport sédimentaire.

3.2. Nouveaux éléments mis en évidence par les essais conduits dans le projet RISBA

3.2.1. Dispositif expérimental et résultats

3.2.1.1. Dispositif expérimental

Trois configurations différentes ont été analysées (Figure 7) : un test de référence sans ouvrage (Ref Test), un second avec un ouvrage de correction torrentielle (1CD Test) et un dernier avec trois ouvrages de correction torrentielle (3CD Test). Plus de détails sont disponibles dans (Piton & Recking 2014b; Piton & Recking 2014a).

Figure 7 : Schéma des différents dispositifs - a) Ref Test ; b) 1CD Test ; c) 3CD Test (Piton & Recking 2014b)




3.2.1.2. Aspect du lit et tri granulométrique

Le transport par charriage peut être important dans les rivières de montagne. La différence de mobilité entre les sédiments fins et grossiers conduit à un mécanisme très efficace de tri granulométrique aux conséquences contrastées, avec des lits alternant entre:

des états stables (pavage de surface) et

des érosions très intenses (destruction du pavage).

Un fort tri granulométrique induit une variation de l’aspect du lit entre deux états extrêmes illustrés dans la figure suivante:

un lit recouvert de sédiments fins mis à jour lors des phases d’érosion et

un lit pavé de sédiments grossiers lors des phases d’aggradation.

Figure 8 : Illustration des aspects extrêmes de l’état du lit : a) à sec durant un épisode de nappe de charriage : aspect fin et lisse, b) à sec durant un épisode de pavage : granulométries grossières majoritairement présentes en surfaces, c) sous eau pendant un nappe de charriage et d) sous eau pendant un épisode de pavage, clichés tirés de (Piton & Recking 2014b; Piton & Recking 2014a)

Cette capacité à basculer entre deux états extrêmes est particulièrement marquée dans les rivières de montagne. Des recherches récentes nous poussent à soupçonner que ce phénomène intrinsèque au transport solide des cours d’eau à faible nombre de Shield et à granulométrie très étendues pourrait activement participer à l’aggravation des aléas associés aux cours d’eau torrentieles (Bacchi et al. 2014; Recking 2013; Recking 2010; Recking et al. 2008).

L’expression de ces phénomènes de tri granulométriques, que nos observations de terrains on confirmé comme existantes (Figure suivante), a été étudiée plus en détail dans un contexte de torrent équipé de barrage.

c) d)




Figure 9 : Tri granulométrique vertical sur des zones de dépôt : mesures de laboratoires et mesures de terrain sur le torrent du Manival (Isère, France) : résultats similaires de présence des éléments grossiers sur le dessus du dépôt et de percolation des plus fins au cours du transport, manifestation probable de tri cinématique (Bacchi 2011; Bacchi et al. 2014; Recking 2006), clichés tirés de (Le Guern et al. 2014)

3.2.1.3. Transport sédimentaire

L’aspect de surface du lit influence l’efficacité du transport solide : plus le lit est rugueux, plus le transport sédimentaire est faible et inversement. Le débit solide en sortie de canal varie ainsi entre moins de 1% et plus de 300% du taux d'alimentation lors des phases d’aggradation ou de dépavage (Figure 10).

3.2.1.4. Pentes du lit

Les fluctuations de débit solide induisent des variations de stockage dans le lit par conservation de la masse (Figure 10). Les pentes de chaque bief évoluent donc au cours du temps,




reproduisant les respirations des torrents observées sur le terrain par le RTM en France et le CONSORZIO FORESTALE en Italie.

3.2.1.5. Fluctuation du lit

La présence d’ouvrages de correction torrentielle influence la fréquence des fluctuations du lit en fonction de la longueur des biefs entre barrages (Figure 10).

Il a été observé que la durée entre les deux états extrêmes du lit (aggradation et érosion maximales) augmentait avec la longueur du bief.

Figure 10 : 25h d’évolution temporelle des pentes des biefs aval et du débit solide aval: a) Ref test sans barrage, b) 1CD test avec un barrage et c) 3CD test avec 3 barrages

3.2.2. Discussion

3.2.2.1. Influence à long terme sur l’équilibre des pentes.

Les résultats de nos expériences montrent que les barrages de correction torrentielle n’influencent pas significativement la pente moyenne dans des conditions de fourniture sédimentaire similaire et par comparaison avec un bief alluvial sans ouvrage (Figure 10).

Pourtant de telles diminutions de pentes sont observées sur le terrain entre les barrages de correction torrentielle (Ferro & Porto 2011; Kostadinov 1993; Porto & Gessler 1999). Nous pensons que ces observations peuvent être liées à deux raisons :

les torrents qui ont été corrigés par des barrages ont souvent été reboisés en parallèle : si la fourniture sédimentaire diminue au cours du temps, pour ces raisons ou pour d’autres, les pentes entre les barrages et celle générale du lit sont vouées à diminuer (Poncet 1995; Thiéry 1891).

les pentes initiales des lits concernés n’étaient probablement pas purement alluviales (lit creusé dans le socle rocheux, influences de blocs rocheux d’origines colluviales). La création de barrages au-dessus du lit permet la création de pentes alluviales plus faibles.




Dans ce cadre, nous faisons l’hypothèse que l’ajout d’ouvrages de correction torrentielle ne conduit pas à une baisse systématique et intrinsèque de la pente moyenne des biefs : leur présence accélère simplement l’atteinte de l’équilibre dynamique:

Figure 11 : Schéma d’un profil en long représentant l’état initial avant construction des barrages et les états d’équilibre avec et sans barrages (adapté de (USACE 1994) dans (Piton & Recking 2014b))

3.2.2.2. Influence à court terme sur les volumes d’érosion

Le test de référence montre qu’un événement érosif (dépavage) peut affecter la totalité du canal. L’ajout d’ouvrages de correction torrentielle crée des points fixes dans le lit du torrent : chaque segment évolue alors indépendamment des autres:

Figure 12 : Schéma d’un profil en long représentant les différentes étapes de propagation d’un évènement d’érosion et de dépavage (de (1) à (3) : a) sans point fixe créé par un barrage ou un obstacle naturel et b) avec un point fixe; N.B. les dépôts n’ont pas été représenté pour simplifié la figure (Piton & Recking 2014b)




La longueur des biefs est ainsi raccourcie, le volume stocké et la probabilité de dépavages de grande ampleur diminuent. Ce constat explique le changement de fréquence des bouffées sédimentaires à l’aval (Figure 10) : si chaque volume d’érosion est plus petit, le principe de conservation de la masse impose que la fréquence des cycles augmente. On observe alors des pulsations solides plus fréquentes mais de moindre volume.

3.2.3. Conclusion sur l’effet des barrages de correction torrentielle

En abaissant les volumes maximaux transportés lors des événements de dépavage et en créant un effet tampon sur les volumes sédimentaires transportés, ils modulent le transport solide. Cet effet avait été conceptualisé par (Jaeggi 1992) et est décrit dans les cours de Restauration des Terrains en Montagne de (Poncet 1995). La figure suivante en illustre synthétiquement les symptomes observables sur le terrain.

Figure 13: Profil en long d’un torrent équipé d’une série de barrage : les respirations torrentielles amène les biefs entre barrages à montrer des fluctuations de pentes, stockant ainsi des sédiments pendant des épisodes de fort transport pour les laissé repartir lors des crues suivantes (Figure adaptée de (Jaeggi 1992) dans (Piton & Recking 2014b))

La lecture d’anciennes archives, notamment les ouvrages de (Gras 1857) et de (Bernard 1927) montre que cet effet est connu depuis longtemps par les praticiens de terrains. Il reste aujourd’hui mal compris et généralement considéré comme un effet secondaire.

En synthèse, les barrages et seuils de correction torrentielle participent efficacement à la réduction des risques : ils permettent en effet de « libérer au détail ce que les torrents relâcheraient en masse trop brutalement » (Poncet 1995). Ces résultats mettent en évidence l’intérêt de l’installation de telles structures en amont des retenues potentiellement menacées par des aléas torrentiels : en présence de barrages de correction, la gestion des flux solides, moins intenses et plus réguliers, est rendue plus aisée que celle d’apports rares et massifs menaçants la retenue d’engravement.

Des observations complémentaires de terrains associés à des expériences de laboratoire utilisant des conditions d’apports plus réalistes doivent être menées pour comprendre dans quelle mesure ces résultats peuvent être extrapolées à d’autres situations (plus grand espace entre barrage, alimentation épisodique en matériaux solides, crues extrêmes, etc).




4. Piégeage des sédiments en amont de la retenue : utilisation des barrages filtrants

4.1. Objectif des barrages filtrants

Les barrages filtrants peuvent avoir des objectifs très divers (Hübl et al. 2005), ce qui explique la grande diversité de formes d’ouvrages existants sur le terrain (Figure 4 et Figure 14) :

rétention: piégeage définitif de la charge sédimentaire dans l’ouvrage ;

modulation du débit solide : piégeage temporaire de volumes solides pour diminuer les forts débits instantanés dans le bief aval ;

filtration : piégeage sélectif des blocs rocheux ou bois flottants qui pourraient poser des problèmes dans le bief aval ;

brise charge : ouvrages dédiés à dissiper la forte énergie des bouffées de laves torrentielles pour en diminuer le pouvoir érosif dans le chenal aval.

L’assignation d’un objectif donné à un ouvrage est directement liée aux enjeux aval et aux phénomènes pouvant poser problème (tendance aux dépôts, capacité de transport limitée, risque d’embâcles, sensibilité à l’érosion, etc.). Dans le cas des retenues collinaires et d’altitude où les opérations de transparence sédimentaire sont impossibles, l’objectif d’un barrage filtrant sera d’opérer une rétention complète des sédiments grossiers.

Figure 14 : Barrages filtrants : a) Barrage peigne de Rio Fosse (Val de Susa, It.) : rétention complète par blocage mécanique des galets ; b) Barrage à dent de Rio Joans (Val de Susa, It.) piégeage sélectif des gros blocs par blocage mécanique ; c) Barrage à fentes large équipées de grilles aciers du Torrent de Grand Valey (Val d’Aoste, It.) : rétention des évènements extrêmes liée au colmatage des grilles par blocage mécanique de gros blocage et d) Barrage à pertuis du Lavanchon (Isère, Fr.) : modulation par contrôle hydraulique + rétention complète par blocage mécanique des flottants

La rétention des sédiments fins nécessite de grands bassins où les écoulements sont assez calmes pour permettre la sédimentation de la charge en suspension. Ce type d’ouvrage est




généralement trop encombrant pour être mis en place en montagne et ne fait pas l’objet de la présente note. Les sédiments fins peuvent faire l’objet de chasses dans les retenues.

4.2. Mécanismes contrôlant le piégeage

Le dépôt de la charge solide grossière transportée par les torrents peut être contrôlé par différents processus liés aux caractéristiques des barrages filtrants (Figure 15) (Zollinger 1983) :

① la diminution de la capacité de transport dans le bassin du barrage liée à une pente de bassin plus faible que la pente amont du cours d’eau ;

② l’étalement de la lame d’eau et des écoulements résultant en une chute de la capacité de transport ;

③ la sédimentation de la charge grossière dans la zone d’eau calme liée au remous liquide en amont du barrage filtrant : formation d’un delta ;

④ le blocage mécanique des matériaux transportés contre le barrage filtrant.

En fonction de la place disponible pour la mise en place du piège à sédiments, les concepteurs mettront à profit les différents mécanismes : par exemple sur un site où une surface importante est disponible en amont de la retenue, un bassin large et de faible pente générera des dépôts

grâce aux mécanismes ① et ②, même en présence d’un barrage de petite taille.

Si au contraire, peu de place est disponible, un barrage de plus grande hauteur permettra de

mettre à profit les mécanismes ③ et ④ pour piéger des sédiments sur une plus grande épaisseur.

Figure 15 : Mécanismes contrôlant le dépôt des sédiments dans un barrage filtrant : 1) diminution de la capacité de transport liée à une pente de bassin inférieure à la pente du torrent, 2) diminution de la capacité de transport liée à l’étalement des écoulements, 3) sédimentation deltaïque dans la zone de remous liquide du barrage filtrant et 4) blocage mécanique des matériaux transportés contre le barrage filtrant (adapté de Zollinger 1983))

bassin Ouvrage de fermeture




4.3. Nouveaux éléments mis en évidence par les essais conduits dans le projet RISBA

4.3.1. Questions scientifiques

Les critères de conception permettant de contrôler les mécanismes ③ et ④ sont, d’après la synthèse de l’état de l’art réalisé dans le cadre du projet RISBA, relativement bien renseignés dans la littérature (Piton & Recking 2015a; Piton & Recking 2015b).

Les mécanismes ① et ② sont par contre moins connus et peu d’expériences ont étudié en détail la dynamique de dépôt et d’érosion dans les bassins des barrages filtrants. Des expériences ont donc été réalisées pour apporter des éléments de connaissance à l’hydraulique et à la morpho-dynamique des dépôts massifs se déroulant dans les plages de dépôts (Le Guern 2014; Le Guern et al. 2014). Des observations de terrains sont en cours pour compléter ces analyses.

4.3.2. Démarche de recherche

Des expériences en laboratoire ont été réalisées afin de modéliser les phénomènes de dépôts de charriage dans une zone d’élargissement terminée par un barrage filtrant. Les détails concernant le dispositif expérimental peuvent être trouvés dans (Le Guern 2014) et dans (Carbonari 2015).

En complément, des simulations exploratoires par modélisation numérique des problématiques ont été entreprises pour tester la capacité des logiciels à reproduire les morphologies complexes de type tressage (Rifaï 2014).

Des missions d’observation des remplissages de plages de dépôt ont été menées grâce à des caméras installées sur le terrain.

Pour compléter l’ensemble, des visites d’ouvrages (Figure 14) ont été réalisées en France et en Italie faisant intervenir les ingénieurs d’IRSTEA, des Regions Piémont et Val d’Aoste et les experts locaux des problématiques torrentielles :

Valerio SEGOR de la Division Aménagement Hydrogéologiques des Bassins Versant de la région Val d’Aoste,

Alberto DOTTA du Consorzio Forestale du Haut Val de Suse et

Yann QUÉFÉLÉAN, Damien KUSS et Bruno LAILY du RTM.




4.3.3. Modélisation physique des plages de dépôts – Travaux de Jules Le Guern & Guillaume Piton – bassins rectangulaires

Ces expérimentations ont été réalisées courant 2014, avant l’été 2014 assez intense en termes de crues (Ravoire de Pontamafrey, St Antoine de Modane, Palles et Merdaret de Chantelouve et torrent du Grand Rocher à la Chalp).

Ce sont ces expériences qui ont mis en lumière l’importance du piégeage initial dans la partie amont des ouvrages et la nécessité de réaliser un bassin à la forme réaliste pour pouvoir s’approcher au mieux de la réalité.

4.3.3.1. Tri granulométrique

Le tri granulométrique qui générait des phénomènes de fluctuations 2D du niveau du lit dans les expériences en canal étroit (cf. 3.2) a étendu son expression à des fluctuations 3D du tracé en plan des chenaux d’écoulement. La morphologie des dépôts s’est trouvée extrêmement contrôlée par les mécanismes de tri granulométrique.

4.3.3.2. Morphologies des dépôts

Nous avons mis en évidence une tendance des dépôts à présenter des cycles entre un état chenalisé et un état d’écoulements en nappes ou à chenaux multiples (Figure 16). Ces fluctuations cycliques ont été précédemment observées sur des expériences concernant la dynamique des cônes de déjection ou des deltas (Reitz & Jerolmack 2012; Van Dijk et al. 2012; Van Dijk et al. 2009).

Pour mémoire on considère que les dépôts sont liés aux quatre phénomènes suivants:

① la diminution de la capacité de transport dans le bassin du barrage liée à une pente de bassin plus faible que la pente amont du cours d’eau ;

② l’étalement de la lame d’eau et des écoulements résultant en une chute de la capacité de transport ;

③ la sédimentation de la charge grossière dans la zone d’eau calme liée au remous liquide en amont du barrage filtrant : formation d’un delta ;

④ le blocage mécanique des matériaux transportés contre le barrage filtrant.

Les observations ont montré que de façon systématique les phénomènes suivant étaient observés:

o La première phase du cycle morphologique correspond à la formation d’un dépôt massif en amont de la plage. Ce dernier est lié principalement au mécanisme ②.

o L’écoulement balaye la zone, créant de petites avancées des dépôts sous la forme de lobes de part et d’autre du dépôt initial. Celui-ci s’allonge et s’élargit en même temps qu’il s’élève. Il forme une accumulation raide concentrée dans l’amont de la plage de dépôt. Un transport sédimentaire secondaire a lieu dans les chenaux multiples. Ce transport finit par former des morphologies de tressage (Le Guern et al. 2014).

o L’accumulation finit par atteindre un état instable car trop raide et haut, conduisant à une destruction locale du pavage et à la libération des nappes de charriages (bouffées de sédiments plus fins lissant le fond du lit et augmentant la capacité de transport). Ces phénomènes déstabilisent alors brusquement le dépôt et l’érosion s’emballe.

o Un chenal central s’incise dans le dépôt et entraine les sédiments vers l’aval du bassin de stockage.

o L’étalement de l’écoulement en aval du dépôt (mécanisme ②) et les dépôts massifs liés

au mécanisme ③ génèrent un nouvel arrêt de ces sédiments remis en mouvement.




Les dépôts ayant lieu dans le bassin d’une plage de dépôt ne semblent donc pas avoir lieu de manière régulière sous la forme d’un processus continu. Ils se font préférentiellement au débouché du torrent dans le bassin.

Des cycles d’écoulements en nappe et chenalisés dispersent ensuite les sédiments dans le bassin. Les mécanismes ③ et ④ finissent par piéger les apports dans la partie aval du bassin. Les dépôts dans les pièges à sédiments sont donc le résultat de la rencontre de fronts sédimentaires avançant de façon cyclique et contrôlés par les mécanismes ① et ② et les

remous solides contrôlés par l’aval par les mécanismes ③ et ④.

4.3.3.3. Application de formules d’estimation du transport solide

Une tentative de modélisation des phénomènes décrits plus haut grâce aux formules de transport solide usuellement utilisées dans les torrents a été réalisée (formules de (Couvert et al. 1991; Rickenmann 1991; Smart & Jaeggi 1983)). En faisant varier les largeurs de transport en fonction des largeurs mesurées lors des expériences, nous espérions retrouver les pentes mesurées pour les différentes concentrations solides injectées dans le canal. Nous avons observé que les formules tirées de la littérature sous estimaient systématiquement les pentes des dépôts. Nous en concluons que la pente des dépôts ne peut pas être estimée de façon précise dans les bassins larges des plages de dépôt. Une méthode alternative doit être développée pour cela. Le travail sera poursuivi sur ce sujet.

Le mémoire complet des Jules Le Guern est fourni en annexe.

Figure 16 : Morphologies et photographies des écoulements dans différentes étapes d’un cycle : a) écoulements en nappes et multichenalisés, b) chenalisation soudaine et dispersion aval des sédiments accumulés en tête d’ouvrage et c) reconstitution des écoulements de tressage et reprise des dépôts amont sous écoulement nappe




4.3.4. Visites de sites

4.3.4.1. Ouvrages visités

Les sites répertoriés sur la carte suivante ont été visités dans le cadre du projet RISBA.

Figure 17 : Cartographie des ouvrages visités dans le cadre de Risba (Fond Google earth)

Il a été choisi de visiter :

Une trentaine de plages de dépôts situées dans les Alpes Française, généralement les plus grandes et plus représentatives du parc existant, ainsi que les ouvrages et torrents ayant subi des crues torrentielles importantes:

o Crue du Bastan et de l’Yse à Barège et Luz Saint-Sauveur (2013) o Crue de la Ravoire de Pontamafrey (2014), o Crue des torrents des Palles et du Merdaret de Chantelouve et du torrent du

Grand Rocher de la Chalp (2014). o Crue du Saint Antoine de Modane (2014),




o Visite des plages de dépôts des Hautes Alpes, de l’Isère, de la Savoie et de la Haute Savoie (2014).

Quelques ouvrages caractéristiques en Italie : o Structures sur les torrents du Rio Fosse, du Rio Joans et du Champeyron en

Alta Valle de Susa ; o Structures du torrent de Grand Valley et des barrages de Brusson et de Graines

en Val d’Aosta.

L’ensemble des comptes rendus de visites sont fournis en annexe.

En complément des observations qualitatives permettant de mieux comprendre les phénomènes qui ont lieu dans les plages de dépôt, nous avons réalisé une analyse statistique des formes des bassins afin de réaliser un modèle ayant la représentativité la meilleur par rapport au parc d’ouvrage existant.

4.3.4.2. Analyse statistique des formes de ouvrages

Afin de déterminer quelle forme de bassin il était le plus pertinent de tester, des mesures des largeurs et longueurs des plages de dépôts visitées ont été réalisées. Trois paramètres géométriques indépendants et adimensionnels ont été calculés pour chaque ouvrage mesuré :

L, L’allongement (Lenghtening) représente l’allongement du bassin :

Avec Lmax la longueur du bassin (m) et Wmax la largeur maximum du bassin (m).

C, la compacité (compactness) représente la compacité du bassin : elle compare la surface prise par le bassin avec un rectangle de largeur égale à Lmax et de longueur égale à Wmax. Un bassin avec une compacité de 1 a une forme rectangulaire et occupe l’ensemble de la surface définit par son rapport d’aspect ; un bassin avec une compacité de 0,5 a une forme ayant une surface similaire à celle d’un losange ou d’un triangle et occupe la moitié de la surface définit par son rapport d’aspect, etc.

∑

Avec Σsubareas la surface total du bassin (m²).

E, l’excentricité (Eccentricity) représente la répartition de la surface du bassin entre l’amont et l’aval de celui-ci.

∑ ∑

Avec Lbar, l’abscisse des barycentres des sub-surfaces constituant le bassin.

La figure suivante illustre des formes simplifiées respectant des valeurs données des différents paramètres de forme :




Figure 18 : Formes simplifiées respectant les paramètres adimensionnels présentés plus haut, les deux formes extrêmes sont simplement illustrative de l’effet de la variation d’un paramètre, la forme du milieu illustre la valeur médiane de l’échantillon et les 2

ème et 4

ème formes illustrent

les quantiles 20% et 80% de l’échantillon (Carbonari 2015)

Le tableau suivant fournit les statistiques de base de l’échantillon des ouvrages visités :

Table 1 Quantiles des grandeurs physiques et des paramètres adimensionnels des ouvrages visités. L’échantillon étant présenté dans la Table 2

Min

Quantile 5%

Quantile 20%

Median Quantile

80% Quantile

95% Max

Watershed surface [km²]

0.4 0.64 0.9 3.9 11.92 35.6 220

Volume of the sediment trap

basin [m3]

700 2 500 5 000 12 000 27 000 118 000 300 000

Length of the sediment trap

basin [m] 33.7 54.5 76.6 117 225 426.2 900

Width of the sediment trap

basin [m] 17 20.7 27 36.5 67.8 94.4 110

Basin slope [%] 2 2.38 4.28 10.6 14.42 15.6 23.2

Deposit slope [%]

0.1 1.15 2.9 5.75 10.2 13.35 16.5

Lengthening [-] 0.9 1.6 2.0 2.7 4.6 8.9 10 Compactness [-

] 0.56 0.57 0.65 0.71 0.83 0.95 1

Eccentricity [-] 0.39 0.42 0.46 0.49 0.52 0.54 0.62




On constate que :

L’allongement des bassins des plages de dépôt varie beaucoup, en réalité ceci dépend de l’installation de l’ouvrage :

o Si ce dernier présente clairement un bassin élargi en amont de l’ouvrage, cette partie élargie dépasse rarement 2 à 4 fois sa largeur,

o Si l’ouvrage est simplement situé dans le lit du torrent, ce paramètre de rapport d’allongement perd de sa significativité puisqu’il n’existe pas de bassin clairement établi.

La compacité varie peu autour de 0,7 ; de l’ordre de 0,6 pour les bassins les plus élargis par rapport au torrent, elle tend vers 1 pour les ouvrages sans bassin élargi situé dans le lit.

L’excentricité varie aussi peu atour de 0,5 laissant entendre que les bassins ont souvent des parties divergentes presque symétriques à leur partie convergente.

Les plages de dépôt présentant la forme caractéristique de poire illustrée dans la Figure 15 n’a été observée que dans quelques torrents à lave torrentielle. La majorité du temps, la topographique locale et les contraintes foncières dictent la forme du bassin de l’ouvrage.

L’échantillon total des mesures réalisées est fourni dans la table suivante.

4.3.4.3. Implication pour la modélisation physique

Les travaux menés courant 2014 sur une plage de dépôt rectangulaire (L~ 2.2, C=1, E=0,5) ont permis de démontrer l’incidence forte de la forme du bassin de la plage de dépôt (voir plus loin résultats de Jules Le Guern).

Cette analyse de terrain a été menée à la suite de ces premiers résultats et afin de déterminer quelques formes seraient représentatives de la réalité pour les tests fin 2014 / début 2015.

Dans la suite de cette analyse, il a été décidé de réaliser des tests sur un modèle réduit présentant une compacité moyenne de 0,7, une excentricité moyenne de 0,5 et un allongement de faible de 2.

Des essais complémentaires devront être menés pour définir les conditions de sédimentation dans une plage présentant un allongement plus grand, sans doute de l’ordre de 4,6.




Dép Municipality Torrent Supply Sw Volume Height Trap slope

Deposit slope

Length Width Area Lengtheni

ng Compactn

ess Eccentric

ity

BL/T/DF km² m3 m % % m m m²

05 La Roche-Des-Arnauds Béoux BL NA NA NA 2.4 NA 216 110 23440 1.96 0.99 0.49

05 La Roche-Des-Arnauds Le Rif De L'Arc BL 8.9 11000 2.6 3.2 2.9 130 48.5 3502 2.68 0.56 0.45

05 Puy-St-André Sachas BL 14.8 7000 5.0 10.5 NA 336 98 23842 3.43 0.72 0.45

05 St-Chaffray Verdarel tot DF 2.3 50000 2.5 15 NA 264 75 12345 3.52 0.62 0.39

05 Veyne Chiei DF 0.4 8000 3.0 7.4 8.7 78 18 928 4.33 0.66 0.46

38 Chantelouve Palles T 0.7 5000 4.0 NA 7 78 32.8 1741 2.38 0.68 0.53

38 Chantelouve Merdaret amont T 0.9 8000 5.0 NA 16.5 110 37 3183 2.67 0.78 0.48

38 Chantelouve Merdaret aval T 3.8 12000 5.0 NA 10.2 283 53 10417 5.34 0.69 0.4

38 Chichilianne Fraches DF 0.9 5000 4.0 NA 12.3 218 54 8071 4.04 0.69 0.52

38 Chichilianne Arches DF 1.2 2500 2.5 NA 10.8 220 26 4875 8.46 0.85 0.52

38 Gresse en Vercors Gresse T 1.7 5000 5.0 11 1.5 63 43 1570 1.47 0.58 0.62

38 Gresse en Vercors Clot Du Roux T 0.7 6000 NA 23.2 NA 33.7 17 491 1.98 0.86 0.48

38 Oulles Lignarre BL 46.0 10000 10.0 NA NA 110 66 5939 1.67 0.82 0.46

38 St-Paul-De-Varces Lavanchon T 7.7 14000 5.7 9 5.3 167 26 3868 6.42 0.89 0.51

38 St-Paul-De-Varces Lampe T 0.6 5000 NA 9 NA 60 28.7 1094 2.09 0.64 0.49

38 Tréminis Ebron DF 3.9 100000 5.0 14.9 NA 500 54 23545 9.26 0.87 0.48

38 Voreppe Roize BL 10.0 2500 3.0 4.4 NA 71 31.3 1510 2.27 0.68 0.48

73 Pontamafrey Ravoire DF 3.9 23000 7.0 NA NA 90 50 3640 1.8 0.81 0.48

73 Pontamafrey Clinel BL 0.8 700 3.0 15.2 NA 50 27 1085 1.85 0.8 0.49

73 St Jean de Maurienne Arvan BL 220.0 130000 3.0 2 2 900 90 67013 10 0.83 0.51

73 St-Julien-Montdenis Claret DF 2.9 23000 8.0 13 7.5 115 60 3840 1.92 0.56 0.48

73 St-Julien-Montdenis St Julien DF 20.0 20000 NA 10.9 NA 132 30 2561 4.4 0.65 0.52

73 St-Martin-la-Porte St-Bernard amont DF 16.0 15000 7.5 11.4 NA 80 32 1653 2.5 0.65 0.54

73 St-Martin-la-Porte St-Bernard aval DF 16.2 20000 7.5 10.7 NA 120 36 3023 3.33 0.7 0.52

73 Tours-en-Savoie St Clément DF 10.0 40000 10.0 14.3 0.1 245 81 15741 3.02 0.79 0.54

73 Ugine Nant Croex DF 2.8 18000 6.0 8.1 NA 61 24 1046 2.54 0.8 0.51

74 Chamonix Favrand T 5.6 25000 0.0 NA 6.2 119 32 2992 3.72 0.79 0.48

74 Les Contamines-Montjoie Nant Rouge DF 9.8 300000 18.0 NA 3.8 200 27 3744 7.41 0.69 0.47

74 Passy Nant Bordon T 4.1 30000 3.0 NA 4.1 80.3 90 4211 0.89 0.58 0.46

74 Sallanche Reninge T 1.9 5000 2.0 3.8 4.9 82.4 31 2554 2.66 1 0.5

Table 2 Caractéristiques des ouvrages visités: Col1 : N° de département, col2 Commune de l’ouvrage, col 3 : torrent, col3 : phénomène torrentielle (DF : debris flow=laves torrentielles/T : transitory=mixte/BL : bed-load=charriage),col5 Superficie de bassin versant, col : volume de l’ouvrage, col7 : Hauteur de l’ouvrage, col8 : pente de curage, col9 : pente des dépôts observés, col 10 : longueur du bassin, col 11 : largeur du bassin, col 12 : surface du bassin, col 13 : Rapport d’aspect, col 14 : Compacité et col 15 : Excentricité




4.3.1. Modélisation physique des plages de dépôts – Travaux de Costanza Carbonari & Guillaume Piton – bassins L2C0.7E0.5

Une nouvelle forme de plage de dépôt a été construite sur les bases des analyses statistiques des mesures de terrains. Les expériences réalisées sur cette configuration redémontre l’existance des cycles de faciès d’écoulement chenalisé, dispersés en bras multiple depuis l’aval puis sur l’ensemble de la zone de dépôt.

Figure 19 : Photographies des écoulements dans différentes étapes d’un cycle : résultats similaires à la configuration rectangulaire.

Ici encore, le tri granulométrique semble être un facteur clé du contrôle des morphologies.

Figure 20 : Détail des morphologies et du tri granulométrique dans deux étapes clés à gauche un faciès d’écoulement en nappe et pavé ; à droite un chenal marqué après une rupture, apparition de la granulométrie fine sous-jacente.




En complément des mesures de topographies réalisées par photogrammétrie, des mesures de vitesses d’écoulement ont été réalisée par analyse d’image et utilisation du logiciel Fudaa qui réalise de la Large Scale Particle Image Velocimetry (LS-PIV).

Dans la suite des recherches menées par (Hauet et al. 2014; Le Coz et al. 2014), nous avons tenté d’appliquer la méthode aux écoulements torrentiels en faible submersion relative et en présence de fort transport sédimentaire.

Figure 21 : Image brute et champs de vitesses de surface mesurés par Fudaa superposé

Cette méthode semble prometteuse mais a montrer des résultats partiellement biaisés : les vitesses semblent sous estimées à la suite d’un contrôle indépendant par une méthode de Particle Tracking Velocimetry. Ce résultat est probablement causé par le trop faible rapport pixel/mm de nos images. Il n’a pas été possible d’abaisser ce rapport à cause de la trop grande mobilité du chenal actif dans la plage de dépôt.

Les données de vitesses et de topographies dans cette nouvelle configuration d’ouvrage sont en cours d’analyse à la fin du projet Risba. Le projet a permis de lancer la dynamique, de mettre en lumière des résultats inattendus et de compléter l’équipement du laboratoire IRSTEA. Cet équipement et la plateforme torrentielle seront encore utilisés pour approfondir le sujet.




4.3.2. Modélisation numérique des écoulements en tresses

Des tests ont été entrepris pour explorer la capacité des logiciels de modélisation numérique à reproduire les processus hydrauliques et géomorphologiques qui ont lieu dans les plages de dépôts.

Les expériences de (Le Guern et al. 2014) ont confirmé que les dépôts dans les pièges à sédiments ressemblent aux morphologies des rivières en tresses. Un travail de recherche a été lancé afin de déterminer si les outils numériques existants à ce jour sont capable de correctement modliser ces phénomènes de tressage, dont la dynamique naturelle et l’influence détaillée sur le transport solide sont encore mal comprises (Ashmore 2013)

Figure 22 : Faciès de tressage observés dans des plages de dépôt : sur le terrain (crue du torrent des Moulins – Epierre - Savoie France– 2013) et modèle physique du Chagnon (Koulinski et al. 2011)

(Rifaï 2014) a donc testé la capacité du logiciel TELEMAC2D-SYSIPHE à reproduire des systèmes en tresses. Les rivières en tresses sont des cours d’eau présentant plusieurs chenaux qui se divisent, s’entrecroisent et se rejoignent séparés par plusieurs bancs éphémères. L’abondance de l’apport en sédiments, une puissance forte et des berges facilement érodables sont des conditions nécessaires au tressage. La complexité apparente du schéma de tressage ainsi que sa grande dynamique rendent le cas des rivières tressée intéressant aussi bien pour la compréhension que pour la modélisation. Plusieurs travaux de recherches en modélisation numérique de la morphodynamique s’intéressent au cas des rivières en tresses.

Dans ce travail, nous avons cherché à évaluer la robustesse d’un modèle 2-D à base physique (TELEMAC2D couplé à SISYPHE) et juger son habilité à reproduire la dynamique de tressage ainsi que l’évolution du motif résultante de différents forçages. La construction du modèle a été largement inspirée d’expériences en canal illustrant l’initiation du tressage et son développement. L’idée était ensuite de remodéliser numériquement les étapes de formation et d’établissement des faciès de tressage.




Figure 23 : Modèle physique : Formation progressive d’un faciès de tressage dans un lit à granulométrie bimodale, complexification progressive des formes du lit et tri granulométrique (Rifaï 2014)

Ce choix a été motivé par la disponibilité de données et de points de comparaison. De plus, le fait de prendre comme état initial un fond plat et des conditions aux limites les plus simples possible, nous a permis de mener une analyse isolée de la capacité du modèle à reproduire un motif de tresses et maintenir son développement.

Les simulations 2-D ont été menées par la méthode des éléments finis pour la partie hydrodynamique et par la méthode des volumes finis pour la partie morphodynamique. Les schémas numériques utilisés pour la convection des vitesses et hauteurs d’eau sont, respectivement, la méthode des caractéristiques et le schéma distributif PSI conservatif, en accord avec les paramètres par défaut de TELEMAC. Par ailleurs, l’effet de la pente, la




déviation des sédiments transportés ainsi que les courants secondaires ont été pris en compte dans ce travail.

Les résultats des simulations ont montré que le modèle TELEMAC2D/SISYPHE a permis de reproduire avec succès la phase initiation du motif de tressage:

Figure 24 :Modèle numérique : Résultat de la topographie du lit dans une des modélisations réalisées

Le relief obtenu était comparable aux motifs des modèles physiques de tresses. En effet, la dynamique de formation des tresses et la formes des bancs est similaires à celles observées pour des rivières naturelles et bancs d’essais.

Néanmoins, une fois les tresses formées, elles ne sont plus maintenus et le modèle converge vers une morphologie à chenal unique. Cela suggère un manque de variabilité latérale de l’afflux liquide et solide et/ou une mauvaise représentation des processus d’érosion des berges due à un raffinement insuffisant du maillage.

En synthèse les tests montrent des résultats encourageant mais une incapacité du logiciel à maintenir le faciès caractéristiques à chenaux multiples. Des recherches plus approfondies sur les équations décrivant les mécanismes de tri granulométriques et sur la capacité du logiciel à réviser son maillage de calcul en temps réel doivent être menées avant de pouvoir espérer appliquer les outils numériques actuels dans des études de conceptions de plages de dépôts.

Le mémoire complet des Ismail Rifaï est fourni en annexe.




5. Conclusions

Les retenues collinaires et d’altitude doivent être protégées contre les risques torrentiels qui peuvent sévir à leur voisinage.

Des techniques de protection contre les érosions doivent être mises en place si des écoulements approchent les infrastructures. Il faut en complément protéger l’ouvrage contre les dépôts si ce dernier n’est pas transparent. Pour piéger l’ensemble de la charge sédimentaire en amont des retenues collinaires et d’altitude, nous préconisons donc de mettre en place des pièges à sédiments.

Ces derniers seront équipés d’un bassin à la largeur maximum possible afin de maximiser l’effet ② (l’étalement de la lame d’eau et des écoulements). Partout où cela est possible, leurs pentes

seront abaissées pour maximiser l’effet ① (la diminution de la capacité de transport dans le bassin du barrage liée à une pente de bassin plus faible que la pente amont du cours d’eau). Si des déblais sont nécessaires pour établir les bassins, le haut des bassins sera équipé d’une structure de type barrage de correction limitant le risque de déstabilisation du chenal amont.

Figure 25 : Vue aérienne des plages de dépôt de la Gresse (Isère, France) et du Nant Bourdon (Haute Savoie, France) : bassin élargi promouvant l’étalement de la lame d’eau et le dépôt des graviers, situé de plus à des ruptures de pente naturelles (photos géoportail.fr)

Les barrages filtrants de fermeture des ouvrages seront équipés de barreaux très rapprochés

ou de petit pertuis (Figure 14 a et d) pour maximiser les effets ③ et ④ (sédimentation de la charge grossière dans la zone d’eau calme liée au remous liquide en amont du barrage filtrant et blocage mécanique des matériaux transportés contre le barrage filtrant).

Figure 26 : ouvrages à petites ouvertures visant une rétention complète des sédiments par blocage mécanique : plages du Nant Bourdon et du Nant Rouge (Haute Savoie, France)




Si la place manque pour mettre en place des pièges à sédiments de taille adaptée à la production sédimentaire naturelle du bassin versant amont, des barrages de correction torrentielle seront mis en place pour mettre à profit leur effet de modulation du transport solide en amont du piège à sédiment.

Enfin, dans le cadre de l’action 2.5 du projet RISBA, un important travail bibliographique a été réalisé pour mettre en évidence les bonnes pratiques et règles de l’art en matière de protection contre les risques torrentiels.

o L’équipe d’IRSTEA travaillant dans le cadre du projet RISBA s’est associée à une autre équipe IRSTEA pour rédiger un livre de synthèse sur les bonnes pratiques en matière de conception des protections contre les risques torrentiels. Ce travail sera publié en 2015 (Tacnet et al. in preparation)

o Deux articles traitant de la conception des pièges à sédiments utilisant des barrages filtrants sont en cours de finalisation de révision et sont d’ors et déjà accepté par le Journal of Hydraulic Engineering (Piton & Recking 2015a; Piton & Recking 2015b):

o Le premier article (DESIGN OF SEDIMENT TRAPS WITH OPEN CHECK DAMS: A REVIEW, Part I: hydraulic and deposition processes) traite de la conception des ouvrages du point de vue hydraulique et sédimentation. Il présente d’abord le contexte général dans lequel ces ouvrages sont construits. Leurs fonctions sont discutées. Une procédure détaillée de conception est proposée. La seconde partie concerne le design hydraulique de la forme du barrage filtrant et de son évacuateur de crue. La troisième partie s’intéresse à la formation et au développement des dépôts, à l’effet du caractère transitoire des crues et décrues, à l’effet de la forme du bassin et de sa pente de fond. Des formules sont proposées pour estimer les hauteurs et pentes de dépôts. L’article se termine par un panorama des questions scientifiques demandant encore du travail afin de parfaire ce domaine de travail.

o Le second article (DESIGN OF SEDIMENT TRAP USING OPEN CHECK DAMS: A REVIEW, Part II: Woody debris problems) s’intéresse plus particulièrement au problème des flottants. En effet des retours d’expériences montrent que les flottants ont une incidence très importante sur le fonctionnement des pièges à sédiments et plages de dépôts. Pour mieux prendre en compte cet aspect, l’article propose: une première partie s’intéressant aux méthodes d’estimation de la production de flottants par les bassins versants en temps de crue en terme de volume et de dimension. Quelques éléments sont donnés sur leur transfert et incidences sur les écoulements. Une seconde partie qui détaille les retours d’expériences connus sur les interactions entre flottants et différentes formes de barrages: ces élements doivent permettrent aux concepteur de déterminer le type de structure le plus adapté aux besoins de chaque site. La troisième partie rapporte les critères de conception visant les dimensions des ouvertures, les efficacités et les capacités de piégeages et les pertes de charges associées aux flottants. Enfin une procédure détaillée de conception est proposée et ces pistes de recherches futures sont fournies.

o Un article rapportant l’histoire de l’usage des barrages de correction torrentielle dans les manuels rédigés par les forestiers et ingénieurs chargés de la Restauration des Terrains en Montagne. Ce travail remet en perspective les évolutions conjointes des connaissances des processus torrentiels et des techniques et rôles donnés aux barrages. Il analyse comment l’homme a adapté la technique de la correction des torrents au fur et à mesure de sa meilleur compréhension des phénomènes en jeux. Il permet, a posteriori, de définir une grille de lecture des rôles des barrages situés en divers points des bassins versants torrentiels (Piton et al. in preparation.).




6. Sommaire

1. Contexte .............................................................................................................................. 2

1.1. Implantation des ouvrages ............................................................................................ 2

1.2. Aléas torrentiels ............................................................................................................ 3

1.3. Hydrologie torrentielle ................................................................................................... 3

1.4. Erosion de sols et limitation des apports sédimentaires à l’échelle du bassin versant .. 3

1.5. Techniques de corrections torrentielles ........................................................................ 4

1.5.1. Plantation et génie biologique ................................................................................ 4

1.5.2. Stabilisation des chenaux dans les hauts bassins ................................................. 5

1.5.3. Piégeage des sédiments avant l’arrivée dans la retenue ....................................... 5

1.5.4. Chenalisations ....................................................................................................... 6

2. Objectif de l’action 2.5 du projet RISBA : la protection des retenues contre les sédiments .. 7

2.1. Contexte de la problématique ....................................................................................... 7

2.2. Questions abordées dans le cadre de l’action 2.5 ........................................................ 8

3. Stabilisation amont des lits torrentiels : utilisation des barrages de correction torrentielle .... 9

3.1. Objectif des barrages de correction .............................................................................. 9

3.2. Nouveaux éléments mis en évidence par les essais conduits dans le projet RISBA ..... 9

3.2.1. Dispositif expérimental et résultats ........................................................................ 9

3.2.2. Discussion ........................................................................................................... 12

3.2.3. Conclusion sur l’effet des barrages de correction torrentielle ............................... 14

4. Piégeage des sédiments en amont de la retenue : utilisation des barrages filtrants ........... 15

4.1. Objectif des barrages filtrants ..................................................................................... 15

4.2. Mécanismes contrôlant le piégeage ........................................................................... 16

4.3. Nouveaux éléments mis en évidence par les essais conduits dans le projet RISBA ... 17

4.3.1. Questions scientifiques ........................................................................................ 17

4.3.2. Démarche de recherche ...................................................................................... 17

4.3.3. Modélisation physique des plages de dépôts – Travaux de Jules Le Guern & Guillaume Piton – bassins rectangulaires .......................................................................... 18

4.3.4. Visites de sites .................................................................................................... 20

4.3.1. Modélisation physique des plages de dépôts – Travaux de Costanza Carbonari & Guillaume Piton – bassins L2C0.7E0.5 .............................................................................. 25

4.3.2. Modélisation numérique des écoulements en tresses .......................................... 27

5. Conclusions ....................................................................................................................... 30

6. Sommaire .......................................................................................................................... 32

7. Référence .......................................................................................................................... 33




7. Référence

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Annexes:

o Mémoire de master de Jules Le Guern

o Compte rendu des visites de site

réalisées dans le cadre du projet Risba

o Mémoire de master de Ismail Rifaï

___________________________________________________________________________ Département Géosciences -Environnement EA 6293 GéHCO GéoHydrosystèmes Continentaux

Rapport de stage de fin d’études pour l’obtention

de la 2nde

année de Master

Modélisation physique et étude

morphologique des dépôts dans les ouvrages

de correction torrentielle (plages de dépôt).

Le Guern, Jules

23 Juin 2014

Année universitaire : 2013 - 2014

Master Sciences de l’Eau et de l’Environnement

Hydrosystèmes et Bassins Versants :

diagnostic et risque environnemental

Encadrement : Guillaume PITON et Alain RECKING

Organisme d’accueil : IRSTEA, 2 Rue de la Papeterie, 38402 Saint-Martin-d'Hères

Remerciements

Je tiens tout d’abord à remercier sincèrement Guillaume Piton qui m’a encadré pendant ce

stage et avec qui j’ai énormément appris pendant ces cinq derniers mois. Il a su être présent et

disponible pour me conseiller et m’orienter dans mon travail. Il m’a transmis son engouement, sa

rigueur et sa passion tout au long de ce stage. J’ai appris chaque jour à tes côtés Guillaume et

pour cela je te témoigne toute ma reconnaissance.

Je tiens également à remercier Alain Recking qui m’a fait intégrer l’équipe ETNA et avec qui j’ai pu

échanger et discuter de mon travail mais aussi de mon avenir. Merci, Alain, pour l’attention que tu

m’as porté et les conseils que tu m’as donné. Tu as également su valoriser mon travail lorsque

j’étais en proie au doute, seul au labo. Merci de m’avoir permis de vivre cette expérience.

J’attache une importance toute particulière à remercier Hervé Bellot pour tout le temps qu’il a

passé à programmer le matériel du laboratoire et sans qui je n’aurais pu effectuer ce travail (cf. la

Pitonade). Merci pour ta disponibilité malgré ton emploi du temps chargé et pour toutes les

discussions que nous avons pu avoir.

Nombreuses sont les personnes impliquées de près ou de loin dans ce travail. Je souhaite toutes

les remercier car sans eux, je n’aurais pas pu arriver jusque-là. Merci à Frédéric Ousset et

Christian Eymond-Gris pour m’avoir supporté et beaucoup aidé dans mes bricolages réguliers.

Merci également à Ismail Rifai avec qui j’ai partagé mon bungalow et qui avec qui j’ai eu de

nombreuses discussions enrichissantes. Merci à Dominique l’Aigle pour avoir pris le temps de me

montrer son modèle et d’être venu me conseiller. Merci aussi à Julie Pellan pour m’avoir aidé dans

toutes les manips en laboratoire. Merci enfin à tous mes amis stagiaires et mes coéquipiers de

football dont je n’aurai pas la place d’énoncer tous les noms et avec qui j’ai passé d’agréables

moments les midis comme les weekends.

Pour finir, je remercie ma petite femme et mon fils pour leur patience et leur courage. Passer ces

longs mois loin de vous ne fut pas facile tous les jours, pour vous comme pour moi.

Cette étude a été financée par l’IRSTEA et le projet Européen ALCOTRA : RISBA.

~ 1 ~

Sommaire

Remerciements ............................................................................................................................... 1

Sommaire ....................................................................................................................................... 1

Introduction ..................................................................................................................................... 2

1. Présentation de la problématique et synthèse bibliographique ................................................ 3

1.1. L’hydraulique torrentielle ................................................................................................... 3

1.2. Application de la photogrammétrie à la géomorphologie ................................................. 10

2. Matériel et méthodes ............................................................................................................. 14

2.1. Le dispositif expérimental ............................................................................................... 14

2.2. Le dispositif de mesure ................................................................................................... 20

3. Résultats ............................................................................................................................... 28

3.1. Pente et concentration .................................................................................................... 28

3.2. Cycles morphologiques ................................................................................................... 29

3.3. Tri granulométrique ......................................................................................................... 32

3.4. Pentes de dépôt et de transport ...................................................................................... 32

4. Discussion ............................................................................................................................. 40

4.1. Similarités avec les morphodynamiques connues ........................................................... 40

4.2. Initialisation de l’incision : renaissance de la «dune à forte pente».................................. 41


4.4. Pente .............................................................................................................................. 42

Conclusion et perspectives ........................................................................................................... 46

Bibliographie ................................................................................................................................. 47

Table des figures .......................................................................................................................... 51

Table des matières ....................................................................................................................... 53

Annexes ........................................................................................................................................ 55

Résumé ........................................................................................................................................ 62

Abstract ........................................................................................................................................ 62

~ 2 ~

Introduction

Le présent rapport s’inscrit dans le cadre d’un stage de master 2 réalisé au sein de l’équipe

ETNA de l’IRSTEA de Grenoble. Il a pour objectif de décrire la morphologie et l’évolution des

dépôts au sein d’un barrage de correction torrentielle (plage de dépôt) mis en place sur un torrent

pour gérer les risques liés aux apports massifs de sédiments. Cet ouvrage est destiné à contenir

les écoulements lors des crues pour préserver des zones à enjeux situées juste en aval de

l’ouvrage. Cette étude morphologique est réalisée sur la base d’un modèle physique et l’acquisition

des données est effectuée à l’aide de la photogrammétrie.

Les phénomènes se développant dans les hydrosystèmes d’altitude sont radicalement

différents de ceux des systèmes fluviaux de plaine. La principale différence réside dans la pente

de ces systèmes. Les fortes pentes des torrents contribuent à passer dans le domaine torrentiel où

l’équilibre du système est difficile à déterminer. Ainsi, les lois qui régissent l’hydraulique et le

transport solide dans les systèmes fluviaux ne sont plus valables.

Dans un premier temps, ce rapport pose la problématique et le contexte de cette étude au

travers d’une analyse bibliographique des spécificités de l’hydraulique torrentielle. Il présente

ensuite le matériel et les méthodes employés afin de répondre à cette problématique : le canal

hydraulique et la photogrammétrie. Enfin, les résultats des expérimentations en laboratoire seront

présentés, en particulier les cycles morphologiques observés et les aspects de tri granulométrique.

Dans un second temps, ces résultats sont discutés et confrontés aux observations tirées de la

littérature scientifique.

~ 3 ~

1. Présentation de la problématique et synthèse bibliographique

1.1. L’hydraulique torrentielle

Les torrents sont situés à l’amont des réseaux hydrographiques et ils contrôlent ainsi tous

les apports (liquides et solides) des hydrosystèmes de plaine. Ils participent à la régulation de

l’équilibre morphologique des rivières de piémont (Recking et al., 2013). Les torrents peuvent être

distingués des rivières torrentielles et des rivières principalement par leur pente. Ainsi, Meunier

(1991) définit une rivière en deçà d’une pente de 1.5%, une rivière torrentielle pour une pente

inférieure à 6% et un torrent au-delà de 6%. Il caractérise également un torrent par un lit de nature

et de profil plus irrégulier, par des écoulements plus turbulents et plus chargés en matériaux divers

(large gamme granulométrique et débris végétaux), ce qui induit différents modes de transport des

sédiments (charriage, charriage hyperconcentré, transport en masse, laves torrentielles). La

spécificité des torrents réside également dans leur régime de crue. En effet, à l’inverse des

rivières, les torrents sont caractérisés par des crues violentes et soudaines provoquées par des

pluies de même nature.

Le bassin versant torrentiel comporte trois zones fonctionnelles. Une zone de production,

composée d’un réseau de ravins, fourni les matériaux à un chenal. Les écoulements sont

concentrés au sein de ce chenal et ce dernier assure le transite des matériaux vers l’aval (zone de

transfert). Les matériaux sont ensuite acheminés vers une zone de dépôt qui forme un cône de

déjection. Le bassin versant torrentiel constitue donc à la fois un système fluvial complet, et à plus

petite échelle, la zone de production d’un système fluvial plus grand.

1.1.1. Le transport solide en contexte torrentiel

En hydraulique fluviale, on distingue trois types de transport des sédiments dans les cours

d’eau :

La suspension est le transport des particules fines au sein de l’écoulement. Les sédiments

sont maintenus grâce à la turbulence.

La saltation est le transport de sédiments par bonds successifs sur le lit.

Le charriage est un transport par roulement des grains sur le lit.

Les fortes pentes du contexte torrentiel mettent en jeu des forces considérables qui permettent

une multitude de types de transports dans les torrents.

Les laves torrentielles font partie du domaine d’étude de l’hydraulique torrentielle. En effet,

Meunier (1991) place l’hydraulique torrentielle à mi-chemin entre l’hydraulique fluviale et la

géomécanique (étude des sols et matériaux granulaires). La Figure 1 montre l’évolution des

phénomènes entre un pôle « eau » et un pôle « matériau solide ». En augmentant la teneur en

matériau solide (donc la pente pour augmenter la capacité de transport), on passe

progressivement de l’hydraulique fluviale où le charriage et la suspension dominent, vers des

écoulements hyperconcentrés où le solide influence beaucoup les écoulements. Ce type

d’écoulement peut être observé tant dans un matériau fin et cohésif que dans un matériau plus

grossier (charriage hyperconcentré). Le domaine des laves torrentielles se situe par exemple dans

un domaine très concentré en matériau solide, ce qui lui confère des propriétés rhéologiques

caractéristiques.

~ 4 ~

Figure 1 : Schéma de transition des disciplines en fonction du phénomène étudié, (modifié d’après Meunier,

1991).

Les laves torrentielles se forment dans un contexte montagnard à forte pente, où une zone

de production en matériau solide est connectée au torrent et est susceptible de l’alimenter. Bardou

(2002) met en évidence que le déclenchement d’une lave torrentielle est lié aux prédispositions

d’un bassin versant. Ainsi, un bassin versant ne réagit pas de la même manière à deux

évènements hydrologiques de même intensité. Ce système met en balance les prédispositions de

base du bassin versant (géologie, topographie,…), les prédispositions variables (principalement la

disponibilité du matériau meuble) et les facteurs dégradants (pluie, température, …). La Figure 2

illustre cette balance qui, lorsque les facteurs dégradants affectent la stabilité du système, se

retrouve en déséquilibre et provoque le déclenchement de laves. Ainsi, un stock moyen de

matériau combiné à une forte pluie peut déstabiliser le système, tout comme la combinaison d’un

grand stock de matériau avec une faible pluie. Sur la Figure 2, l’augmentation brutale des

prédispositions de base peut être attribuée à un glissement de terrain dans le chenal qui modifie

sa morphologie et fournit une grande quantité de matériau mobilisable.

Hydraulique fluviale

Hydraulique torrentielle

Mécanique des sols

Mécanique des

roches

~ 5 ~

Figure 2 : Illustration qualitative de l'équilibre d'un bassin versant torrentiel (Bardou, 2002).

Les versants contrôlent les apports sédimentaires aux chenaux. Toutefois, leur fonctionnement est

fortement transitoire dans l’espace et dans le temps. Recking et al. (2013) parlent de pulsations

détritiques de versant rythmées par les processus de pente, ce qui se traduit par une

morphodynamique très variable, avec des cycles de dépôt et de reprise de sédiment. La notion de

régime d’équilibre (balance de Lane) ne peut donc pas être appliquée aux torrents.

Les laves se différencient des écoulements de charriage torrentiel par leur concentration en

matériau solide (50 à 80 % en volume). Leur régime d’écoulement, qui est fortement transitoire,

induit un fonctionnement par ondes (« bouffées ») (Recking et al., 2013). Elles présentent les

caractéristiques d’un écoulement monophasique, c’est-à-dire les caractéristiques d’un écoulement

où le solide et l’eau ont la même vitesse, par opposition à l’écoulement biphasique, où l’eau se

déplace plus vite que le solide, comme pour le charriage. Les dépôts de laves ne présentent pas

de tri granulométrique, mise à part la présence de gros blocs sur le front de lave, et leur granularité

très étendue. Ainsi, la morphologie particulière de ces écoulements se caractérise par la présence

d’un front de lave, de bourrelets latéraux, d’un corps et d’une queue de coulée (Figure 3) (Recking

et al., 2013).

Figure 3 : Entités fonctionnelles d'un laves torrentielle (Bardou, 2002).

Selon l’aspect, respectivement plus ou moins marqué, de ces traits morphologiques mais

aussi de la composition de l’écoulement (rapport eau/matériau), on distingue des laves torrentielles

boueuses, des laves torrentielles granulaires mais aussi des laves torrentielles de type lahars

(coulées de cendres volcaniques) (Recking et al., 2013). Meunier (1985) distingue les coulées

boueuses (mud flow) des laves torrentielles (debris flow) par leurs origines (hydraulique pour les

laves et rupture de versant pour les coulées). Le charriage torrentiel (granular flow) est caractérisé

par Meunier (1985) comme un écoulement biphasique et se différencie ainsi des laves et des

coulées.

~ 6 ~

Le charriage torrentiel traduit les processus de transport des sédiments en contexte de

forte pente. Alternativement, ces processus prennent la forme de charriage hyperconcentré et de

charriage ordinaire. Dans le cas du charriage hyperconcentré, les concentrations en débit solide

sont nettement supérieures à celles du charriage ordinaire (Figure 4) et les hauteurs d’eau sont

fortement influencées par le transit des sédiments. En effet, Smart and Jaeggi (1983) ont mis en

évidence qu’à partir d’une pente d’environ 7%, la hauteur d’eau pour un débit donné est supérieure

à la hauteur d’eau si il n’y avait pas de sédiments en transit. Ceci montre l’influence des sédiments

sur la hauteur d’eau en contexte torrentiel. Ainsi, les lois classiques de l’hydraulique ne peuvent

pas être prisent en compte pour traduire ces phénomènes mais l’hydraulique torrentielle permet de

les traduire. L’intensité du transport solide induit également une forte variabilité du fond du torrent,

qui est constamment remanié au rythme des dépôts et des érosions. Contrairement aux rivières de

plaines où le risque d’inondation est principalement dû aux variations du niveau d’eau, les rivières

torrentielles et les torrents présentent des risques de débordements selon la concentration solide

de l’écoulement mais aussi suivant les variations locales et rapides du fond (couramment

dénommées « respiration du lit » par les professionnels du milieu).

Figure 4 : Méthode de classification des types de rivières permettant de distinguer la rivière torrentielle du

torrent selon des critères hydrauliques et sédimentaires (Liébault, 2003).

La limite entre le charriage et le charriage hyperconcentré peut être définie en fonction de

la couche de matériaux transportés. Lorsqu’il n’y a qu’une seule épaisseur de grains, on considère

qu’il s’agit de charriage. Dans le cas du charriage hyperconcentré, le transport s’effectue avec une

couche d’épaisseur supérieure au diamètre des grains. Le charriage hyperconcentré diffère des

laves par son caractère multi-phasique et sa concentration en sédiments mais il présente

également des points communs, tels que son fonctionnement par bouffées et son faible tri

granulométrique (Koulinski, 1993).

Tous ces processus de transport interviennent dans les torrents et peuvent se produire

successivement. Or, l’absence de frontières bien distinctes entre ces phénomènes rend difficile

leur compréhension.

~ 7 ~

1.1.2. Les ouvrages de correction torrentielle (plages de dépôt)

De 1790 à 1850, les bassins versants alpins sont le lieu d’une déforestation intensive due à

la pression démographique post-Révolution française. La mise en place de ces pratiques induit

une augmentation de la production sédimentaire qui conduit à une aggradation au sein du lit des

torrents. Pour contrôler l’érosion des bassins versants et lutter contre les crues torrentielles, l’Etat

a mis en place le service RTM (Restauration des Terrains de Montagne) chargé d’appliquer un

programme de reforestation entre 1860 et 1910 (Ancey, 2011). La mise en place de la végétation

dans les terrains de montagne s’est accentuée lors des années 1950 suite à l’abandon des zones

rurales par la population (Liébault et al., 2005). La végétalisation a contribué à l’incision des

torrents par déficit d’apports sédimentaires. L’incision a engendré une réduction de la bande active

des torrents, et favorisé l’installation de la végétation, ce qui provoque une augmentation de la

rugosité, une baisse des vitesses et une augmentation de la hauteur d’eau. Cette association de

facteurs favorise le débordement des torrents lors des crues. De plus, l’aménagement des cônes

de déjection des torrents induit la nécessité de lutter contre les risques de débordement.

C’est dans ce contexte que les plages de dépôt ont été implantées dans les Alpes françaises

depuis les années 1970. Les premières plages de dépôt ont été installées à la fin des années

1930, puis les installations se sont multipliées entre 1980 et 2000. En 2008, le département de

l’Isère dénombrait environ 130 plages de dépôt (Liébault et al., 2010). Les plages de dépôt

peuvent être considérées comme des outils de la gestion des sédiments (Van Effenterre, 1981) et

peuvent également servir d’outil de mesure du transport solide torrentiel grâce à l’historique du

suivi de ces ouvrages (Veyrat-Charvillon and Memier, 2006 ; Liébault et al., 2010).

Les ouvrages de correction torrentielle sont mis en place sur les torrents dans le but de

protéger les zones aval qui sont souvent le lieu d’enjeux majeurs. Les ouvrages de protection sont

de deux types (Recking et al., 2013) (Figure 5A) :

Les ouvrages de protection « active » qui visent à traiter directement les causes de

l’érosion (stabilisation) et qui sont le plus souvent placés à l’amont du bassin versant

(barrages, seuils et reboisement).

Les ouvrages de protection « passive » dont le but est plutôt de limiter les conséquences

de l’érosion et du transport solide afin de protéger l’aval du bassin versant. Ils sont

positionnés au niveau du sommet du cône de déjection.

~ 8 ~

Figure 5 : Les aménagements torrentiels. A : Schémas d’un bassin versant torrentiel avec aménagement mixte

(actif et passif) (Deymier et al., 1995). B : Eléments d'un ouvrage de sédimentation (modifié d’après Zollinger,

1983).

Les plages de dépôt entrent dans la catégorie des ouvrages de protection « passive » (Figure 5B).

Leur rôle est de contenir les dépôts sédimentaires et les laves torrentielles afin d’éviter les

débordements dans la vallée. Les phénomènes de dépôt y sont favorisés par l’élargissement de la

section transversale et la diminution de la pente (Zollinger 1986).

Dans un cas idéal, la plage doit permettre une continuité sédimentaire pour des petites

crues (charriage) et doit créer une discontinuité lors des fortes crues torrentielles. Cet ouvrage est

constitué d’un barrage d’entrée connecté de façon directe (Figure 5B) ou indirecte à la zone de

dépôt. Cette zone de dépôt est entourée de digues latérales et l’ouvrage se termine par un barrage

de sortie dont les ouvertures peuvent être de plusieurs types (pertuis, grilles, fentes,…). Ces

différents types d’ouverture induisent des comportements de l’ouvrage totalement différents. Ainsi,

une étude réalisée conjointement par Sogreah, ETRM (bureau d’études Eaux, Torrents et Rivières

de Montagne) et les services départementaux RTM, a permis de mettre en évidence l’influence

des différents types d’ouvertures lors de crues torrentielles (SOGREAH et al. 2011). Cette étude

est préalable à l’installation d’une plage de dépôt sur le Torrent du Chagnon, afin de réduire les

risques de débordements liés à son engravement au niveau de la confluence avec le Chagne. Lors

de cette étude, 13 essais ont été réalisés en faisant varier le type d’ouverture (Figure 6) (fentes

horizontales, verticales, circulaires, en trapèze, avec peigne, plus ou moins profondes,…), l’apport

ou non de flottant (végétation) ainsi que la durée de l’hydrogramme.

A B

~ 9 ~

Figure 6 : Exemple d'ouvertures de plage de dépôt en modèle physique. A : fente large, B : 10 ouvertures

circulaires avec fente, C : fente étroite et profonde avec peigne, D : 4 fentes horizontales décalées. (SOGREAH

et al., 2011).

Les résultats montrent que la forme et la position des ouvertures sur le barrage ont

tendance à influencer la reprise ou la stabilisation des sédiments à la décrue, tandis que la

présence de flottants influence beaucoup le volume des dépôts au sein de l’ouvrage (Figure 7).

Dans le cas du Chagnon, l’ouvrage idéal doit permettre un stockage quasi inexistant lors de la

montée de crue puis un stockage maximum à la pointe de la crue. De plus, il doit permettre une

rétention des flottants et ne doit pas permettre la reprise de sédiments à la décrue afin de limiter

les risques à l’aval de l’ouvrage. La complexité de l’ouvrage retenu pour cette étude témoigne de la

difficulté à remplir ces multiples critères d’efficacité. Compte tenu de la grande variété du

fonctionnement des torrents, il n’y a pas un type d’ouvrage adapté mais le cahier des charges doit

être adapté à chaque site.

Figure 7 : Volumes stockés au cours d'un hydrogramme de crue pour différentes configurations d'ouvrage

terminal (SOGREAH et al. 2011).

La mise en place de ce type d’ouvrage n’est pas sans conséquences à l’aval. En effet, si l’ouvrage

terminal stoppe tous les matériaux au lieu de réguler leur transit, le déficit de sédiment à l’aval de

l’ouvrage entraine une érosion du lit et potentiellement une déstabilisation des ouvrages à l’aval

A B

C D

~ 20 cm

~ 10 ~

(Frey et al., 1999). Ces observations ont également été réalisées sur les modèles réduits avec un

important affouillement du seuil à l’aval de la plage de dépôt (SOGREAH et al., 2011).

Les plages de dépôt posent également un problème pour leur coût d’entretien. En effet, selon la

fréquence des crues torrentielles, la plage doit être curée entre chaque évènement afin de garder

sa capacité de stockage maximale. Ce coût est d’autant plus important si les matériaux ne peuvent

être exploités après curage (Frey et al., 1999). L’auto-curage peut être facilité suivant le type

d’ouvrage terminal (Zollinger, 1986). Outre le type d’ouverture final, le volume et la forme de la

plage sont des paramètres primordiaux à prendre en compte.

Deux grands éléments restent à éclairer dans le fonctionnement des plages de dépôt des cours

d’eau à charriage (les laves torrentielles posent d’autres questions qui n’ont pas été traitées dans

ce travail).

Quel sont les lois d’hydraulique pure qui décrivent les ouvrages de fermeture des plages de

dépôt? Comment s’adaptent-elles à la présence d’un transport massif de sédiments ou de

flottants?

Quelle est la dynamique des dépôts sédimentaires dans les plages ? Ces phénomènes

diffèrent très clairement des phénomènes d’équilibre morphologique et les formules de

transport ne s’appliquent peut-être plus dans ce contexte.

Ce travail porte spécifiquement sur la deuxième question et vise à fournir un outil d’étude du

phénomène ainsi qu’à initier les premières simulations.

1.2. Application de la photogrammétrie à la géomorphologie

La photogrammétrie est née au XIXème siècle, suite à l’essor des appareils de restitution et

des chambres de prise de vue. Cette technique permet de reconstituer le relief d’un objet ou d’un

paysage à partir de photographies prises d’au moins deux points de vue différents, et d’effectuer

des mesures altimétriques ou volumétriques. En quelque sorte, cette méthode permet de restituer

la vision humaine (3D) comme le fait notre cerveau en observant la même scène à partir de deux

points de vue différents (principe de la stéréoscopie). La photogrammétrie connait de nombreuses

applications, dont la principale est la cartographie à partir de photographies aériennes. Cette

application a notamment été développée lors de la seconde Guerre Mondiale pour la conception

de cartes d’état-major. Elle est également utilisée en architecture, génie civil ou encore en

urbanisme. Ce n’est que dans les années 1990 que cette technique a été développée par les

géomorphologues au profit de domaines d’étude très variés (processus de versant, fluctuations de

glaciers, dynamique fluviale,…) (Veyrat-Charvillon, 2005). Cette technique permet notamment

d’effectuer un suivi temporel et spatial de l’évolution de ces systèmes. De multiples auteurs ont

utilisés cette technique pour acquérir des donnée, tant sur le terrain qu’en laboratoire.

1.2.1. Application sur le terrain

Sur le terrain, la photogrammétrie peut être mise en œuvre par voie aérienne (avions,

drones, ballons,…) mais aussi directement depuis le sol. On distingue ainsi la photogrammétrie de

courte distance (close range photogrammetry) de la photogrammétrie aérienne (aerial

photogrammetry). Le principal objectif de l’utilisation de cette technique en géomorphologie est

l’acquisition de MNT (Modèle Numérique de Terrain). Les récent progrès en termes d’analyse

d’image et de calcul par ordinateur ont contribué au développement de nouvelles méthodes

automatisées pour la conception de nuages de points denses, appelées Structure-from-Motion

~ 11 ~

(SfM). Ceci contribue à faire de la photogrammétrie une technique en développement face à ses

« concurrents » (LiDAR, Laser Scane ou suivi GPS) beaucoup plus onéreux et lourds à mettre en

œuvre. Une récente étude met en évidence la qualité des résultats obtenus avec la méthode SfM

utilisant le même logiciel que pour notre étude (Agisoft Photoscan). En effet, les MNT réalisés sur

une rivière en tresses de Nouvelle-Zélande présentent une erreur dans le plan XY d’environ 0,04m

et de 0,10m en altitude (Javernick et al., 2014). Toutefois, il est nécessaire de coupler ces

mesures altimétriques avec un suivi bathymétrique afin de corriger le MNT du niveau d’eau dans

les chenaux et ainsi de pouvoir réaliser des mesures sur les sections des chenaux (Figure 8).

Figure 8 : MNT de la rivière en tresse Ahuriri (Nouvelle-Zélande) réalisé sous Agisoft Photoscan (Javernick et al.,

2014).

De plus, Fonstad et al. (2013) montrent que les MNT réalisés avec la méthode SfM sont

comparables aux MNT réalisés par LiDAR en matière de densité de points mais aussi en matière

de précision (de l’ordre du centimètre) (Figure 9). En outre, la méthode SfM est beaucoup moins

couteuse et permet un traitement des données simplifié.

Figure 9 : Comparaison de MNT SfM et LiDAR (Fonstad et al. 2013). A : photo aérienne. B : MNT SfM. C : MNT

LiDAR.

Ces résultats montrent tout de même que le MNT SfM est moins précis que le LiDAR dans la zone

boisée du Sud de la zone d’étude (Figure 9) et que les résultats obtenus nécessitent une

correction de la végétation.

Une des nombreuses applications de cet outil est l’étude des formes d’érosion et de dépôt

(Lapointe et al., 1998; Lane et al. 1994, 1996, 1998). Lane, Westaway, and Murray Hicks (2003)

ont utilisé la photogrammétrie associée à un laser altimétrique pour étudier les changements

morphologiques d’une rivière en tresses entre deux épisodes de crue. Ils ont ainsi pu estimer les

zones de dépôt et d’érosion en soustrayant les MNT issus des différentes campagnes de mesures

(Figure 10).

A B C

~ 12 ~

Figure 10 : Carte d'un secteur de la rivière Waimakariri (Nouvelle-Zélande) montrant les zones en érosion et les

dépôts entre février 1999 et février 2000 (Lane et al., 2003).

De même, Veyrat-Charvillon & Memier (2006) ont établi des estimations du budget

sédimentaire et des taux d’érosion du torrent du Manival (Isère) à partir de photos d’archive et du

principe de stéréophotogrammétrie. D’autres auteurs ont utilisé la photogrammétrie à courte

distance (close range) afin de réaliser des MNT de la surface des barres d’une rivière graveleuse

(Figure 11) et ainsi de déterminer la rugosité de surface de ces barres dans le but de paramétrer

un modèle hydraulique (Butler et al., 2014 ; Carbonneau et al., 2003).

Figure 11 : A. Photo utilisée pour la construction du MNT. B. Zoom du MNT réalisé par photogrammétrie (Butler

et al., 2014).

L’étude de l’érosion des berges a également été l’objet d’études photogrammétriques (Figure 12)

(Barker et al., 1997).

Figure 12 : Schéma présentant le système de mesure mis en place le long d'une berge. On note la position des

appareils de prise de vue et les cibles positionnées sur la berge qui servent à la construction du MNT via la

photogrammétrie (Barker et al., 1997).

A B

~ 13 ~

La photogrammétrie offre donc la possibilité d’acquérir de nombreuses données sur le terrain telles

que les zones de dépôt ou d’érosion après une crue ou encore les pentes et largeurs des chenaux.

Toutes ces informations permettent d’effectuer une analyse de l’évolution morphologique des

cours d’eau et des torrents. La rapidité de mise en œuvre permet en outre d’acquérir la donnée

rapidement après un évènement et avant tout remaniement sans altérer les formes observées

lorsque cette technique est mise en œuvre par voie aérienne.

1.2.2. Application en laboratoire

De nombreux auteurs utilisent également la photogrammétrie pour acquérir des données

en laboratoire. L’étude des modèles physiques par photogrammétrie permet une acquisition rapide

des données. Une fois le dispositif de mesure installé et calibré, il suffit de prendre les photos du

modèle et de réaliser un post-traitement afin d’obtenir un MNT. Le Pôle grenoblois d’Etudes et de

Recherche pour la prévention des risques naturels a réalisé une étude des interactions entre les

écoulements torrentiels et les ouvrages terminaux de plage de dépôt à l’aide d’un modèle réduit.

Les mesures topographiques sur ce modèle sont réalisées à partir de neuf réglets positionnés

dans la plage de dépôt dont les cotes sont relevées à un pas de temps d’une minute (Frey et al.,

1999). On comprend bien là les facilités qu’implique la méthode photogrammétrique dans

l’acquisition des données.

Stojic et al. (1998) ont utilisé cette méthode afin de comprendre les changements morphologiques

des rivières en tresses et d’estimer le transport solide à partir des changements volumétriques

(Figure 13).

Figure 13 : MNT issus de l'étude d'un modèle réduit de rivière en tresse (Stojic et al., 1998) a) MNT à t=320 min,

b) MNT à t = 350 min, c) Différence des MNT illustrant les morphologies et valeurs des dépôts à l’aval des bares

(B, C), l’érosion le long d’un nouveau chenal (D) et le l’influence aval entre des zones de dépôt (B) et d’érosion

(A).

D’autres articles traitent également du suivi morphologique des modèles réduit de cours d’eau

(Chandler et al., 2001; Lane et al., 2001) et attachent une grande importance en la définition de la

précision de la mesure.

Une des limites de la méthode photogrammétrique est la prise de vue avec de l’eau dans le canal.

Cette difficulté peut être contournée en stoppant la simulation pour effectuer les prises de vue.

Cependant, des auteurs ont montré qu’il était possible de corriger les effets de la réfraction à

l’interface air/eau par un algorithme basé sur une analyse géométrique du problème (Butler et al.,

2002).

a) b)

c)

~ 14 ~

2. Matériel et méthodes

2.1. Le dispositif expérimental

Afin de répondre aux questions précédemment énoncées, un modèle physique a été

réalisé dans le canal hydraulique de l’IRSTEA. La mise en place d’un tel modèle nécessite une

réflexion primordiale en amont de tous travaux afin de prendre en compte l’échelle de travail et

ainsi de connaître la représentativité de ce que l’on modélise. Comparé à l’analyse de terrain, les

modèles réduits permettent une installation simplifiée des appareils de mesures, une répétabilité

des mesures et une bonne maîtrise des paramètres que l’on souhaite faire varier.

2.1.1. Le canal hydraulique

Pour cette étude, le dispositif expérimental est composé d’un canal de pente variable (0 à

12%), et de 1,2 mètre de largeur pour 5 mètres de long. Il est alimenté par une pompe qui prélève

l’eau dans une cuve située tout à l’aval du canal (Figure 14).

Figure 14: Schéma du canal hydraulique de l'IRSTEA.

L’eau est réinjectée à l’amont par un circuit qui fonctionne en charge. Un débitmètre à l’amont

permet de connaître le débit liquide. Les caractéristiques de la pompe permettent un débit

maximum de 3.5 L/s. La pompe est gérée par un variateur de vitesse qui lui-même est commandé

via un ordinateur. Cette commande nécessite une calibration de la pompe en établissant une

relation entre la tension (Volt) du variateur et le débit (L/s) affiché par le débitmètre (Figure 15).

~ 15 ~

Figure 15 : Courbe de calibration de la pompe. Relation tension en fonction du débit.

Ainsi, un débit est implémenté et transformé en tension par la relation de la Figure 15.

Ensuite le capteur (débitmètre) reçoit cette tension et la convertit en tension de sortie. La tension

de sortie est alors associée à un débit de sortie qui est calibré à partir des caractéristiques internes

du capteur (section, vitesse). Ce débit en sortie est enregistré par le programme. La relation de

calibration permet la concordance entre le débit en entrée et en sortie. Ce programme, une fois

calibré, permet de réaliser et de programmer des hydrogrammes.

La plage de dépôt modélisée occupe seulement la partie aval du canal, l’ouvrage de

fermeture étant positionné à l’extrémité aval du canal. De cette manière, le débit solide mesuré en

sortie est un débit instantané, dans le sens où il n’est pas influencé par des phases de dépôt ou

d’érosion qui auraient lieu dans la partie aval du canal si la fente était positionnée au milieu du

canal. Aussi, afin de pouvoir observer l’influence de la fente sur les dépôts en amont sans que la

simulation ne soit trop longue, la partie amont du canal n’est pas utilisée. La fente mesure 6 cm de

large soit environ 2.5 à 3 fois le diamètre maximum des grains afin d’assurer un contrôle

hydraulique et une très faible probabilité de blocage mécanique. L’eau et les sédiments sont

amenés dans le canal par un tuyau PVC dont les parois ont été rendues plus rugueuses en y

collant du sédiment afin de ralentir les écoulements. Le tuyau est positionné sur un seuil et des

enrochements ont été placés au pied du tuyau afin de limiter l’érosion dans ce secteur à forte

dissipation d’énergie. Un lit plan, de même pente que le canal et d’épaisseur d’environ 5 cm, est

placé dans le fond du canal et correspond à l’état initial de la plage de dépôt. Des enrochements

ont également été placés sur les parois du canal afin de ralentir les écoulements qui prendraient

beaucoup de vitesse sur ces parois en verre et fausseraient les phénomènes observés.

2.1.2. Similitude de Froude

L’utilisation de tout modèle (physique réduit, numérique, analytique, etc) pose la question

de la représentativité. La définition que donne Steven A. HUGHES du Coastal Engineering

Research Center d’un modèle physique est la suivante : « Un modèle physique est la reproduction

d’un système physique (généralement à taille réduite) conçue de telle sorte que les forces

prépondérantes qui agissent sur le système sont représentées sur le modèle en proportion

convenable par rapport au système physique lui-même » (Hughes & Liu, 1993). La question est

donc de déterminer les forces prépondérantes du système étudié et les proportions qu’elles

respectent.

Les modèles physiques hydrauliques à fond mobile représentant le transport sédimentaire,

ont été et sont encore largement utilisés dans la recherche et l’ingénierie. La comparaison entre

les résultats du modèle (vitesses, hauteur, etc) et la nature est réalisée à travers une analyse dite

de Similitude. Afin qu’un modèle réduit soit à l’image de la réalité, il doit respecter trois règles de

similitude (Koulinski 1993) :

Similitude géométrique (rapport de dimensions homologues)

V = 3.36e0.32Q R² = 0.99

0

2

4

6

8

10

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

tensio

n (

V)

Q (L/s)

~ 16 ~

Similitude cinématique (vitesses homologues)

Similitude dynamique (rapports des forces homologues)

Le principe des similitudes est basé sur l’analyse dimensionnelle (théorème de Vashy Buckingham

ou théorème des π). L’analyse dimensionnelle part du postulat qu’une relation entre des grandeurs

physiques doit être dimensionnellement homogène, c’est-à-dire indépendante du système d’unité

de mesure. Afin de pouvoir comparer modèle et terrain, il suffit de choisir des nombres

adimensionnels pertinents et de respecter leurs valeurs (Table 1).

Parmi les nombres adimensionnels régulièrement utilisés dans l’hydraulique et le transport solides,

on peut citer ceux reporté dans la table 1. L’analyse dimensionnelle est réalisée avec l’idée de

réaliser un modèle physique dans les conditions d’expériences classiques c’est-à-dire :

Sur Terre (accélération de la pesanteur g constante),

Avec de l’eau à température ambiante (densité ρ et viscosité ν de l’eau constantes),

Avec des matériaux naturels (densité du matériau ρs constante)

Table 1 : Nombre dimensionnels pertinents dans les écoulements fluviaux.

Nom et désignation Formule Analyse

dimensionnelle Pertinence dans l’analyse de

Froude Fr

√

forces d’inertie / forces de pesanteur

Submersion

Relative

Dimension de l’écoulement / dimension

des rugosités

Darcy Weisbach f √

√

Loi de frottement

Rickenmann &

Recking U**

& q**

√

√

&

Loi de frottement

Reynold Re

forces d’inertie / forces de viscosité

dans l’écoulement moyen

Shield τ*

( )

forces d’arrachements / forces

stabilisatrices

Reynold

particulaire Re*

√

forces d’inertie / forces de viscosité dans la

couche limite

Débit solide

adimensionnel Φ

√(

)

Transport solide

Ce tableau appelle deux commentaires :

1. Les deux nombres adimensionnels les plus utilisés en hydraulique sont les nombres de

Reynolds et de Froude. L’analyse dimensionnelle montre que la conservation de ces deux

nombres n’est possible que pour un rapport d’échelle de 1, soit pour un modèle de la

dimension du prototype. Dans le cas d’un modèle réduit, l’une des deux similitudes doit être

relaxée. Il est généralement considéré, et ceci s’applique particulièrement aux écoulements

torrentiels (Couvert & Lefebvre, 1994), que pour un nombre de Reynolds supérieur à un

certain seuil la turbulence prédomine et les effets liés à la viscosité peuvent être négligés.

2. Une fois le modèle assez grand pour assurer un écoulement turbulent (Re > 400-1000 selon

Sharp (1981)) et rugueux (Re* > 70 selon Sharp (1981)), la similitude de Froude associée à

celle de submersion relative permet de respecter l’ensemble des autres paramètres

~ 17 ~

adimensionnels : Darcy Weisbach (ou Rickenmann & Recking), Shields et Débit solide

adimensionnel, permettant de respecter les forces hydrauliques et sédimentaires

prépondérantes tel que proposé par la définition de Hughes donnée plus haut.

Ainsi, l’échelle du modèle est dictée par la similitude de Froude. Pour faire le lien entre les

dimensions du modèle et les dimensions du terrain, un facteur d’échelle λ s’applique pour chaque

paramètre étudié.

λgéométrie = λdiamètre = λ ; λvitesse = λtemps = λ0.5 ; λdébit w & s = λ5/2

Notre modèle ne vise pas à représenter un torrent en particulier mais il faudrait pouvoir le

comparer à plusieurs torrents de tailles différentes. Ce type de modèle est un modèle dit

« analogue » par opposition au modèle « générique » d’un torrent particulier (Peakall et al., 1996).

Le facteur d’échelle est calculé à partir du rapport D50nature / D50modèle pour chaque torrent (

Table 2).

Table 2 : Facteurs d'échelle entre le canal IRSTEA et les torrents de l'analyse granulométrique.

Site Canal IRSTEA Manival Erlenbach Pitzbach Rio Cordon

D50 [mm] analyse 3 39.6 79.0 50.0 92.0

Echelle D50/D50 modèle [-] 1 13.2 26.3 16.7 30.7

Largeur lit actif [m] 1.1 15.0 3.8 11.0 6.0

Largeur équivalente canal [m] 1.1 14.5 29.0 18.3 33.7

Largeur éq/réelle [-] 1.0 1.0 7.6 1.7 5.6

S [%] 0-12 10 à 20 10 9 13.6

D50 Recking (1)

ou RTM (2)

[mm]

50 80 50 119

Longueur équivalente 6 m [m] 6 79 158 100 184

Durée essai modèle (min)

33 39 176

Durée crue décennale (min)

120.0 (2)

200.0(3)

720.0(4)

V injecté modèle (m3)

0.39 0.09

0.03

Vinjecté réel (m3)

900.0 (2)

1650.0(3)

890.0(5)

Q modèle (l/s)

7.1 2.8 7.9 2.0

Crue décennale (m3/s)

4.5 (2)

10.0(3)

9.0(4)

10.4(5)

Sources: (1)(Recking, 2013)

(2)(Peteuil et al., 2008)

(3)(Turowski et al., 2009)

(4)(Turowski & Rickenmann, 2009)

(5)(Lenzi et al., 1999)

2.1.3. Granulométrie et alimentation solide du modèle

Analyse granulométrique

Afin d’utiliser des matériaux représentatifs des lits de torrents, une recherche

bibliographique a été réalisée. Cette analyse a permis de comparer les courbes granulométriques

de quatre torrents :

Le Manival (Isère) (Peteuil et al., 2008)

Le Rio Cordon (Italie) ( Lenzi, Agostino, & Billi, 1999; Mao & Lenzi, 2007)

L’Erlenbach et Le Pitzbach (Suisse) (Rickenmann & Fritschi, 2010)

~ 18 ~

Figure 16 : Comparaison entre les courbes granulométriques des torrents et les courbes du modèle

(une courbe issu du modèle de Recking et une courbe avec les tailles de tamis disponibles).

Les courbes ont été adimensionnalisées en divisant les diamètres par le D50. Elles présentent une

certaine cohérence pour la fraction grossière mais sont plus dispersées pour les diamètres plus

fins que le D50 (Figure 16). Sur la base de cette analyse, les paramètres moyens de la distribution

de la taille des grains de ces différents torrents ont pu être mis en évidence. Ces paramètres

permettent d’implémenter un modèle de distribution de la taille des grains (GSD model) à l’aide

des travaux de Recking (2013) (Figure 17b).

Figure 17 : Grain Size Distribution model. (a) Field data set of 78 gravel bed rivers and (b) the model of

reconstruction of de Grain Size Distribution (Recking, 2013).

Ce modèle est construit sur la base de trois paramètres : le D50, le rapport D84/D50 et le

diamètre minimum Dm. La Figure 17a présente les courbes granulométriques des 78 rivières

graveleuses qui ont servi à la construction de ce modèle. La Figure 17b montre le modèle de

construction d’une courbe granulométrique issu de l’analyse des courbes. Ainsi, une courbe

granulométrique cohérente à celles des torrents étudiés a pu être établie sur la base de ce

modèle.

Le rapport D84/D50 apparent est de 2.5 et le D50 du modèle a été choisi arbitrairement à 3 mm.

Le D50 ne doit pas être trop petit afin de rester dans des nombres de Reynolds particulaires assez

élevés et ainsi respecter les similitudes. Cette courbe a ensuite été recalculée par rapport aux

diamètres des tamis disponibles (Figure 16, courbe small scale model mesured).

Nous souhaitions réaliser un mélange de près de 2 tonnes, les masses de chaque fraction ainsi

déterminées ont été calculées. Il a fallu tamiser les matériaux à notre disposition pour disposer de

0

20

40

60

80

100

1.E-02 1.E-01 1.E+00 1.E+01

% f

ine

r

Di / D50

Adimensional grain size distribution Erlenbach surface bed material 1993 (Rickenmannet Fritschi 2010)Pitzbach surface bed material (Rickenmann etFritschi 2010)Rio Cordon mean surface bed material (Lenzi,D'Agostino et Billi, 1999)Rio Cordon surface bed material (Mao et Lenzi,2007)Manival surface bed material 2013

Manival surface bed material 2014

Small scale model described by Recking Model(2013)Small Scale Model measured

(b)

~ 19 ~

la quantité nécessaire de chaque fraction. Le mélange a ensuite été réalisé en répartissant les

bonnes proportions de chaque fraction dans des bacs.

Afin de mieux observer les phénomènes de ségrégation des grains, nous avons peint les grains de

taille supérieure au D95 en bleu à l’aide d’une bétonnière. Quelques grains inférieurs à cette taille

étaient déjà peints en rouge et en vert. Le diamètre 0.7 mm correspond à un sable orangé et le

diamètre 1.6 mm à du gravier blanc (Figure 18).

Figure 18 : Photo du mélange constitué.

Dispositif d’alimentation solide et calibrage

L’alimentation du canal en débit solide est effectuée à partir d’une trémie (Figure 14) qui

stocke les sédiments et les déverse par gravité sur un tapis roulant qui entraine le matériau. Tout

comme la pompe, le tapis nécessite une calibration afin de pouvoir programmer des

sédimentogrammes et connaître le débit solide à l’entrée du canal. Nous avons donc établit la

relation entre la tension de commande (Volt) et le débit solide en intégrant la masse de sédiment

sortant sur 2 minutes pour différentes tensions. Cette relation permet de convertir le débit en

entrée en une tension de commande. La tension de commande induit ensuite une vitesse du tapis

mesurée avec un potentiomètre. Cette nouvelle relation entre la vitesse du tapis et le débit solide

permet l’enregistrement d’un débit solide (Figure 19).

Figure 19 : Courbes de calibration du tapis d'alimentation en débit solide.

Cependant, des instabilités de la vitesse de rotation du tapis sont à noter. En effet, la vitesse de

rotation du tapis peut varier en fonction du taux de remplissage de la trémie. C’est pourquoi la

trémie est maintenue à un niveau de remplissage relativement constant au cours d’une simulation.

Cet exercice devient très physique lorsque le débit solide est à son maximum (environ 200 g/s). De

~ 20 ~

plus, il faut également tenir compte de la taille du gâteau (nom donné au tas de sédiment qui se

forme sur le tapis au sortir de la trémie). La taille de celui-ci varie au cours du temps en fonction

par exemple du taux d’humidité du sédiment inséré dans la trémie. Ces instabilités peuvent être à

l’origine de la linéarité imparfaite qui existe dans la relation entre tension et débit solide (Figure

19).

2.2. Le dispositif de mesure

Afin de mesurer l’évolution de la morphologie des dépôts dans le canal, il a été choisi

d’utiliser la photogrammétrie. Cette technique permet d’obtenir des Modèle Numérique d’Altitude

(MNA) du canal lors de différents états de remplissage. Ainsi, il est possible de réaliser des cartes

de dépôts-érosions au cours d’une simulation, de mesurer les largeurs des chenaux qui se

forment, ou encore la pente des dépôts. De plus, il est possible de réaliser des mesures de la

hauteur d’eau dans les chenaux à l’aide d’une jauge. Combinées à la mesure de la largeur des

chenaux et à la mesure de la vitesse par particle tracking velocimetry (PTV), ces mesures

permettent de déterminer les valeurs du nombre de Froude ainsi que celles de forces tractrices.

2.2.1. La photogrammétrie avec Agisoft Photoscan

Dispositif et paramètres de prise de vue

Le dispositif est composé de deux appareils photo Canon EOS 100D équipés d’objectifs à

focale fixe de 28 mm. Ces appareils sont fixés sur un rail au plafond du laboratoire. Le rail permet

de faire coulisser les deux appareils dans le sens de la longueur du canal (axe Y). Les appareils

sont positionnés afin que chacun couvre toute la largeur du canal (axe X). De cette manière, il y a

100% de recouvrement entre deux photos prises à une même position Y sur le rail. Les appareils

sont positionnés sur le même Y et sont espacés d’environ 60 cm. Il y a environ 80% de

recouvrement entre deux photos prises sur deux positions Y successives (Figure 20).

Figure 20 : A gauche : vue de dessus du canal 3D sous Agisoft Photoscan avec la position des photos prises

afin de couvrir la totalité du canal (en bas à droite, l’axe Y est en vert et l’axe X est en rouge). A droite :

positionnement des cibles autour du canal.

Cibles

~ 21 ~

Il faut donc 2*16 photos pour couvrir le canal avec 100% de recouvrement en X et 80% de

recouvrement en Y. Ces pourcentage de recouvrement permettent au logiciel de repérer le plus de

points similaires possibles entre deux photos et ainsi de construire avec d’autant plus de précision

le modèle 3D.

Les trois principaux paramètres permettant de gérer l’exposition, c’est-à-dire la quantité de lumière

utilisée pour créer une image, sont :

La sensibilité du capteur (ISO)

L’indice d’ouverture du diaphragme (N)

La vitesse d’obturation (ou temps pendant lequel le capteur est exposé à la lumière)

L’ISO doit être le plus faible possible pour atténuer le bruit induit par sa valeur élevée. Plus

l’ISO est grand, plus le capteur est sensible à la lumière. L’indice d’ouverture du diaphragme est

égal à la distance focale sur le diamètre de la pupille du diaphragme (N=f/d). Plus l’indice est

élevé, plus le diaphragme est fermé et donc moins il laisse entrer la lumière vers le capteur. Ce

paramètre contrôle également la profondeur de champ. Plus l’ouverture est importante moins il y a

de profondeur de champ et ceci diminue la zone de netteté (car la lumière passe par les bords de

la lentille là où il y a plus de distorsion). Enfin, la vitesse d’obturation permet de paramétrer le

temps d’exposition du capteur. Plus la vitesse est grande, plus le temps d’exposition et court et

moins la lumière passe vers le capteur. Cependant, plus la vitesse est lente, plus il y a de risque

de flou de bougé ou de flou de mouvement du sujet. Dans notre étude, le flou de bougé et le flou

de mouvement du sujet seront nuls car l’appareil sera fixé et la simulation sera stoppée avant de

prendre des clichés (arrêt des débits liquide et solide).

Les appareils seuls ne suffisent pas à la construction d’un modèle. Il est nécessaire de placer des

cibles tout autour du canal (Figure 20). Ces cibles sont disposées à une même cote Z grâce à un

niveau laser et les distances entre chaque cible sont connues. Cette cote est définie comme étant

le niveau zéro du modèle. Ainsi, les cibles se trouvent dans le même plan XY et elles servent à

orienter le modèle un fois construit. Elles peuvent également servir de points de repère fixes pour

le logiciel lorsqu’il assemble les photos entre elles. Les distances mesurées entre les cibles

permettent la mise à l’échelle du modèle. Au total, dix cibles sont positionnées de part et d’autre du

canal dans la zone à observer.

Fonctionnement d’Agisoft Photoscan

Agisoft Photoscan est un logiciel de traitement d’image qui permet, à partir d’au moins deux

photos, de reconstituer un objet ou un paysage en 3D et de réaliser des cartes de profondeurs. Il

permet donc de faire de la photogrammétrie multi-vue. La construction d’un modèle sous Agisoft

Photoscan s’effectue en trois étapes : l’alignement des photos, la construction d’un nuage de point

dense et le maillage.

Durant l’étape d’alignement des photos, Photoscan inspecte les photos deux à deux afin de

détecter des points communs. Dès lors qu’il trouve deux points similaires, il élargit sa recherche au

voisinage local de chacun de ces deux points afin d’établir une corrélation entre ces deux points.

Si la corrélation est acceptable, ces points sont conservés pour la suite de l’alignement. La position

de l’appareil pour chaque photo détermine ensuite la validité de cette corrélation. Par exemple,

deux points peuvent être similaires ainsi que leur voisinage proche, mais s’ils sont sur des photos

éloignées (qui n’ont pas de recouvrement entre elles), alors ces points définissent un couple de

points invalide. Au contraire, si ces deux points sont similaires et que la position des appareils

indique qu’ils appartiennent à la même surface de recouvrement entre deux photos, alors ces

points définissent un couple de point valide pour l’alignement des photos. La Figure 21 illustre la

~ 22 ~

détection des couples de points effectuée par Photoscan. La capture d’écran de gauche montre

que Photoscan a trouvé des points de correspondance entre la photo 1 et la photo 2 mais ces

points ne sont pas validés par la position de l’appareil lors des deux prises de vue. Autrement dit,

les deux photos sont tellement éloignées qu’il ne peut y avoir de recouvrement entre celles-ci et

donc Photoscan ne trouve aucun couple de points valide. La capture d’écran de droite montre les

points de correspondance entre deux photos (3 et 4) prises l’une à la suite de l’autre. Les points de

correspondance entre ces deux photos et donc le recouvrement entre celles-ci sont affichés en

bleu (près de 10 000 points valides entre ces deux photos).

Figure 21 : Comparaison entre des points similaires qui n'appartiennent pas à la même zone de recouvrement

entre deux photos (photos 1 et 2), et entre des points similaires qui font partie de la même zone de

recouvrement (3 et 4).

Après la construction d’un nuage de points, celui-ci est densifié et les informations de profondeur

sont calculées à partir des positions des appareils, estimées lors de l’alignement des photos. Ainsi,

le nuage de points passe de 130 000 points à plus de 2 000 000 sur la même surface (Figure 22).

Figure 22 : Comparaison entre le nuage de points (A) et le nuage de points densifié (B). (C) est le nuage de

points densifié sans la couleur et qui permet de mieux se rendre compte du relief et de la densité de point.

Enfin, la dernière étape consiste à construire le maillage de ce nuage de point par interpolation de

la surface entre les points du nuage dense (Figure 23). Ce maillage 3D comprend près de 200 000

sommets et près de 400 000 faces sur un espace d’environ 3 m².

1

2

3

4

A B C

~ 23 ~

Figure 23 : Maillage zoomé d'un modèle du canal afin d’observer les faces et les sommets.

Après cette étape, le logiciel permet d’extraire une orthophoto, un fichier de point xyz ou un MNT

(Modèle Numérique de Terrain). Les MNT extraits serviront par la suite à observer et commenter la

morphologie des dépôts observés dans le canal.

Analyse de la fiabilité de la mesure

Afin de déterminer la fiabilité de la méthode d’acquisition de données morphologiques, des

tests de reproductibilité ont été réalisés. Ainsi, cinq séries de photos ont été prises avec une même

configuration du fond du canal. Les MNT extraits ont été soustraits entre eux afin d’observer les

différences en terme d’estimation de l’altitude mais aussi en terme de volumes estimés. La Figure

24 montre que l’erreur médiane sur l’altitude entre les différents ensembles de photo ne dépasse

pas la taille du D50 (1.3 mm) des matériaux présents dans le canal. Pour les volumes (Figure 25),

l’erreur maximale entre deux séries de photo est de l’ordre de 0,002 m3, soit environ 2 dm3. Si l’on

considère une densité du matériau d’environ 2, cette erreur représente alors près de 4 Kg d’erreur

sur 2,25 m2 (surface du canal extraite sur les MNT).

Figure 24 : Différences d'altitude entre deux ensembles de photos. L'altitude a été normalisée par le D50 des

sédiments présents dans le canal lors des tests.

~ 24 ~

Figure 25 : Différences de volume entre deux ensembles de photos.

Ces tests permettent de conclure que la précision en termes de reproductibilité est millimétrique.

Des essais de mesures relatives ont également été réalisés en positionnant dans le fond du canal

quinze objets dont les mensurations étaient connues par mesure au pied à coulisse. Deux MNT

ont ensuite été construit sous Agisoft photoscan, l’un extrait à un pas d’espace de 3mm et l’autre à

un pas d’espace de 1mm. De cette manière, on peut comparer les mesures absolues avec des

mesures réalisées directement sur le MNT avec ArcGis et qualifier ainsi l’erreur relative induite par

la conception du MNT avec Agisoft mais aussi l’erreur due au degré de précision d’extraction du

MNT.

Figure 26 : Mesure de l'erreur relative des distances sous Agisoft photoscan.

La Figure 26 montre que l’erreur relative ne dépasse pas 5% et que cette erreur est plus

importante pour le MNT extrait avec un maillage de 3mm. En effet, la précision du maillage

d’extraction du MNT influence la précision des mesures réalisées par la suite. L’extraction des

MNT sera donc réalisée au pas de 1 mm.

La photogrammétrie avec un appareil photo non-métrique pose le problème de la correction de la

distorsion. Un appareil photo métrique est un appareil dont les paramètres de calibration internes

sont connus et qui permet donc une correction optimale de la distorsion. Ces paramètres

permettent une correction de la distorsion induite par l’optique utilisée ou encore le mode de prise

-2%

-1%

0%

1%

2%

3%

4%

5%

6%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

err

eu

r re

lati

ve (

%)

n° objets

MNT à 1mm MNT à 3mm

~ 25 ~

de vue. Dans Agisoft photoscan, ces paramètres sont estimés et peuvent être optimisés afin de

corriger les effets de distorsion de la lentille. Les paramètres internes de l’appareil sont la distance

focale, les coordonnées du centre du capteur (cx-cy), les paramètres de la distorsion radiale (k1,

k2, k3 et k4) et les paramètres de la distorsion tangentielle (p1 et p2). La Figure 27 montre que

sans optimisation des paramètres, le modèle présente une convexité et l’optimisation de

paramètres isolés renforce les effets de la distorsion. L’optimisation de tous les paramètres permet

d’éliminer les effets de la distorsion. Il faut préciser que les mesures de profils en long sont

réalisées sur un lit plan.

Figure 27 : Profils en long du canal pour différentes combinaisons d'optimisation des paramètres.

Cependant, nous avons constaté que le mode de prise de vue induit également des phénomènes

de distorsion. Une première prise de vue du canal a été réalisée avec l’appareil en main et ceci

d’un seul côté du canal. Puis une seconde prise de vue a été effectuée avec les deux appareils

positionnés sur le rail. La Figure 28 montre que le fait de couvrir le canal avec deux appareils et le

fait que ces deux appareils soient fixés permet d’obtenir de bons résultats avec l’optimisation des

paramètres pour corriger la distorsion.

Figure 28 : Profils en long du canal pour différents mode de prise de vue et pour différentes correction de la

distorsion.

Effet de l’eau

Des acquisitions ont été réalisées dans le canal avec de l’eau, puis juste après sans eau,

afin de comparer les modèles réalisés par Agisoft et d’observer les effets de l’eau sur la mesure

d’élévation. La Figure 29 montre qu’Agisoft peut générer un modèle 3D même lorsqu’il y a de l’eau

dans le canal mais dans ce cas, il n’a pas pu trouver de points dans les zones avec écoulement.

Le chenal central (Figure 29B et Figure 29C) a une densité de points beaucoup plus faible que les

-0.14

-0.12

-0.1

-0.08

-0.06

-0.04

-0.02

321

alti

tud

e (

m)

distance (m)

z (correction_cx-cy)z (correction_focale)z (correction_k1k2k3)z (correction_p1p2)z (ss_correction)z (tt_correction)z (correction_skew)z (correction_k4)z (correction_k1k2k3k4_p1p2)

-0.14

-0.12

-0.1

-0.08

-0.06

-0.04

-0.02

0 1 2 3

Alt

itu

de

(m

)

Distance (m)

Z sans correction prise manuelle

Z avec correction prise manuelle

Z avec correction prise rail

Z sans correction prise rail

~ 26 ~

zones sèches. Cependant, dans les chenaux secondaires, lorsque la hauteur d’eau est plus faible,

la densité de point augmente par rapport au chenal central.

Figure 29 : Comparaison des nuages de points éparse obtenus avec Agisoft pour, A : le canal sans eau, B : le

canal avec de l’eau, C : orthophoto du canal avec de l’eau dans le chenal central.

En traçant des profils en travers des chenaux sur les MNT avec présence d’eau et sans eau, la

hauteur d’eau peut être approchée mais la surface libre est très bruitée du fait des vitesses

élevées qui prennent place au sein des écoulements torrentiels (Figure 30A). Lorsque la hauteur

d’eau est plus faible (Figure 30B), la surface libre est moins chahutée car il y a plus de points et

l’interpolation entre ces points donne un meilleur résultat.

Figure 30 : Profils en travers des MNT avec et sans eau. A : chenal central figure 29. B : chenal secondaire figure

29.

-0.16

-0.15

-0.14

-0.13

-0.12

-0.11

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

altitude (m)

distance (m)

fond sans eau fond avec eau

-0.23

-0.22

-0.21

-0.20

-0.19

-0.18

-0.17

0.0 0.1 0.1 0.2 0.2 0.3

altitude (m)

distance (m)

fond sans eau fond avec eau

A B C

Chenal

2ndaire

A B

~ 27 ~

2.2.2. Mesure du débit solide aval

Le débit solide à la sortie de la fente de la plage de dépôt a également été mesuré. Des

bacs réceptionnent le sédiment en sortie et permettent d’égoutter ce dernier durant environ une

minute. Ensuite, les bacs ont été pesés et, de temps en temps, un échantillon de sédiment est

passé à l’étuve. A partir de sa masse avant et après séchage, un taux d’humidité peut être

déterminé et les débits solides sont alors corrigés de cette teneur en eau. La masse de sédiment

est intégrée sur un temps. Il est alors possible de déterminer un débit (g/s). Le débit solide total en

sortie peut être comparé au débit solide total injecté dans le canal. Ainsi, connaissant la densité du

matériau, le volume du dépôt final peut être déterminé et comparé au volume déterminé en

soustrayant le MNT de l’état initial et de l’état final du canal par exemple grâce à l’outil remblais-

déblais d’ArcGis. Cependant, la fente n’a permis aucun débit solide en sortie du canal lors de nos

essais.

~ 28 ~

3. Résultats

3.1. Pente et concentration

Les premières simulations de remplissage de la plage de dépôt ont été réalisées en débit

permanent (3 L/s) avec une pente du canal de 8%. Une analyse préalable à ces simulations visait

à mettre en évidence les concentrations en débit solide à l’équilibre pour une pente donnée. Les

concentrations à l’équilibre ont été déterminées à l’aide de différentes formules de transport solide

adaptées au domaine torrentiel. Cette analyse a conduit à penser que, pour une pente et une

concentration en débit solide données, la plage de dépôt se trouverait à un état d’équilibre (dans le

fuseau des courbes de la Figure 31). Pour une concentration plus faible, la plage présenterait un

déséquilibre avec une érosion à l’amont ou au contraire un dépôt massif pour une concentration

plus élevée que la concentration à l’équilibre. Cependant les résultats pour une pente de 8% ont

montré que l’état théorique d’équilibre n’était pas atteint pour des concentrations de 1, 2 et 3% et

l’érosion de l’intérieur de la plage initialement attendue n’est pas observée.

Figure 31 : Courbes de la pente en fonction de la concentration à l’équilibre établies suivant cinq formules de

transport solide pour le D50 du modèle et pour une largeur de chenal d’environ 20 cm.

Au contraire, tous ces tests présentent les mêmes caractéristiques, à savoir, le

développement d’un cycle de dépôt massif à l’amont puis d’érosion de ce dépôt qui se répète au

cours de la simulation. Nous pensions que la plage présenterait une érosion (chenalisation), c’est

pourquoi nous avons calculé les concentrations d’équilibre pour une largeur de 20 cm, or on

observe plutôt un dépôt massif à l’amont avec des nappes de charriage très denses qui s’étalent

sur une grande partie de la largeur du canal. En réalisant le même calcul avec une largeur de 90

cm, la zone d’équilibre s’élargit (fuseau des courbes plus large) et le domaine de l’équilibre s’en

trouve décalé (Figure 32).

0%

1%

2%

3%

4%

5%

6%

7%

8%

9%

10%

0% 1% 2% 3% 4% 5% 6% 7% 8%

Pe

nte

am

on

t d

e t

ran

spo

rt s

olid

e [

m/m

]

C= Qs/Ql = Concentration de transport solide à l'équilibre [-] Lefort 1990 Lefort 2004 Smart et Jaeggi

Rickenman Lefort 2005 Moyenne concentrations

tests réalisés

Déséquilibre et dépôt massif à nouvelle pente

Déséquilibre et érosion de l'intérieur

de la plage

~ 29 ~

Figure 32 : Courbes de la pente en fonction de la concentration à l’équilibre établies suivant cinq formules de

transport solide pour le D50 du modèle et pour une largeur de chenal d’environ 90 cm.

3.2. Cycles morphologiques

Les résultats présentés ci-après illustrent les cycles d’érosion/dépôt observés au cours des

différentes simulations. On constate une répétition régulière de ces cycles au cours des

simulations. La Figure 33 montre que plus la concentration en débit solide est élevée, plus les

cycles de dépôt/érosion sont rapides et resserrés dans le temps. La Figure 34 illustre les cycles

observés et décrits ci-après.

Figure 33 : Temps de retour des cycles observés en fonction de la concentration en débit solide

0%

1%

2%

3%

4%

5%

6%

7%

8%

9%

10%

0% 1% 2% 3% 4% 5% 6% 7% 8%

Pe

nte

am

on

t d

e t

ran

spo

rt s

olid

e [

m/m

]

C= Qs/Ql = Concentration de transport solide à l'équilibre [-] Lefort 1990 Lefort 2004 Smart et Jaeggi

Rickenman Lefort 2005 Moyenne concentrations

tests réalisés

Déséquilibre et dépôt massif à nouvelle pente

Déséquilibre et érosion de l'intérieur

de la plage

0

5

10

15

20

25

30

35

0% 1% 2% 3% 4%

tem

ps

en

min

ute

s

concentration en débit solide

~ 30 ~

3.2.1. Etape 1 : dépôt amont massif et écoulement en nappe

La première phase du cycle morphologique comprend un dépôt massif en amont de la

plage. Ce dernier se met en place par l’avancée de petits lobes qui constituent le dépôt initial

(annexe 1). L’écoulement balaye la zone, créant de nouveaux lobes de part et d’autre du dépôt

initial. Celui-ci s’allonge et s’élargit en même temps qu’il s’élève. Une fois qu’il est assez

conséquent, l’écoulement est obligé de le contourner. Il y a alors formation de deux chenaux

divergeants qui le contournent. Ces chenaux latéraux permettent le transit de matériaux à l’aval de

la plage. Lorsque ces matériaux rencontrent la zone d’eau calme induite par la présence de la

fente, ils se déposent à la façon d’un delta avec un front très raide qui prograde lentement comme

dans un lac (annexe 1).

S’il se passe plus de temps avant la première érosion du dépôt amont (simulation

CQs=1%), les deux bras latéraux peuvent même constituer des barres latérales à l’aval qui

encadrent le dépôt central. On observe alors l’initiation d’une forme caractéristique des rivières en

tresse (annexe 2) avec la répétition d’un motif. Des phénomènes d’incision peuvent être observés

à la confluence des deux bras latéraux. Cette érosion contribue à l’alimentation du dépôt central

aval.

3.2.2. Etape 2 : chenalisation soudaine

Au bout d’un certain temps, le dépôt se déstabilise petit à petit. Il y a formation de petits

lobes d’érosion là où les écoulements préférentiels se frayent un chemin. Ces écoulements

entrainent une épaisseur de plusieurs grains de sédiment sous forme de nappes de charriage. Ces

phénomènes déstabilisent alors brusquement le dépôt et l’érosion s’emballe. Un chenal central

s’incise dans le dépôt et entraine les sédiments vers l’aval. L’écoulement apparait alors parfois en

nappe et parfois partiellement chenalisé. Si le transport est assez efficace, les lobes aval

progradent loin dans la retenue d’eau (annexe 3). Le dépôt ainsi formé fait de nouveau diverger

l’écoulement en deux bras qui remontent au fur et à mesure que l’incision est comblée.

3.2.3. Etape 3 : migration des chenaux

L’étalement de l’écoulement et le pivot créé par le dépôt total dans la retenue permet un

développement de l’accumulation centrale de sédiment. De nouveau, les écoulements divergent

au droit de ce dépôt et on peut observer la remontée des deux bras latéraux qui entourent le dépôt

massif et convergent à l’aval de ce dernier (annexe 4).

Le cycle recommence alors : lorsque le dépôt amont atteint une forte pente, il est de

nouveau déstabilisé et une érosion importante se met en place. Sur l’annexe 5, le chenal central

ainsi créé se sépare rapidement en deux chenaux pour contourner l’étalement du dépôt précédent.

Les chenaux divergeants ont une forte capacité de transport et recueillent les sédiments issus de

l’érosion amont. Ainsi, ils transfèrent les sédiments vers l’aval qui viennent alimenter un delta à

proximité de la zone d’eau calme. L’annexe 5 illustre la reconnexion et la remontée des deux bras

latéraux au fur et à mesure que le dépôt se reforme.

~ 31 ~

Figure 34 : Schéma illustrant les cycles morphologiques observés.

Etape 1

Etape 2

Etape 3

~ 32 ~

3.3. Tri granulométrique

Des phénomènes de ségrégation sont observés au cours des simulations (Figure 35). Une

photo de la surface du dépôt a été prise, puis la couche de surface a été enlevée manuellement

pour laisser apparaitre la subsurface supérieure et enfin la subsurface profonde.

Le pavage du dépôt amont permet la stabilisation de ce dernier jusqu’à la rupture du

pavage due à l’augmentation de la pente du dépôt. Koulinski (1993) parle de pavage dans le cas

d’une brutale surcharge en matériau qui apparait lorsque la contrainte hydraulique diminue au

niveau d’une rupture de pente. On parle alors de « revêtement externe ». Ce type de pavage est

beaucoup moins résistant que le classique pavage de fond de torrent que l’on observe par

exemple dans les gorges.

Le pavage observé pendant les essais peut être assimilé à un simple « revêtement externe

» car il est régulièrement déstabilisé lorsque la pente du dépôt est trop importante. De plus, il se

produit au niveau d’une rupture de pente entre le canal d’amené et le canal hydraulique.

Figure 35 : Photos illustrant le tri granulométrique du dépôt amont. A : Surface du dépôt. B : subsurface du

dépôt. C : Couche de fond du dépôt. D : Vue en coupe du dépôt.

3.4. Pentes de dépôt et de transport

3.4.1. Analyse qualitative des pentes

Des profils en long du fond ont été extraits des MNT. Ces profils illustrent les cycles

observés (annexe 1). Après 15 minutes, le dépôt a commencé à se constituer en amont du canal

et atteint son maximum au bout de 30 minutes de simulation. A 45 minutes, le dépôt s’est

chenalisé et l‘étalement du volume accumulé réduit considérablement la pente du lit.

A B

C D

~ 33 ~

Figure 36 : Profils en long de la simulation à 1% de concentration en débit solide.

La Figure 36 montre le lissage des pentes après érosion comparé aux fortes pentes des dépôts.

Les profils extraits à 45, 60 et 75 minutes présentent des pentes plus faibles, ils ont été extraits

directement après un phénomène de chenalisation.

Au bout de 60 minutes de simulation, le front aval des dépôts atteint le voisinage de la fente. Un

débit solide s’initie alors en sortie de la plage. A partir du moment où la fente est connectée avec

l’amont par un chenal actif en terme de transport solide, la morphologie devient plus stable et le

chenal perdure dans le temps (Figure 36, Figure 37 et annexe 8). Ce chenal stabilisé présente lui

aussi une pente plus faible que les dépôts ayant lieu pendant une phase d’écoulement en nappe

comme l’illustre la Figure 37.

De plus, on remarque l’avancée des lobes de dépôt à proximité de l’ouvrage. Ces lobes présentent

une pente de front très raide et progressent lentement à la faveur des apports par bouffées de

l’amont (annexe 7).

L’annexe 7 illustre cette dynamique deltaïque à proximité de la fente. Dans ce cas, le front a atteint

la fente de l’ouvrage suite à l’apport énorme de sédiments entre 60 minutes et 70 minutes de

simulation. Ceci induit une certaine transparence de l’ouvrage de fermeture dès l’atteinte de ce

dernier par le front sédimentaire. Le piégeage des sédiments qui était préalablement total devient

très partiel.

L’annexe 9 permet d’observer l’étalement du dépôt après chaque érosion. Ces figures montrent

aussi l’influence de la concentration en débit solide sur les cycles observés.

-0.30

-0.25

-0.20

-0.15

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50

altitude (m)

distance à l'amont (m)

etat_initial

15min_nappe

30min_nappe

45min_chenalisé

60min_nappe

75min_nappe

~ 34 ~

Figure 37 : Profils en long de la simulation à 2% de concentration en débit solide.

3.4.2. Analyse quantitative des pentes

Une analyse quantitative des pentes des cônes et des deltas a été réalisée à partir de ces profils

en long (e.g. Figure 38). Cette analyse permet d’implémenter le facteur pente dans les formules de

transport solide afin de vérifier leur validité dans nos conditions expérimentales, mais aussi

d’observer si des tendances se dégagent.

Les pentes mesurées ont été classées en fonction de l’état morphologique du lit au moment de

l’acquisition de la donnée. Les pentes des dépôts après une l’érosion (chenalisé) et les pentes des

dépôts avant une érosion (nappe) ont été distinguées.

Dans le premier cas, l’écoulement est en presque totalité contenu dans un chenal unique. Cet état

morphologique est instable et dure rarement plus de quelques minutes. Dans le deuxième cas, le

dépôt est balayé par de multiples écoulements transitoires, généralement diffus et présentant de

faibles hauteurs d’eau. Deux écoulements préférentiels s’installent de chaque côté de

l’accumulation centrale comme exposé plus haut. Cet état morphologique d’aggradation dure plus

longtemps que l’état chenalisé. De courts épisodes de dépavage et de création de lobes ont lieu

durant la formation du cône d’aggradation. L’arrêt de ces bouffées sédimentaires a généralement

lieu sous la forme de fronts raides. Après plusieurs phases de ces microdépavages, le cône

devient très raide et occupe un volume notable dans la zone amont de la plage. Les zones

régulièrement balayées par les écoulements se raidissent jusqu’à des valeurs de pente de l’ordre

de 20%. Occasionnellement, des zones d’arrêts massifs, rarement balayées par les écoulements

(zones d’arrêt dit « sec » dans la suite du texte) peuvent même atteindre des valeurs de pentes de

30%, valeurs extrêmement raides pour des processus alluvionnaires.

-0.30

-0.25

-0.20

-0.15

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50

altitude (m)


45min_nappe

60min_nappe

70min_nappe

~ 35 ~

Figure 38 : Profils en long du canal montrant l'extraction des données de pentes.

(0.30)

(0.25)

(0.20)

(0.15)

(0.10)

(0.05)

-

0.05

0.10

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50

altitude (m)

Distance à l'amont (m)

Manip à 3,5% concentration en Qs environ 0,157 m3 injecté

etat initial absolu

avant_erosion1

après_érosion1

avant_érosion2

après_érosion2

avant_érosion3

avant_érosion4

etat initial absolu

etat initial absolu

avant_erosion1

après_érosion1

avant_érosion2

après_érosion2

avant_érosion3

avant_érosion4

etat initial absolu

avant_erosion1

après_érosion1

avant_érosion2

après_érosion2

avant_érosion3

avant_érosion4

36.3%

36.7%

38.7%

25.6%

30.7%

43.2%

8.4%

28.9%

10.2%

18.8%

12.1%

19.5%

22.5%

~ 36 ~

En plaçant ces pentes dans un graphique de la pente en fonction des conditions d’alimentation en

débit solide du canal, plusieurs tendances peuvent être mises en évidence (Figure 39).

Figure 39 : Pentes des dépôts en fonction de la concentration en débit solide injectée.

La variabilité des pentes de nappe est forte. Il faut avoir à l’esprit qu’il est difficile de réaliser une

mesure immédiatement avant une rupture, celle-ci étant soudaine et peu prédictible. Il y a donc

dépôt progressif et raidissement de l’accumulation au cours de sa formation. Nous avons essayé

de réaliser des mesures des valeurs maximum mais la Figure 39 contient l’ensemble des mesures

réalisées. Seule la simulation à 3.5% de concentration présente les pentes de nappe juste avant

érosion (variabilité de valeurs plus faible).

La Figure 39 appelle les commentaires suivants :

Des fronts très raides “secs” ont été observés dans l’ensemble des manipulations ayant

abouti à la formation d’un dépôt massif dans la partie amont de la plage. Seules les

manipulations avec une alimentation à 0.5 et 1.5% de concentration n’ont pas généré un tel

dépôt. Les valeurs de ces pentes maximums semblent indépendantes de la concentration

d’alimentation. Comme les phénomènes qui les génèrent sont des dépavages et des

arrêts brutaux des matériaux précédemment accumulés, ceci est relativement indépendant

de la concentration amont. Ce résultat semble donc normal.

Les pentes en nappe augmentent progressivement au cours de l’aggradation pour atteindre

des valeurs très fortes de l’ordre de 20 %. Elles semblent elles aussi relativement

indépendantes de la concentration amont. Toutefois, l’installation d’un système de tressage

relativement à l’équilibre dans l’expérience à 0.5% de concentration a généré une reprise

R² = 0.6523

R² = 0.3219

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

0.0% 1.0% 2.0% 3.0% 4.0%

Pe

nte

(%

)

Concentration en Qs (% de Ql=3l/s)

Chenalisé Nappe Sec

~ 37 ~

régulière au pied du cône. Les arrêts de lobes ne pouvaient se raidir étant donnée l’érosion

continu du cône. Ce transport solide « de fond » vient donc limiter la formation de

structures morphologiques typées (cônes raides) quand les conditions expérimentales

approchent un équilibre.

Les pentes des chenaux augmentent avec la concentration d’apport tel que le prévoit la

théorie. L’application des formules de transport usuelles dans les conditions torrentielles

des expériences est présentée plus loin.

3.4.3. Analyse de la variabilité des pentes

Les mesures de pentes ont été réalisées de façon arbitraire dans l’axe des dépôts. Or, il

existe une variabilité de la pente suivant la direction des écoulements mais également suivant le

nombre de cycles morphologiques d’érosion/dépôt qui ont affectés la plage de dépôt.

Figure 40 : Distribution des pentes par rapport à l'axe du dépôt initial. A : Histogramme avec l'erreur standard.

B : Diagramme radar avec la pente sur le rayon et l'écart entre les profils en degré (0=axe du dépôt). C : MNT

montrant la position des profils utilisés pour cette analyse.

La Figure 40 montre que la variabilité de la pente est faible lorsqu’il s’agit du dépôt initial n’ayant

subi aucun cycle morphogène. L’erreur standard entre ces différentes mesures de pente est de

0.7%. A contrario, lorsque le dépôt a subi plusieurs cycles d’érosion/dépôt, la variabilité de la pente

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

120 90 60 45 30 0 330 315 300 270 240 225

Pente(%)

Position du profil par rapport à l'axe du cône (degrés)

0%

10%

20%

30%

40%

50%0

330

315

300

270

240

225

210

180150

135

120

90

120

90

60

45

30

A

B

C Sens d’écoulement

~ 38 ~

augmente (erreur standard = 2.0%) et le cône prend alors une forme plus allongé avec des pentes

plus raides sur ces flancs (Figure 41).

Figure 41 : Distribution des pentes par rapport à l'axe du dépôt après plusieurs cycles morphologiques. A :

Histogramme avec l'erreur standard. B : Diagramme radar avec la pente sur le rayon et l'écart entre les profils en

degré (0=axe du dépôt). C : MNT montrant la position des profils utilisés pour cette analyse.

La variabilité des pentes des deltas est naturellement plus forte que celle des cônes (Figure 42).

La pente est plus importante sur le front du delta que sur les bords. De plus, l’orientation du front et

sa forme sont conditionnées par la direction des écoulements qui génèrent ce front. En entrant

dans la zone d’eau calme, les sédiments précédemment transportés se déposent en intégralité,

créant une « mouth bar ». Ce dépôt forme un obstacle situé précisément dans l’axe de

l’écoulement et oblige ce dernier à adapter son cheminement. Le développement des deltas prend

donc généralement une direction préférentielle liée à celle qu’adopte le chenal actif. Des

dissymétries significatives sont ainsi observées dans la forme des fronts deltaïques.

De plus, une part de la variabilité des pentes peut être attribuée à l’influence des écoulements lors

de l’arrêt des simulations pour les prises de vues qui permettent de générer les MNT (effet du

protocole). A la reprise de la simulation, la plage se remplit d’eau rapidement. La zone d’eau calme

n’existe alors pas encore. Des phénomènes de fortes érosions ont lieu sur les zones raides des

fronts deltaïques et des étalements sont observés. Dans la mesure où le dépôt, au droit des fronts

deltaïque, est total et lié au remous hydraulique, la perturbation de la forme du front à l’occasion de

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

45%

90 120 90 60 45 30 0 330 315 300 270 240 225

Pente (%)

Position du profil par rapport à l'axe du cône (degrés)

0%

10%

20%

30%

40%

50%0

330

315

300

270

240

225

210

180150

135

120

90

120

90

60

45

30

A

B


~ 39 ~

la remise en route de l’expérience est considérée comme ayant un effet négligeable sur la suite

des expériences.

Figure 42 : Distribution des pentes par rapport à l'axe du delta. A : Histogramme avec l'erreur standard. B :

Diagramme radar avec la pente sur le rayon et l'écart entre les profils en degré (0=axe du dépôt). C : MNT

montrant la position des profils utilisés pour cette analyse.

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

120 90 60 45 30 0 330 315 300 270 240

Pente (%)

Position du profil par rapport à l'axe du delta (degrés)

0%

20%

40%

60%

80%

100%0

330

315

300

270

240

225

210

180150

135

120

90

120

90

60

45

30

A

B


~ 40 ~

4. Discussion

4.1. Similarités avec les morphodynamiques connues

Dans la littérature, il n’existe pas de description détaillée de la morphologie de dépôt de

charriage au sein d’une plage. Il est cependant possible de trouver des analogies entre les

observations effectuées au cours de cette étude et la description du fonctionnement des cônes

alluviaux et des deltas. Van Dijk et al. (2012) comparent la morphodynamique des cônes alluviaux

et des deltas à l’aide de modèles réduits (Figure 43a). Au cours de ces expériences, ils mettent en

évidence que la formation d’un cône alluvial suit des cycles de dépôts puis d’incisions. Les dépôts

s’effectuent à la faveur d’écoulement en nappes (sheet flows). Au contraire, les incisions

chenalisent le cône par érosion régressive. Cette érosion conduit à un dépôt aval qui déclenche le

comblement du chenal par propagation d’un remous solide (backfilling), remous prenant

généralement « appui » sur un lobe aval.

Ces cycles sont semblables aux cycles observés dans la plage de dépôt. Toutefois

l’initiation du phénomène de chenalisation semble apparaitre par l’amont dans nos écoulements

torrentiels plutôt que par l’aval tel qu’observé par Van Dijk et al. (2012). L’érosion massive du

dépôt s’initie au droit d’une petite zone dépavée ou ravinée qui devient très rapidement un axe

d’écoulement préférentiel. Le dépavage met en mouvement les sédiments grossiers vers l’aval.

Ces derniers forment des lobes de dépôt comme le décrivent Reitz & Jerolmack (2012) dans leurs

travaux sur la dynamique des cônes alluviaux (Figure 43b). Cependant, les phénomènes de

chenalisation et de création de lobes sont beaucoup plus dynamiques dans notre cas d’étude.

Ainsi, le cône est balayé par plusieurs écoulements préférentiels qui finissent par déstabiliser le

dépôt laissant place à une érosion massive de ce dernier.

Figure 43 : A : MNT des cycles de dépôt et de chenalisation des deltas (en haut) et des cônes alluviaux (en bas)

(Van Dijk et al., 2012) ; B : Images de la formation d’un lobe sur un cône alluvial en laboratoire. L’intervalle entre

les photos est de deux minutes (Reitz & Jerolmack, 2012).

Les formes observées par Van Dijk et al. (2012) sont du même type que celles observées lors de

nos essais en laboratoire, surtout celles des cônes alluviaux qui sont plus allongées que les deltas

grâce à la direction préférentielle d’écoulement dans l’axe de la pente.

Cependant ces phénomènes sont observés sur des pentes de l’ordre de 3% avec des

concentrations en débit solide d’environ 0.3% et un D50 de 0.23 mm contre 8% dans notre cas et

des concentrations 3 à 10 fois supérieures.

En 1983, Zollinger décrit au travers d’essais en laboratoire la morphologie d’un dépôt dans une

plage. Les figures qui illustrent sa thèse sont obtenues à l’aide de la photogrammétrie. Là encore,

les ressemblances avec nos observations sont frappantes (Figure 44).

A

B

~ 41 ~

Figure 44 : MNT des dépôts a) écoulement en nappes, b) écoulement chenalisé (Zollinger, 1983)

4.2. Initialisation de l’incision : renaissance de la «dune à forte pente»

Les phénomènes observés lors de l’initiation de l’érosion du dépôt peuvent également être

comparés aux dunes à fortes pentes. Ces phénomènes, rarement décrits, n’existent qu’en

contexte torrentiel. La dune à forte pente se compose de trois parties (Figure 45) :

Un chenal central bien marqué, rectiligne, qui fait transiter un matériau grossier semblant

glisser sur un matériau plus fin (nappe de charriage selon la terminologie actuelle).

Une niche d’érosion en amont qui peut reculer sous l’effet de la mise en place d’une

érosion régressive.

Une zone de dépôt à l’aval (le lobe).

Koulinski (1993) décrit leur fonctionnement de la manière suivante : « Une dune à forte pente

s’installe lorsque les débits de plusieurs chenaux […] se rassemblent dans un seul chenal, par

suite des variations du modelé du lit alluvial, et donnent naissance à un écoulement liquide

suffisant pour qu’un débit solide conséquent puisse être transporté. Un lessivage des éléments

grossiers se produit alors et un lit fin à très forte capacité de transport s’installe avec érosion

régressive et dépôt à l’aval. ». Ce type de morphologie ne peut avoir lieu que pour une

granulométrie étendue, et, d’autre part, il semblerait que le déplacement des matériaux par nappes

de granulométrie resserrée soit indispensable à l’amorçage de ces structures, d’où l’importance du

tri granulométrique dans l’apparition de ce genre de structure.

Figure 45 : Schéma d'une dune à forte pente (Koulinski, 1993).

Bacchi et al. (2014) ont également observé des fluctuations cycliques dans leurs essais en canal

étroit (1D). Le diamètre des grains du mélange utilisé est similaire au mélange que nous avons

utilisé dans notre étude (D50=3.2 mm, D84/D50=2.8) et la pente du canal était supérieure (12%).

(a) (b)

~ 42 ~

Ils ont observé des phénomènes de pavage du lit avec une destruction périodique créant une

érosion locale et une propagation vers l’aval du matériel érodé sous forme de nappe de charriage.

Ces cycles de destruction du pavage du lit engendrent alors des variations fréquentes de la pente

amont. Les essais ayant été réalisés en alimentation constante, il semblerait que ces fluctuations

cycliques soient principalement dues au tri granulométrique.

4.3. Tri granulométrique

Ces observations de ségrégation sont également mises en évidence sur le terrain. Ainsi,

lors d’une campagne de mesure sur le torrent du Manival, la granularité des dépôts a pu être

observée (Figure 46). Un tri très marqué est visible sur la partie supérieure des dépôts de manière

équivalente à celui illustré par la Figure 35.

Figure 46 : Photo d'un dépôt dans le chenal du Manival (38). Respectivement de A à D de plus en plus profond.

Les implications de ce phénomène sur l’hydraulique, le transport sédiment et la morphodynamique

reste pour l’heure des questions de recherche.

4.4. Pente

4.4.1. Fluctuations des pentes

Les profils extraits des simulations effectuées montrent également des similarités avec

ceux observés par certains auteurs. Tout d’abord, les essais de Nicholas et al. (2009), Van Dijk et

al. (2009) et Van Dijk et al. (2012) présentent deux types de profils en long. Les profils des deltas

et des cônes diffèrent par leurs pentes et leurs formes. Les deltas présentent une pente très faible

avec la présence d’un front à l’aval qui prograde au cours du temps (Figure 47). Les profils des

cônes sont plus raides mais ne présentent pas de rupture de pente importante à l’aval,

contrairement aux profils des dépôts de charriage. Les profils que nous avons pu réaliser

présentent en fait ces deux aspects avec, à l’amont une forte pente de dépôt comme les cônes

alluviaux puis à l’aval une rupture de pente et un front de delta qui prograde au cours du temps.

A B

C D

~ 43 ~

Figure 47 : Profils en long d'un delta montrant les différentes phases du cycle (Van Dijk et al. 2009).

La Figure 48 montre des incisions à l’amont qui contribuent à un transfert vers l’aval des matériaux

érodés et la formation d’une barre sédimentaire. Le même phénomène peut être observé sur les

figures des profils en long extraits des MNT des simulations.

Figure 48 : Profils en long d'un cycle d'incision d'un delta (Van Dijk et al. 2009).

La forme des profils est caractéristique avec un profil convexe sur le dépôt avant la chenalisation

de ce dernier et un profil plutôt concave lorsqu’il est chenalisé (annexe 6). Ces observations ont

également été relevées dans les travaux de Parker et al. (1998). Dans leur développement

théorique sur les cônes alluviaux, Parker et al. (1998) notent que le profil en long est toujours

convexe pour un cône graveleux avec un écoulement en nappe. Pour les cônes chenalisés, la

tendance s’inverse avec un profil plutôt concave, tant pour les cônes graveleux que sableux

(Figure 49).

Figure 49 : Profils d'un cône chenalisé en haut et non chenalisé en bas (Paola & Mohrig 1998).

~ 44 ~

4.4.2. Application des formules de transport solide

Les mesures de pentes réalisées sur les profils en long des différentes simulations ont

permis de vérifier la validité des formules de transport solide usuelles en conditions torrentielles.

Nous avons tenté de calculer les largeurs des chenaux pour différentes conditions de pente, de

granulométrie et de concentration en débit solide.

Dans les conditions classiques d’application des formules de transport solide, par exemple à

l’amont d’une plage, les paramètres sont les suivants :

Pente

Granulométrie

Largeur du chenal

Debit liquide

La formule de transport permet de déterminer le débit solide. Dans le cas d’une plage de dépôt, le

problème est inverse. Les conditions expérimentales ont permis de déterminer les apports solides

et liquides et la granulométrie. La pente des dépôts et la largeur des chenaux actifs sont par contre

inconnus et s’adaptent naturellement. Afin de pouvoir concevoir les digues latérales des plages,

une estimation de la pente des dépôts est nécessaire. Dans la mesure où deux variables restent

libres (largeur et pente) le problème n’est pas fermé et présente plusieurs configurations correctes.

Nos observations ont montré que les dépôts dans les plages adoptent des cycles entre deux états

instables sur le long terme : des écoulements en nappe et chenalisés. Ayant mesuré les pentes de

chacun des états, l’idée était de vérifier si les formules de Lefort, Smart et Jaeggi ou Rickenmann

(Malavoi et al., 2011) fournissaient les bonnes valeurs de pente avec un paramètre de largeur de

transport (i) cohérent avec la réalité des observations (~10-20 cm en chenalisé et ~ 60-120 cm en

nappe) et (ii) constant entre les expériences afin d’être extrapolable à d’autres cas.

Le tableau suivant détaille plusieurs configurations testées avec des granulométries différentes.

Figure 50 : Analyse de la validité des formules de transport solide en conditions torrentielles

~ 45 ~

Le premier test calcule les largeurs actives des chenaux avec comme taille de grain le D50

dans les conditions d’écoulement en nappe et d’écoulement chenalisé. Les observations réalisées

lors des simulations ont permis d’estimer un ordre de grandeur de ces largeurs actives (10 à 20 cm

dans le cas où l’écoulement est chenalisé et 60 à 120 cm lorsqu’il est en nappe). Ce premier test

montre qu’en appliquant les formules de transport solide avec le D50, les largeurs actives

calculées sont aberrantes (Figure 50).

Lors du second test, ce travail a été réalisé avec le D84 dans le cas des écoulements en

nappe et le diamètre moyen (Dm) lorsqu’il est chenalisé. Là encore les valeurs de largeurs actives

estimées par les formules de transport solide sont aberrantes. La formule de Lefort ne tient pas

compte de la largeur active des chenaux, nous avons donc estimé le diamètre des grains pour les

deux configurations d’écoulement. Ces valeurs sont très élevées puisqu’elles correspondent au

diamètre maximum du mélange sédimentaire pour les écoulements en nappe et environ au D90

pour les écoulements chenalisés (Figure 50).

Le troisième test réalisé est basé sur des observations de Frey et al. (1999) qui

préconisent, suite à leurs essais, de multiplier la concentration par deux dans les formules de

transport solide afin d’estimer des paramètres plus cohérents. Les valeurs estimées de largeurs

des chenaux en doublant les concentrations ne sont pas concluantes mais elles se rapprochent

des observations réalisées lors des manipulations. Les diamètres de grains calculés avec la

formule de Lefort sont toujours surestimés (Figure 50).

Le dernier test calcule les largeurs des chenaux à partir du D95. Ce test est basé sur les

observations réalisées par Lala Rakotoson (1994) qui détermine une meilleure estimation des

paramètres des formules de transport solide en conditions torrentielles avec une taille de grain

proche du D95. Les valeurs de largeurs des chenaux ainsi calculées semblent cohérentes avec

nos observations (Figure 50).

Les formules de transport solide usuellement utilisées en hydraulique torrentielle ne sont

pas applicables à notre cas d’étude. Les paramètres qui entrent en compte dans ces formules

doivent être forcés pour obtenir des résultats cohérents avec nos observations. Il semble qu’en

utilisant une granularité grossière les résultats soient cohérents. Cependant ces observations

mènent à mettre en garde quant à l’emploi de ces formules pour le dimensionnement d’ouvrages

telles que les plages de dépôt. Il est nécessaire de poursuivre la recherche dans ce sens afin de

déterminer des outils fiables pour la conception de ces ouvrages de correction torrentielle.

~ 46 ~

Conclusion et perspectives

Cette étude a permis de mettre en évidence le fonctionnement cyclique des dépôts au sein

d’une plage de dépôt. Ce fonctionnement s’apparente au fonctionnement des cônes et des deltas,

cependant les conditions de pente et la granularité des écoulements diffèrent des conditions

torrentielles. Les concentrations en débit solide apparaissent comme un premier facteur régulant

les cycles. La granularité étendue, qui permet le tri granulométrique, semble également contrôler

ces cycles et le fonctionnement par bouffées du transport solide. Dans ces conditions, on ne peut

parler d’équilibre du fait de l’évolution cyclique de ces formes qui sont continuellement remaniées.

Le terme d’équilibre dynamique est plus approprié. Ainsi le dépôt amont oscille entre une pente

minimum et une pente maximum que nous nous sommes attachés à décrire qualitativement.

La première perspective de ce travail est donc la description quantitative des pentes et des

débits solides associés à ces pentes à l’aide des formules de transport solide. L’idéal serait de

déterminer une formule ou une approche permettant d’estimer les valeurs de pentes minimum et

maximum. Les valeurs des pentes minimum et maximum permettraient ainsi de déterminer

respectivement les volumes minimum et maximum de stockage mais aussi la cote minimum des

crêtes des digues latérales afin de donner des éléments dans les choix du design des plages de

dépôt et de limiter les risques liés au contournement des digues. Aujourd’hui, rien dans la

littérature ne permet d’estimer ces pentes. Un des éléments-clé des formules de transport solide

est la largeur du chenal actif, or, dans les zones de dépôts massifs, il n’existe pas de formule pour

estimer cette largeur. Une analyse des valeurs minimum et maximum de largeur active est à

programmer. De plus, il convient de tenir compte du tri granulométrique qui s’opère dans ce type

de dépôt pour implémenter les formules de transport solide avec la bonne taille de grain en

fonction de la phase du cycle pour déterminer les pentes correspondantes.

Pour finir, des recommandations aux concepteurs d’ouvrages seront rédigées. Le projet

européen ayant financé ce stage prévoit la réalisation d’un guide technique incluant nos résultats.

~ 47 ~

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~ 51 ~

Table des figures

FIGURE 1 : SCHEMA DE TRANSITION DES DISCIPLINES EN FONCTION DU PHENOMENE ETUDIE, (MODIFIE D’APRES MEUNIER, 1991). ............... 4

FIGURE 2 : ILLUSTRATION QUALITATIVE DE L'EQUILIBRE D'UN BASSIN VERSANT TORRENTIEL (BARDOU, 2002). ........................................... 5

FIGURE 3 : ENTITES FONCTIONNELLES D'UN LAVES TORRENTIELLE (BARDOU, 2002). ............................................................................. 5

FIGURE 4 : METHODE DE CLASSIFICATION DES TYPES DE RIVIERES PERMETTANT DE DISTINGUER LA RIVIERE TORRENTIELLE DU TORRENT SELON

DES CRITERES HYDRAULIQUES ET SEDIMENTAIRES (LIEBAULT, 2003). ...................................................................................... 6

FIGURE 5 : LES AMENAGEMENTS TORRENTIELS. A : SCHEMAS D’UN BASSIN VERSANT TORRENTIEL AVEC AMENAGEMENT MIXTE (ACTIF ET PASSIF)

(DEYMIER ET AL., 1995). B : ELEMENTS D'UN OUVRAGE DE SEDIMENTATION (MODIFIE D’APRES ZOLLINGER, 1983). ........................ 8

FIGURE 6 : EXEMPLE D'OUVERTURES DE PLAGE DE DEPOT EN MODELE PHYSIQUE. A : FENTE LARGE, B : 10 OUVERTURES CIRCULAIRES AVEC

FENTE, C : FENTE ETROITE ET PROFONDE AVEC PEIGNE, D : 4 FENTES HORIZONTALES DECALEES. (SOGREAH ET AL., 2011). .............. 9

FIGURE 7 : VOLUMES STOCKES AU COURS D'UN HYDROGRAMME DE CRUE POUR DIFFERENTES CONFIGURATIONS D'OUVRAGE TERMINAL

(SOGREAH ET AL. 2011). .............................................................................................................................................. 9

FIGURE 8 : MNT DE LA RIVIERE EN TRESSE AHURIRI (NOUVELLE-ZELANDE) REALISE SOUS AGISOFT PHOTOSCAN (JAVERNICK ET AL., 2014). . 11

FIGURE 9 : COMPARAISON DE MNT SFM ET LIDAR (FONSTAD ET AL. 2013). A : PHOTO AERIENNE. B : MNT SFM. C : MNT LIDAR. ...... 11

FIGURE 10 : CARTE D'UN SECTEUR DE LA RIVIERE WAIMAKARIRI (NOUVELLE-ZELANDE) MONTRANT LES ZONES EN EROSION ET LES DEPOTS

ENTRE FEVRIER 1999 ET FEVRIER 2000 (LANE ET AL., 2003). .............................................................................................. 12

FIGURE 11 : A. PHOTO UTILISEE POUR LA CONSTRUCTION DU MNT. B. ZOOM DU MNT REALISE PAR PHOTOGRAMMETRIE (BUTLER ET AL.,

2014). ...................................................................................................................................................................... 12

FIGURE 12 : SCHEMA PRESENTANT LE SYSTEME DE MESURE MIS EN PLACE LE LONG D'UNE BERGE. ON NOTE LA POSITION DES APPAREILS DE

PRISE DE VUE ET LES CIBLES POSITIONNEES SUR LA BERGE QUI SERVENT A LA CONSTRUCTION DU MNT VIA LA PHOTOGRAMMETRIE

(BARKER ET AL., 1997). ................................................................................................................................................ 12

FIGURE 13 : MNT ISSUS DE L'ETUDE D'UN MODELE REDUIT DE RIVIERE EN TRESSE (STOJIC ET AL., 1998) A) MNT A T=320 MIN, B) MNT A T =

350 MIN, C) DIFFERENCE DES MNT ILLUSTRANT LES MORPHOLOGIES ET VALEURS DES DEPOTS A L’AVAL DES BARES (B, C), L’EROSION LE

LONG D’UN NOUVEAU CHENAL (D) ET LE L’INFLUENCE AVAL ENTRE DES ZONES DE DEPOT (B) ET D’EROSION (A). ............................. 13

FIGURE 14: SCHEMA DU CANAL HYDRAULIQUE DE L'IRSTEA. ......................................................................................................... 14

FIGURE 15 : COURBE DE CALIBRATION DE LA POMPE. RELATION TENSION EN FONCTION DU DEBIT.......................................................... 15

FIGURE 16 : COMPARAISON ENTRE LES COURBES GRANULOMETRIQUES DES TORRENTS ET LES COURBES DU MODELE (UNE COURBE ISSU

DU MODELE DE RECKING ET UNE COURBE AVEC LES TAILLES DE TAMIS DISPONIBLES). .................................................................. 18

FIGURE 17 : GRAIN SIZE DISTRIBUTION MODEL. (A) FIELD DATA SET OF 78 GRAVEL BED RIVERS AND (B) THE MODEL OF RECONSTRUCTION OF DE

GRAIN SIZE DISTRIBUTION (RECKING, 2013). .................................................................................................................... 18

FIGURE 18 : PHOTO DU MELANGE CONSTITUE. ............................................................................................................................ 19

FIGURE 19 : COURBES DE CALIBRATION DU TAPIS D'ALIMENTATION EN DEBIT SOLIDE. .......................................................................... 19

FIGURE 20 : A GAUCHE : VUE DE DESSUS DU CANAL 3D SOUS AGISOFT PHOTOSCAN AVEC LA POSITION DES PHOTOS PRISES AFIN DE COUVRIR LA

TOTALITE DU CANAL (EN BAS A DROITE, L’AXE Y EST EN VERT ET L’AXE X EST EN ROUGE). A DROITE : POSITIONNEMENT DES CIBLES

AUTOUR DU CANAL. ...................................................................................................................................................... 20

FIGURE 21 : COMPARAISON ENTRE DES POINTS SIMILAIRES QUI N'APPARTIENNENT PAS A LA MEME ZONE DE RECOUVREMENT ENTRE DEUX

PHOTOS (PHOTOS 1 ET 2), ET ENTRE DES POINTS SIMILAIRES QUI FONT PARTIE DE LA MEME ZONE DE RECOUVREMENT (3 ET 4). ......... 22

FIGURE 22 : COMPARAISON ENTRE LE NUAGE DE POINTS (A) ET LE NUAGE DE POINTS DENSIFIE (B). (C) EST LE NUAGE DE POINTS DENSIFIE SANS

LA COULEUR ET QUI PERMET DE MIEUX SE RENDRE COMPTE DU RELIEF ET DE LA DENSITE DE POINT. ............................................... 22

FIGURE 23 : MAILLAGE ZOOME D'UN MODELE DU CANAL AFIN D’OBSERVER LES FACES ET LES SOMMETS. ................................................ 23

FIGURE 24 : DIFFERENCES D'ALTITUDE ENTRE DEUX ENSEMBLES DE PHOTOS. L'ALTITUDE A ETE NORMALISEE PAR LE D50 DES SEDIMENTS

PRESENTS DANS LE CANAL LORS DES TESTS. ........................................................................................................................ 23

FIGURE 25 : DIFFERENCES DE VOLUME ENTRE DEUX ENSEMBLES DE PHOTOS. ..................................................................................... 24

FIGURE 26 : MESURE DE L'ERREUR RELATIVE DES DISTANCES SOUS AGISOFT PHOTOSCAN. .................................................................... 24

FIGURE 27 : PROFILS EN LONG DU CANAL POUR DIFFERENTES COMBINAISONS D'OPTIMISATION DES PARAMETRES. .................................... 25

FIGURE 28 : PROFILS EN LONG DU CANAL POUR DIFFERENTS MODE DE PRISE DE VUE ET POUR DIFFERENTES CORRECTION DE LA DISTORSION. .. 25

FIGURE 29 : COMPARAISON DES NUAGES DE POINTS EPARSE OBTENUS AVEC AGISOFT POUR, A : LE CANAL SANS EAU, B : LE CANAL AVEC DE

L’EAU, C : ORTHOPHOTO DU CANAL AVEC DE L’EAU DANS LE CHENAL CENTRAL. ......................................................................... 26

FIGURE 30 : PROFILS EN TRAVERS DES MNT AVEC ET SANS EAU. A : CHENAL CENTRAL FIGURE 29. B : CHENAL SECONDAIRE FIGURE 29. ....... 26

~ 52 ~

FIGURE 31 : COURBES DE LA PENTE EN FONCTION DE LA CONCENTRATION A L’EQUILIBRE ETABLIES SUIVANT CINQ FORMULES DE TRANSPORT

SOLIDE POUR LE D50 DU MODELE ET POUR UNE LARGEUR DE CHENAL D’ENVIRON 20 CM. .......................................................... 28

FIGURE 32 : COURBES DE LA PENTE EN FONCTION DE LA CONCENTRATION A L’EQUILIBRE ETABLIES SUIVANT CINQ FORMULES DE TRANSPORT

SOLIDE POUR LE D50 DU MODELE ET POUR UNE LARGEUR DE CHENAL D’ENVIRON 90 CM. .......................................................... 29

FIGURE 33 : TEMPS DE RETOUR DES CYCLES OBSERVES EN FONCTION DE LA CONCENTRATION EN DEBIT SOLIDE ......................................... 29

FIGURE 34 : SCHEMA ILLUSTRANT LES CYCLES MORPHOLOGIQUES OBSERVES. .................................................................................... 31

FIGURE 35 : PHOTOS ILLUSTRANT LE TRI GRANULOMETRIQUE DU DEPOT AMONT. A : SURFACE DU DEPOT. B : SUBSURFACE DU DEPOT. C :

COUCHE DE FOND DU DEPOT. D : VUE EN COUPE DU DEPOT. ................................................................................................. 32

FIGURE 36 : PROFILS EN LONG DE LA SIMULATION A 1% DE CONCENTRATION EN DEBIT SOLIDE. ............................................................. 33

FIGURE 37 : PROFILS EN LONG DE LA SIMULATION A 2% DE CONCENTRATION EN DEBIT SOLIDE. ............................................................. 34

FIGURE 38 : PROFILS EN LONG DU CANAL MONTRANT L'EXTRACTION DES DONNEES DE PENTES. ............................................................. 35

FIGURE 39 : PENTES DES DEPOTS EN FONCTION DE LA CONCENTRATION EN DEBIT SOLIDE INJECTEE. ........................................................ 36

FIGURE 40 : DISTRIBUTION DES PENTES PAR RAPPORT A L'AXE DU DEPOT INITIAL. A : HISTOGRAMME AVEC L'ERREUR STANDARD. B :

DIAGRAMME RADAR AVEC LA PENTE SUR LE RAYON ET L'ECART ENTRE LES PROFILS EN DEGRE (0=AXE DU DEPOT). C : MNT MONTRANT

LA POSITION DES PROFILS UTILISES POUR CETTE ANALYSE. ..................................................................................................... 37

FIGURE 41 : DISTRIBUTION DES PENTES PAR RAPPORT A L'AXE DU DEPOT APRES PLUSIEURS CYCLES MORPHOLOGIQUES. A : HISTOGRAMME AVEC

L'ERREUR STANDARD. B : DIAGRAMME RADAR AVEC LA PENTE SUR LE RAYON ET L'ECART ENTRE LES PROFILS EN DEGRE (0=AXE DU

DEPOT). C : MNT MONTRANT LA POSITION DES PROFILS UTILISES POUR CETTE ANALYSE. ............................................................ 38

FIGURE 42 : DISTRIBUTION DES PENTES PAR RAPPORT A L'AXE DU DELTA. A : HISTOGRAMME AVEC L'ERREUR STANDARD. B : DIAGRAMME

RADAR AVEC LA PENTE SUR LE RAYON ET L'ECART ENTRE LES PROFILS EN DEGRE (0=AXE DU DEPOT). C : MNT MONTRANT LA POSITION

DES PROFILS UTILISES POUR CETTE ANALYSE. ...................................................................................................................... 39

FIGURE 43 : A : MNT DES CYCLES DE DEPOT ET DE CHENALISATION DES DELTAS (EN HAUT) ET DES CONES ALLUVIAUX (EN BAS) (VAN DIJK ET

AL., 2012) ; B : IMAGES DE LA FORMATION D’UN LOBE SUR UN CONE ALLUVIAL EN LABORATOIRE. L’INTERVALLE ENTRE LES PHOTOS EST

DE DEUX MINUTES (REITZ & JEROLMACK, 2012). ............................................................................................................... 40

FIGURE 44 : MNT DES DEPOTS A) ECOULEMENT EN NAPPES, B) ECOULEMENT CHENALISE (ZOLLINGER, 1983) ........................................ 41

FIGURE 45 : SCHEMA D'UNE DUNE A FORTE PENTE (KOULINSKI, 1993). ........................................................................................... 41

FIGURE 46 : PHOTO D'UN DEPOT DANS LE CHENAL DU MANIVAL (38). RESPECTIVEMENT DE A A D DE PLUS EN PLUS PROFOND. .................. 42

FIGURE 47 : PROFILS EN LONG D'UN DELTA MONTRANT LES DIFFERENTES PHASES DU CYCLE (VAN DIJK ET AL. 2009). ............................... 43

FIGURE 48 : PROFILS EN LONG D'UN CYCLE D'INCISION D'UN DELTA (VAN DIJK ET AL. 2009). ............................................................... 43

FIGURE 49 : PROFILS D'UN CONE CHENALISE EN HAUT ET NON CHENALISE EN BAS (PAOLA & MOHRIG 1998). ......................................... 43

FIGURE 50 : ANALYSE DE LA VALIDITE DES FORMULES DE TRANSPORT SOLIDE EN CONDITIONS TORRENTIELLES .......................................... 44

TABLE 1 : NOMBRE DIMENSIONNELS PERTINENTS DANS LES ECOULEMENTS FLUVIAUX. ......................................................................... 16

TABLE 2 : FACTEURS D'ECHELLE ENTRE LE CANAL IRSTEA ET LES TORRENTS DE L'ANALYSE GRANULOMETRIQUE. ....................................... 17

~ 53 ~

Table des matières

Remerciements ............................................................................................................................... 1

Sommaire ....................................................................................................................................... 1

Introduction ..................................................................................................................................... 2

1. Présentation de la problématique et synthèse bibliographique ................................................ 3

1.1. L’hydraulique torrentielle ................................................................................................... 3

1.1.1. Le transport solide en contexte torrentiel ................................................................... 3

1.1.2. Les ouvrages de correction torrentielle (plages de dépôt) .......................................... 7

1.2. Application de la photogrammétrie à la géomorphologie ................................................. 10

1.2.1. Application sur le terrain .......................................................................................... 10

1.2.2. Application en laboratoire ........................................................................................ 13

2. Matériel et méthodes ............................................................................................................. 14

2.1. Le dispositif expérimental ............................................................................................... 14

2.1.1. Le canal hydraulique ................................................................................................ 14

2.1.2. Similitude de Froude ................................................................................................ 15

2.1.3. Granulométrie et alimentation solide du modèle ...................................................... 17

Analyse granulométrique ................................................................................................... 17

Dispositif d’alimentation solide et calibrage ....................................................................... 19

2.2. Le dispositif de mesure ................................................................................................... 20

2.2.1. La photogrammétrie avec Agisoft Photoscan ........................................................... 20

Dispositif et paramètres de prise de vue ............................................................................ 20

Fonctionnement d’Agisoft Photoscan ................................................................................ 21

Analyse de la fiabilité de la mesure ................................................................................... 23

Effet de l’eau ..................................................................................................................... 25

2.2.2. Mesure du débit solide aval ..................................................................................... 27

3. Résultats ............................................................................................................................... 28

3.1. Pente et concentration .................................................................................................... 28

3.2. Cycles morphologiques ................................................................................................... 29

3.2.1. Etape 1 : dépôt amont massif et écoulement en nappe............................................ 30

3.2.2. Etape 2 : chenalisation soudaine ............................................................................. 30

3.2.3. Etape 3 : migration des chenaux .............................................................................. 30


3.4. Pentes de dépôt et de transport ...................................................................................... 32

3.4.1. Analyse qualitative des pentes ................................................................................. 32

3.4.2. Analyse quantitative des pentes .............................................................................. 34

3.4.3. Analyse de la variabilité des pentes ......................................................................... 37

~ 54 ~

4. Discussion ............................................................................................................................. 40

4.1. Similarités avec les morphodynamiques connues ........................................................... 40

4.2. Initialisation de l’incision : renaissance de la «dune à forte pente».................................. 41


4.4. Pente .............................................................................................................................. 42

4.4.1. Fluctuations des pentes ........................................................................................... 42

4.4.2. Application des formules de transport solide ............................................................ 44

Conclusion et perspectives ........................................................................................................... 46

Bibliographie ................................................................................................................................. 47

Table des figures .......................................................................................................................... 51

Table des matières ....................................................................................................................... 53

Annexes ........................................................................................................................................ 55

Résumé ........................................................................................................................................ 62

Abstract ........................................................................................................................................ 62

~ 55 ~

Annexes

Annexe 1 : MNT et photo du canal avant la première érosion du dépôt amont pour une

concentration en débit solide de 3%.

~ 56 ~

Annexe 2 : MNT et photo du canal avant la première érosion du dépôt amont pour une

concentration en débit solide de 1%.

~ 57 ~

Annexe 3 : MNT du canal après la première érosion du dépôt amont pour une concentration en

débit solide de 3%.

~ 58 ~

Annexe 4 : MNT du canal avant la seconde érosion du dépôt amont pour une concentration en


~ 59 ~

Annexe 5 : MNT du canal après la seconde érosion du dépôt amont pour une concentration en


~ 60 ~

Annexe 6 : Profils en long de la simulation à 1% de concentration en débit solide.

Annexe 7 : Profils en long de la simulation à 2% de concentration en débit solide.

-0.30

-0.25

-0.20

-0.15

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50

altitude (m)


etat_initial

15min_nappe

30min_nappe

45min_chenalisé

60min_nappe

75min_nappe

-0.30

-0.25

-0.20

-0.15

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50

altitude (m)


etat_initial

15min_chenalisé

30min_nappe

45min_nappe

60min_nappe

75min_nappe

Accumulation

amont pente

raide

Transfert massif

vers l’aval.

Lissage des

pentes Nouvelle

accumulation

Nouveau

transfert

Concavité du profil

dû à la confluence

des chenaux à

l'aval du dépôt

Transfert initial

vers l’aval déjà

réalisé

Accumulation

Transfert aval

Accumulation

Nouveau

transfert

Niveau d’eau

Avancées des lobes

dans la plage (pente

raide)

~ 61 ~

Annexe 8 : Profils en long extraits des MNT de la simulation à 3% de concentration en débit

solide.

Annexe 9 : Profils en long extraits des MNT de la simulation à 3.5% de concentration en débit

solide

-0.30

-0.25

-0.20

-0.15

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50

altitude (m)


Etat_initial

15min_chenalisé

30min_nappe

45min_nappe

60min_nappe

70min_nappe

-0.30

-0.25

-0.20

-0.15

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50

altitude (m)

Distance à l'amont (m)

etat initial absolu

avant_erosion1

après_érosion1

avant_érosion2_remontée_bras

avant_érosion2

après_érosion2

avant_érosion3

avant_érosion4

Dépôt

Transfert aval

Transfert aval

Niveau d’eau

Atteinte de

l’ouvrage par

le front

~ 62 ~

Résumé

Ce rapport vise à comprendre l’évolution morphologique des dépôts au sein d’ouvrages de

correction torrentielle tels que les plages de dépôts. Ces ouvrages ont pour objectif de contrôler les

apports sédimentaires, souvent massifs, des torrents afin de protéger les zones à enjeux situées

directement à l’aval. Pour ce faire, un modèle physique a été réalisé en respectant les similitudes

de Froude (Froude Scale Model). De cette manière, les observations réalisées peuvent être

transposées à la nature par un facteur d’échelle. L’acquisition des données topographiques a été

effectuée par photogrammétrie. Deux appareils fixés sur un rail au-dessus du canal hydraulique

prennent des photos simultanées et le traitement de ces images est réalisé avec Agisoft

Photoscan. Ce logiciel permet d’obtenir un modèle 3D du canal et d’en extraire un MNT (Modèle

Numérique de Terrain). De cette manière, la morphologie des dépôts a pu être observée avec une

précision satisfaisante (millimétrique). Au cours des simulations réalisées en régime uniforme avec

différentes concentrations en débit solide, des cycles de dépôt suivis de nappes de charriage ont

été observés. Un cycle se compose d’une accumulation à l’amont du canal, qui, lorsque sa pente

est trop importante, est entrainée vers l’aval sous la forme d’une érosion massive. La fréquence de

ces cycles est d’autant plus importante que la concentration en débit solide est forte. Cet équilibre

dynamique ressemble à la dynamique des deltas et des cônes alluviaux. Ce rapport fourni donc

une analyse qualitative des dépôts dans les zones d’apports massifs de sédiment.

Abstract

This report aims to understand the morphological evolution of deposits in torrent control

structures such as sediment trap using slit open check dam. These structures aim to control

massive sediment supply of torrents to protect areas located directly downstream. To do this, a

physical model was made respecting the similarities of Froude (Froude Scale Model). In this way,

observations can be transposed at a natural scale by a scale factor. The topographic data

acquisition was performed by photogrammetry. Two cameras mounted on a rail above the water

channel taking simultaneous photos and processing of these images is done with Agisoft

PhotoScan. This software provides a 3D channel model and to extract a DEM (Digital Elevation

Model). In this manner, the morphology of deposits could be observed with satisfactory accuracy

(millimetric). In simulations carried out in steady flow, with different solid concentrations, deposition

cycles releasing bedload sheets were observed. A cycle consists of an accumulation upstream of

the channel, which, when the slope is too steep, is driven downstream through massive erosion.

The frequency of these cycles is even more important when the concentration of the solid flow is

strong. This dynamic equilibrium is similar to the dynamics of deltas and alluvial fans. This report

therefore provided a qualitative analysis of deposits in areas of massive sediment inflows.

CR_VisitePyrenees_130705_indB

1/5 05/07/2013

Unité Erosion Torrentielle Neige et Avalanches

Compte-rendu de visite

Barèges – Luz Saint-Sauveur (Hautes-Pyrenees – 65) - 2 au 4 juillet 2013

Cette note décrit brièvement et sommairement le contenu et les principales analyses réalisées dans le cadre d'une mission de 3 jours suite aux crues torrentielles ayant affecté les secteurs de Barèges et de Luz Saint Sauveur (Hautes Pyrénées) les 17 et 18 juin. Mission réalisée par Jean-Marc Tacnet

(Irstea/ETNA), Guillaume Piton (Irstea/ETNA) avec Yann Queffelean (ONF/DTRTM) du 2 au 4/7/2013. Cette mission résulte d’une auto-saisine d’Irstea au titre de l’appui technique aux services.

La demande émise par le service ONF/RTM auprès de la DTRTM concernait des avis sur les mesures d'urgence et des premiers éléments d'analyse. Cette note ne constitue en aucun cas une expertise et doit être considérée comme strictement indicative. La définition des mesures et stratégies de

protection nécessiteront des données et études complémentaires.

Sommaire 1 2/07/2013 : Préparation visite terrain .........................................2

2 3/7/2013 Barèges – torrent du Bastan .......................................2

2.1 Secteur caserne et amont ....................................................................... 2

2.1.1 Urgence ................................................................................................. 2 2.1.2 Eléments d’analyse – constats – pistes possibles .......................... 2

2.2 Secteur aval caserne ................................................................................ 3

3 Luz Saint Sauveur – Bastan 4/7/2013 ........................................3

3.1 Secteur camping amont centre ville..................................................... 3

3.2 Secteur aval : confluence avec le Gave de Pau. ............................... 3

4 Luz Saint sauveur – Torrent de l’Yse.........................................4

4.1 Secteur amont aval de la centrale......................................................... 4

4.2 Secteur aval................................................................................................. 4

5 Divers..............................................................................................4


2/5 05/07/2013

1 2/07/2013 : PREPARATION VISITE TERRAIN

Réunion en salle avec le service RTM 65 : JY Laplace (chef de service), David Sabatier, Daniel Delous, Delphine Lakalle, Nadia X.

Identification des priorités et demande spécifiques :

Barèges – torrent du Bastan : secteur de l'hôpital militaire

Luz Saint Sauveur - Bastan : secteur aval confluence

Luz Saint Sauveur – Torrent de l’Yse : tronçon du chenal (aval de la centrale EDF) jusqu’à la

confluence

2 3/7/2013 BAREGES – TORRENT DU BASTAN

Visite réalisée avec JY Laplace, Daniel Delous, S. Carladous.

2.1 Secteur caserne et amont

2.1.1 Urgence

Le secteur correspond au tronçon de l’aval de la passerelle à l’entrée de Barèges jusqu’à l’aval de la caserne

Les problèmes correspondent à l’incision généralisée du lit au droit des bâtiments en rive gauche (hôtel du Tourmalet - en cours de destruction – et caserne). Le confortement est urgent en rive gauche sous les fondations (mise en place d’enrochements jouant le rôle de coffrage + injection

béton). Aménagement d’une piste en rive gauche et curage des dépôts rive droite. Sécuriser les sommets de talus avant travaux. Mise en place d’une butée de pied (éviter les gabions sensibles à l’usure et aux flottants, transmettre l’information à l’armée). Phasage de réalisation à étudier (éviter de

créer problème d’affouillement rive opposée pendant travaux). Destruction des bâtiments militaires prévus en rive droite (principe de conserver les murs de refends =

ok).

2.1.2 Eléments d’analyse – constats – pistes possibles

De l’amont vers l’aval :

La question du positionnement de zones de dépôt est posée (nécessité de disposer de levés topographiques).

A terme, prévoir de stabiliser le lit le long de la caserne (par radier en blocs fixés par seuil transversaux, « barrettes ») pour protéger les fondations

Dans coude en amont de l’hôtel, prévoir de curer pour recentrer l’écoulement (dégager deux maisons détruites) et protéger le talus en rive droite.


3/5 05/07/2013

Sur les murs de soutènement de la route (rive gauche), prévoir de stabiliser la maçonnerie (évolution

défavorable possible). Prévoir une emprise des culées du nouveau à 25 m. Supprimer (refaire) le soutènement en rive droite

(attention à la protection parafouille). Seuil de protection et/ou radier. Elargir après la caserne (parking) en rive gauche (suppression du parking, mur à étudier…).

Affouillement généralisé du lit : prévoir seuil et/ou radier

Rétablissement du canal d’évacuation en cas d’avalanches (visite de contrôle à prévoir) : privilégier la remise en état (travaux difficiles à réaliser)

Prévoir de capitaliser avec Daniel Delous le déroulement exact de la crue.

2.2 Secteur aval caserne

Basculement de pente important dans le secteur maison forestière. Eviter les coudes, traiter les risques liés aux flottants sur les berges dans tout le secteur.

Envisager une zone de dépôt en amont des thermes et du camping. Protection amont à prévoir.

Passage de la crue au dessus des thermes (+ 2.5m environ par rapport aux protections existantes qui ont résisté mais ont été dépassées).

3 LUZ SAINT SAUVEUR – BASTAN 4/7/2013

3.1 Secteur camping amont centre ville.

Mesures de granulométrie faites. Curage à poursuivre. A terme, étudier la réalisation de terrasses de débordement sur le camping (conserver une dénivelée).

Améliorer l’entonnement à l’amont de l’immeuble rive gauche.

Continuer à rétablir le lit en curant. Attention à la profondeur de curage pour ne pas déstabiliser Remarque générale : la réalisation des enrochements en phase d’urgence ne permet pas de garantir

leur pérennité (blocs rond, pas de sabot, pas de géotextile etc…). Attirer l’attention des maîtres d’ouvrages sur le caractère provisoire…

3.2 Secteur aval : confluence avec le Gave de Pau.

Deux fermes et une grange isolée, pas d’autres enjeux à proximité. La question/pertinence d’aménagements conséquents doit être analysée. Récréer les zones agricoles nécessitera des

terrassements colossaux (voir levé à venir). Une analyse économique comparant le montant des travaux et les coûts des bâtiments mérite d’être faite. Au niveau des risques, cette zone apparaît moins prioritaire. Le cas échéant, privilégier la

création d’un lit mineur central ou latéral en rive gauche avec terrasse de débordement en rive droite.


4/5 05/07/2013

4 LUZ SAINT SAUVEUR – TORRENT DE L’YSE

4.1 Secteur amont aval de la centrale.

Section du pont insuffisante et problème de coude en amont. Prévoir de rectifier la rive droite, créer coursier accélération, envisager pièges à flottants sortie de gorge.

Section très raide (pas de dépôt)

Chenal d’écoulement aval (affouillement des murs latéraux en rive gauche). Stabilisation classique par seuils à prévoir. Attention aux gros blocs rive droite qui renvoient l’écoulement en rive gauche.

Idem au droit de la digue affouillée (comblement, prévoir seuil de calage et enrochements protection maison)

Prévoir de décrire et d’analyser les ruptures de la correction active et passive en amont : description, diagnostic à prévoir. Possibilité d’analyser les plans plus expertise ouvrages par irstea si souhaité.

Problématique des flottants à analyser (rôle aggravant avéré sur les débordements)

4.2 Secteur aval

Analyser/évaluer les zones de productions de matériaux (lits, versants ?) Zone de dépôt importante (nombreuses maisons touchées) : principe = créer zone de dépôt et prévoir

des digues (hauteur suffisante…). Problème de la localisation. Supprimer (tous) les arbres en bordure du lit autant que possible : importance avérée des embâcles lors de l’évènement…

A terme, difficile question du zonage et de la reconstruction de certains bâtiments….voir aussi la problématique des réseaux et des citernes gaz (audit, vérification dans les emprises de

débordement). Nombreux dégâts et destruction dus à l’affouillement des fondations plutôt que par impact direct

(problématique des règlements PPR…).

5 DIVERS

Positionnement des photographies sur google earth en cours.

Contact pris avec UMR Tetis (S.Labbé) pour coordonnées de l’avion jaune (vol ULM pour photo aériennes). Mission rapide et économique (5000 € possible).

Un levé par ULM et photo aérienne sur un segment de vallée est faisable. Par exemple avec un pixel à 5cm la fauchée ferait 300m de large avec une photo tous les 100m cela peut donner un MNT calculé par stéréo avec une précision en Z de l'odre de 10 cm (si le terrain est nu, s'il y a de la végétation le résultat correspond à la végétation observée sur la photo). Avec une


5/5 05/07/2013

cinquantaine de photos acquises sur un vol, possibilité de faire 3 km de vallée. Des sociétés comme l'avion jaune peuvent réaliser cette prestation pour quelques milliers d'euros. Contact : Michel Assenbaum [email protected] www.lavionjaune.fr 04 67 06 93 83

JM Tacnet 5/7/2013

mailto:[email protected]

http://www.lavionjaune.fr/

MEMO_lave_Ravoire_Pontamafrey_07-2014_indA 11 août 2014

Pour mieux affirmer ses missions, le Cemagref devient Irstea

Institut national de recherche en sciences et technologies

pour l’environnement et l’agriculture

Irstea - Unité de Recherche Erosion Torrentielle Neige et Avalanches

Domaine universitaire 2 rue de la Papeterie – BP 76

38402 Saint-Martin-d’Hères cedex

tél. +33 (0)4 4 76 76 27 27

fax +33 (0) 4 76 51 38 03

www.irstea.fr

MEMO

Ref : GUP/PHD/MEMO_lave_Ravoire_Pontamafrey_07-

2014_indA

Auteur : G. PITON

Date : 11 August 2014

Objet : Compte rendu de visite du 1 août 2014 sur la Ravoire de Pontamafrey (73)

Destinataires Contacts

Présents : IRSTEA

Dominique LAIGLE

Alain RECKING

Philippe FREY

Guillaume PITON

Veronica Leon-Marin

Présents : RTM

Damien KUSS

David ETCHEVERRY

Jean Claude ZANCANARO

[email protected]

[email protected]

[email protected]

[email protected]

[email protected]

[email protected]

[email protected]

[email protected]

Pour information : IRSTEA

Jean Marc TACNET

Simon CARLADOUS

Frederic LIEBAULT

Coraline BEL

Guillaume CHAMBON

Perrine FREYDIER

Didier RICHARD

[email protected]

[email protected]

[email protected]

[email protected]

[email protected]

[email protected]

[email protected]

Memo Remarque

A. Contexte

La Ravoire de Pontamafrey a subi 2 laves dans la semaine précédant la visite. La plage de dépôt

(PDD) est partiellement pleine. Suite à l’alerte d’IRSTEA par le RTM, IRSTEA a demandé au RTM de

pouvoir visiter le bassin versant pour se rendre compte de l’ampleur des phénomènes.

Jean Claude Zancanaro a gentiment accepté de nous guider. Qu’il en soit remercié.

B. Phénomènes

Description succincte, largement basée sur la Note de David ECHEVERY du 29 juillet 2014

concernant les laves du dimanche 20/07 et du mercredi 23/07. Les données pluviométriques sont


2

fournies par le pluviographe à auget du RTM situé dans le bassin du torrent, sensiblement au

niveau du grand barrage. Les hyétogrammes et limnigrammes sont disponibles dans la note RTM.

Le RTM ajoute qu’il n’y avait pas eu de grosse lave depuis juin 2011.

Mois de juin et juillet très humides, cumul de 138 mm avant la première lave.

Une première lave a eu lieu dimanche 20/07 : cumul pluie 37 mm, 26 mm avant passage

de la lave au village. Intensité atteinte 66 mm/h pendant 15 minutes. Orage ayant plutôt

eu lieu côté sud du bassin de réception selon J.C. Zancanaro.

Passage de la lave à 19h00 au niveau du village. Lave relevée comme très liquide. Le

niveau atteint au droit du capteur de niveau RTM est de près de 3 m de haut. Durée de

passage de l’ordre de 20 min (h>1.5m), 30 min (h>0.5m)

Une seconde lave a eu lieu mercredi. L’orage était cette fois-ci concentré sur la partie

nord du bassin de réception. 24 mm de cumul, intensité de 35.6 mm/h pendant 15 min,

25.4 mm/h pendant 30 min et 13.2 mm/h pendant 1h.

Le front a atteint le capteur de niveau RTM vers 21h. Niveau maximum mesuré à 4m.

Durée de l’ordre de 30 min (h>2m). Un dépôt de 1.5 m dans le chenal est resté à la suite

de l’évènement.

C. Partie Haute du bassin

Aperçu du haut bassin depuis le point de vue à proximité du pluviographe (voir photo en annexe).

La ravine principale est bien marquée. IRSTEA s’interroge si l’incision de celle-ci a tendance à

fluctuer. Le RTM indique que les respirations sont visibles. Des photos sont prises annuellement

depuis ce point de vue. IRSTEA demande à pouvoir voir les images précédant l’évènement.

D. Secteur de la PDD

Le tronçon amont à la PDD a subi des érosions notables au niveau des berges. Le RTM indique que

celles-ci étaient présentes mais limitées après la première lave. Elles se sont clairement aggravées

durant la seconde.

La PDD a stocké un important volume de matériaux. Des blocs plurimétriques sont présents au

niveau de l’élargissement du bassin. Le RTM indique que ceux-ci ont été amenés par la première

lave (voir photo en annexe).

L’ouvrage de fermeture qui comprenait deux poutres IPN horizontale n’en présente plus qu’une.

Celle-ci est cintrée. Plusieurs blocs plurimétriques sont bloqués contre cette dernière (voir photo

en annexe). Compte tenu que les blocs présentaient un diamètre plutôt inférieur à la moitié de la

largeur de la fente, on peut estimer comme faible la probabilité d’un blocage mécanique par ces

blocs, en l’absence de la poutre. La remise en place d’un système de poutre / grille dépend de

l’objectif assigné à l’ouvrage : selon que le gestionnaire désire piéger des blocs de ce gabarit ou

les laisser transiter.

La taille de l’évacuateur de crue (cuvette trapézoïdal au dessus de la fente) semble étrangement

petite en comparaison avec le torrent et l’ampleur des phénomènes (voir photo en annexe). Un

blocage complet de la fente est probable si des blocs de taille un peu plus importante sont

transportées jusqu’à celle-ci. Une vérification de sa section est à envisager.

Si possible : RTM

fait passer les

images du suivi

annuel du haut

bassin


3

Les laisses de crues laissent penser que la plage a été plus largement remplie et qu’un certain

autocurage a eu lieu.

Le RTM indique que les pentes sont de l’ordre de :

5° en aval de la plage

5° dans la plage

6° en amont de la plage

En aval de l’ouvrage de fermeture, l’incision est importante (voir photo en annexe). Elle se serait

développée pour sa plus grande partie lors de la seconde lave selon les observations des agents

RTM.

Le passage à gué en béton a fait office de seuil de fond, empêchant l’incision ayant eu lieu en

amont et en aval, de s’étendre à l’ensemble du tronçon. Il est très déstabilisé et doit être conforté

au plus vite si on veut le maintenir en place. En 2011, il formait déjà une chute de 1 m. L’incision

due aux deux laves est de l’ordre de 2 m supplémentaires (voir photo en annexe).

Le capteur EDF n’a pas fonctionné lors des évènements. Le gestionnaire cherche pourquoi.

E. Pont de la D77

Dans ce secteur la lave a crépi les berges du torrent. L’aspect est très liquide (voir photo en

annexe). Il n’est pas très clair si le secteur est plutôt en érosion ou plutôt stable.

Le capteur communal a fonctionné lors des évènements.

F. Secteur Aval des gorges

Des débordements (éclaboussures et projections latérales) ont eu lieu sur le chemin des gorges et

la passerelle (voir photo en annexe).

Des contournements d’eau assez claire (laisse de crues plus propre) ont eu lieu sur plusieurs ailes

de barrages (voir photo en annexe).

G. Traversée du cône de déjection et du village

Les laisses de crue laissent penser que le chenal était en limite de capacité. Aucun bourrelet

latéral n’est observable (voir photo en annexe). Les dépôts laissés suite à la crue (1.5 m mesuré

au capteur RTM) sont peu à peu érodés par les écoulements de basses eaux du torrent.

H. Confluence avec l’Arc

Des gros blocs ont été transportés jusqu’à l’Arc. Des chasses EDF ont été nécessaires à chaque

lave pour déboucher le cours d’eau du barrage créé par les dépôts des laves. Le barrage naturel a

été contourné en rive gauche, des laisses de crues sont visibles dans la ripisylve.

Une langue de dépôt est encore bien visible rive droite. Elle a été remaniée par les engins de

terrassement qui curent le chenal et les ponts aval. D’aspect boueux sur le dessus, la partie lavée

par les eaux de l’Arc laisse clairement voir beaucoup de blocs de tailles décimétriques (voir photo

en annexe).


4

Ce mémo sera transmis à l’équipe IRSTEA qui s’occupe d’instrumentation de bassins à lave, pour les informer de

l’existence et du bon fonctionnement des équipements RTM sur le torrent. Le RTM indique que d’autres pluviographes

à augets et capteurs de niveau ont été mis en place en Maurienne. Des échanges d’informations et collaborations sont

probablement à envisager.

Annexe : Planches photographiques

Haut bassin, glissement de terrain et grand barrage, ravine centrale bien marquée. Ravine rive gauche ayant peu participé à ces laves.

Ouvrage fente de fermeture, blocs coincés dans celle-ci, incision aval (~3m), évacuateur semblant de petite section.

Evacuateur de crue (Seuil trapézoïdal),

dont la section semble petite considérant

que le blocage total de la fente par des

gros blocs est possible

Fente : partiellement bloquée par des

blocs en appui contre l’IPN restante.

Fondation du barrage, révélées par

l’incision aval (la chute en aval de la fente

mesurait environ 1 m avant les 2 laves)


5

Dépôt dans la plage vue depuis l’ouvrage de fermeture, blocs cyclopéens déposés au centre par la première lave. Traces de contournement du dépôt central par les écoulements.

Incision aval à la plage, déstabilisation des deux pistes d’accès


6

Passage à gué faisant office de seuil de fond.

Secteur amont du pont de la RD77, berges recouvertes d’une lave d’aspect très liquide


7

Secteur des gorges - Laisses de crues de dépassement de capacité hydraulique sur les deux ailes des barrages

Débordements et éclaboussures sur le chemin et la passerelle des gorges

Secteur du cône de déjection - Laisses de crues dans chenal trapézoïdal – limite de capacité


8

Traversée du village, dépôt en cours de lessivage. Les chutes des seuils qui avaient disparu sous le dépôt de la crue sont déjà réapparues.

Confluence avec l’Arc : blocs métriques déposés par la lave en rive gauche. Dépôt en rive droite, partie basse lavée et granuleuse sous la partie haute encore d’aspect boueux

Laisse de crue (les murs formant digues

permettaient un certaine revanche dans

la traversée du village)

CR_Visite_Chantelouve_Chalp_indE 14 août 2014

Pour mieux affirmer ses missions, le Cemagref devient Irstea

Institut national de recherche en sciences et technologies

pour l’environnement et l’agriculture

Irstea - Unité de Recherche Erosion Torrentielle Neige et Avalanches

Domaine universitaire 2 rue de la Papeterie – BP 76

38402 Saint-Martin-d’Hères cedex

tél. +33 (0) 4 76 76 27 27

fax +33 (0) 76 51 38 03

www.irstea.fr

MEMO

Ref : GUP/PHD/CR_Visite_Chantelouve_Chalp_indE

Auteur : G. PITON / D. RICHARD / S. CARLADOUS / P. FREY

Date : 14 août 2014

Objet : Compte rendu de visite du 6 août 2014 sur les torrents du Merdaret, des Pales, des Adret et du Grand Rocher

Destinataires Contacts

Présents : IRSTEA

Didier RICHARD

Philippe FREY

Guillaume PITON

Simon CARLADOUS

Perrine FREYDIER

Marie SPITONI

Présents : RTM

Bruno LAILY

[email protected]

[email protected]

[email protected]

[email protected]

[email protected]

[email protected]

[email protected]

Pour information : IRSTEA

Jean Marc TACNET

Frederic LIEBAULT

Coraline BEL

Guillaume CHAMBON

Dominique LAIGLE

Alain RECKING

Veronica LEON-MARIN

Patrice MERIAUX

Pour information : RTM

Damien KUSS

Yann QUEFFELEAN

[email protected]

[email protected]

[email protected]

[email protected]

[email protected]

[email protected]

[email protected]

[email protected]

[email protected]

[email protected]

Memo

A. Contexte

Les bassins versants torrentiels de la vallée de la Malsanne, au sud du col d’Ornon sont rentrés en crue les 1 et 2 août

2014. Le RTM est rapidement intervenu et a alerté IRSTEA qui a demandé à pouvoir visiter les sites. Bruno LAILY, Chef du

service RTM 38, a accepté de guider une équipe d’IRSTEA le jeudi 7 août 2014 sur site. Damien KUSS, Ingénieur

Hydraulicien RTM 38, avait pris l’initiative de faire passer deux notes sur les dégâts et phénomènes relevés. Qu’ils en

soient tous deux remerciés. La présente note relève les observations qu’IRSTEA a pu faire lors de cette visite.




2

Table des matières A. Contexte........................................................................................................................................................................ 1

B. Avant-propos ................................................................................................................................................................ 2

a) Terminologie utilisée ................................................................................................................................................ 2

b) Mesures de pente..................................................................................................................................................... 3

C. Analyse pluviométrique ................................................................................................................................................ 3

D. Vue d’ensemble ............................................................................................................................................................ 3

E. Torrent du Merdaret ..................................................................................................................................................... 4

a) Dommages occasionnés ........................................................................................................................................... 4

b) Gestion des ouvrages ............................................................................................................................................... 4

c) Torrent des Pales, tributaire RG du Merdaret .......................................................................................................... 4

d) Plage de dépôt (PDD) Merdaret amont .................................................................................................................... 8

a) Aval PDD jusqu’à la passerelle .................................................................................................................................. 9

b) Passerelle et confluence avec les Pales .................................................................................................................. 11

c) Secteur aval confluence Merdaret-Pales : tronçon DLT amont direct RD .............................................................. 13

d) Secteur de la RD (traversée amont) et deuxième PDD .......................................................................................... 13

F. Torrent des Adrets ...................................................................................................................................................... 14

G. Torrent du Grand Rocher – hameau de la Chalp ........................................................................................................ 15

a) Evénement ............................................................................................................................................................. 15

b) Mesure des pentes de dépôt .................................................................................................................................. 17

c) Dommages .............................................................................................................................................................. 18

d) Détail des dégâts aux habitations........................................................................................................................... 19

H. Synthèse générale, suggestions, recommandations, questions ................................................................................. 26

a) Le Merdaret ............................................................................................................................................................ 26

b) Le torrent du Grand Rocher ................................................................................................................................... 27

c) Autres réflexions .................................................................................................................................................... 27

Memo

B. Avant-propos

a) Terminologie utilisée

Les phénomènes torrentiels observés lors de cette visite montrent des mobilisations de matériaux solides très

importantes. Afin de fixer le vocabulaire utilisé dans la présente note (et sans vouloir lancer le débat sur le bien-fondé de

chaque définition), nous désignerons par :

Charriage : des phénomènes ayant laissé des matériaux granulaires (sables, graviers et petits blocs

décimétriques), sans gangue argileuse et cohésion d’ensemble et avec un tri granulométrique flagrant (nappe de

graviers, paquets de petits blocs).

Charriage hyperconcentré : phénomènes semblables mais plus efficaces en termes de transport. De fait, le tri

granulométrique disparaît : graviers, petits blocs et blocs décimétriques sont mélangés sans organisation visible.

Les écoulements ayant transporté une certaine charge en suspension, des traces boueuses peuvent être visibles

entres les éléments mais ces éléments fins ne présentent pas de cohésion au mélange.

Laves torrentielles : dépôt sédimentaire non trié de graviers, petits blocs et blocs avec gangue boueuse cohésive.

Dépôts souvent accompagnés de bourrelets latéraux si le site n’a pas été couvert de dépôts d’autres natures ou

remanié par la suite. Présence possible de gros à très gros blocs.


3

b) Mesures de pente

Les informations fournies sur les pentes ont été mesurées au télémètre laser (Truepulse 200x). Quelques points sont

généralement pris et un ajustement linéaire est calé sur ces points. La précision est difficile à évaluer, elle est

principalement limitée par la surface peu homogène des dépôts : les chenalisations et accumulations dans le lit du

torrent atteignent souvent +- 50 cm. Sur une centaine de mètres, la précision est donc de l’ordre de +-0.5%. Par

prudence, on retiendra une précision de l’ordre de +-1%. La précision de la mesure de l’appareil est inférieure à cela (+-

0.1-0.2%).

C. Analyse pluviométrique

Une première synthèse a été réalisée par Patrice Mériaux et ses collègues d’Irstea Aix-en-Provence, des enregistrements

par les radars RHYTMME. Cette analyse concerne d’ailleurs également le torrent du Saint-Antoine à Modane qui a

également connu une crue dans la même période que les torrents de Chantelouve. Ce tableau de synthèse, qui n’est pas

repris in extenso ici, a été envoyé indépendamment de ce rapport de visite, au service RTM 38 et à l’unité ETNA d’Irstea.

Il en ressort pour ce qui concerne les torrents de Chantelouve, que les cumuls pluviométriques maximum sur des durées

comprises entre 15’ et la durée de l’épisode pluvieux n’auraient pas des périodes de retour supérieures à 2 ans. Les

cumuls sur les courtes durées (15’ et 30’) ne seraient pas plus rares que les autres (1h, 2h ou totalité de l’événement).

Enfin si on compare les crues des torrents du Grand Rocher à La Chalp et du Merdaret à Chantelouve, l’événement

pluvieux qui en a été à l’origine semble plus significatif pour le premier que pour le second.

Ces résultats sont à considérer avec prudence, et demanderaient à être confrontés aux données sols disponibles. Par

ailleurs l’analyse mériterait d’être prolongée sur les cumuls de pluie sur des durées plus longues que la durée de

l’épisode, et dépassant également la durée journalière.

D. Vue d’ensemble

Torrent du Merdaret

PDD amont

PDD du Torrent des Pales

Traversée Route Départementale amont

Plage de dépôt aval

Torrent des Adrets

Malsanne

Traversée Route Départementale aval

Torrent du Grand Rocher

Hameau de la Chalp


4

E. Torrent du Merdaret

a) Dommages occasionnés

La crue du Merdaret a engendré la coupure en 2 points de la RD 526 qui relie le secteur de l’Oisans à celui de la

Matheysine. Cette RD constitue également la déviation en cas de coupure de la vallée de la Romanche qui relie l’Oisans

au bassin grenoblois par Séchilienne. Les coupures de la RD 526 sont « régulières » car les 2 franchissement du Merdaret

par la RD sont en passage à gué. Cependant, l’intensité de cet événement est considéré comme forte par rapport aux

crues plus régulières selon les acteurs présents.

La fermeture de la RD aux différents passages à gué peut entraîner l’isolement de la commune de Chantelouve. Parmi les

habitants, certains travaillent en Matheysine ou en Oisans. Pour réduire l’exposition de vies humaines dans les véhicules

routiers, des détecteurs de lave torrentielle (DLT) sont en cours d’implantation sur le Merdaret en amont de la RD.

Selon les informations de la mairie, la RD a été coupée pendant 24 h environ, le temps de l’intervention par le Conseil

Général pour dégager. La structure de la chaussée n’a par contre pas été endommagée de manière conséquente. Des

informations plus précises sur le coût des dommages pourraient être collectées auprès du Conseil Général. Pour cela

contact sera pris auprès du RTM pour récupérer les coordonnées d’un interlocuteur.

b) Gestion des ouvrages

Les 3 PDD et l’ensemble des ouvrages de correction torrentielle (et la déviation du torrent de Pales) sont situés en forêt

domaniale et sont gérés et entretenus sur budget du Ministère de l’Agroalimentaire, de l’Agriculture et de la Forêt

(MAAF) sur crédits aux actions RTM.

Les 3 DLT sont situés en forêt domaniale et sont implantés et gérés par le Conseil Général, gestionnaire de la RD. Le

curage de la route après événement est réalisé par entreprises privées mandatées par le Conseil Général.

c) Torrent des Pales, tributaire RG du Merdaret

Nous avons arpenté la plage de dépôt et les barrages amont. La plage de dépôt est pleine. Les 3 pertuis aval, de petite

taille, sont bloqués par des éléments grossiers. La plage de dépôt a surversé. Les dépôts y sont peu triés dans la partie

basse et bien triés dans la partie haute. On pourrait envisager un remplissage par du charriage hyperconcentré ou des

laves torrentielles en premier lieu, des écoulements de charriage plus modestes de fin de crue venant se déposer à partir

de l’amont et couvrir en partie la plage de dépôt déjà très remplie.

Dépôts dans la plage de dépôt des Pales : vue vers l’amont direct de l’ouvrage de fermeture (peu triés, blocs de taille

moyenne) et vue vers l’aval depuis le haut du bassin de la PDD (graviers triés)


5

La plage de dépôt a été curée environ 15 jours avant l’événement. Cependant, en l’absence de données sur le niveau de

curage, le volume stocké durant cet épisode ne peut être évalué.

La limite entre les dépôts triés et non triés est assez nette tel que l’illustrent les photos suivantes et le profil en long.

Dépôt de charriage couvrant la partie haute du bassin de la PDD vue d’aval RG et vue d’amont RD

Le profil en long rassemblant les mesures de pentes locales effectuées est le suivant :

Profil en long depuis la crête de la PDD, estimé d’après le raccordement des mesures de pentes prises à l’avancement

depuis chaque barrage (les hauteurs des barrages ne sont cependant pas à l’échelle)

Les dépôts de charriage fin présentent des pentes très raides (18.2 %). En amont, au niveau des barrages, des restes de

11.7 %

18.2 %

13.9 %

14.2 %

19.0 %

19.2 %

19.2 %

Barrages

Barrage enterré

Dépôt fin de

charriage Bourrelet

frontal du

dépôt de

charriage

Cuvette PDD


6

dépôts de laves torrentielles (très cohésifs, cimentés) ont été érodés et chenalisés par la crue. Les pentes mesurées

correspondent au fond du chenal (résidus de charriage) et non au-dessus des anciens dépôts de laves torrentielles,

encore plus raides que les 19 % mesurés sur les fonds des chenaux. Il est difficile de juger si ces dépôts existaient

précédemment à l’épisode de début août ou s’il s’agit d’une lave torrentielle de début de crue, qui a ensuite été

remaniée par des écoulements de charriage de fin de crue. L’analyse de photos de visites antérieures à la crue pourrait

aider à en juger.

Vue vers l’aval depuis le premier barrage dégagé (2ème

en amont de la PDD) et vue vers l’amont du 6ème

barrage en amont

de la PDD, trace de dépôts latéraux de lave torrentielle, incision subséquente et transport par charriage plus ou moins

concentré

La digue en RG en amont de la PDD est constituée d’un ouvrage bas en pierres sèches couvert d’un béton de protection

ferraillé (« cage à poules »). Une surélévation en remblai > 2 m a été réalisée. En partie haute, à l’aval du premier

barrage, un dépôt de 30 cm d’écoulement est visible, montrant l’importance de la surélévation de la digue dans le bon

fonctionnement de la PDD, pour éviter son contournement.

Les barrages B10 et B11 sont situés à l’aval de 2 ravines en RD équipées en ouvrages de correction en blocs béton saturés

(déjà saturés avant événement ?), et d’ouvrages en pierres sèches en partie haute. Le volume de matériaux

potentiellement mobilisable et stabilisé par ces ouvrages est conséquent mais n’a pas été mesuré.

Le chenal amont est encore chargé de nombreux blocs.

Dépôts de laves torrentielles (anciens ?)


7

Vue vers l’amont, chenal du bassin de réception encore très chargé de gros blocs, vue vers l’amont et le B10 en amont de

la PDD, avec ravine latérale en RD active

En aval de la plage de dépôt, une partie chenalisée est confortée par un radier en maçonnerie. Plus en aval le torrent

coule partiellement sur la roche mère. Ces secteurs ne présentent pas de stockage significatif. Une tendance à l’incision

est relevée par le RTM, notamment au passage de la passerelle. Cette tendance s’accentue dans la zone aval, juste avant

la confluence avec le Merdaret. L’écoulement semble s’être enfoncé dans des dépôts consolidés plus anciens. Aucun

dépôt frais n’était clairement visible. Nous n’avons toutefois pas arpenté le tronçon.

Les Pales : en aval de la plage de dépôt, lit canalisé et sans dépôt, et en amont direct de la confluence avec le Merdaret :

incision dans d’anciens dépôts consolidés ? Pas de dépôt frais.


8

d) Plage de dépôt (PDD) Merdaret amont

La plage de dépôt est complètement remplie, le dépôt atteignant la crête de l’évacuateur de crue (cuvette du seuil

trapézoïdal). La plage de dépôt présente 5 pertuis de petite taille, le pertuis central étant légèrement plus large. Les

pertuis sont obstrués par des blocs.

Des bourrelets sont bien visibles dans le bassin de la plage de dépôts. Le bourrelet RD est bien marqué. Le bourrelet RG

est plus chahuté (trace de deux évènements ?) et n’a pas atteint en rive gauche les limites d’épisodes plus anciens,

comme en atteste la végétation., L’ensemble, en ajoutant la présence de gros blocs, ssont des indices sérieux du passage

d’au moins une lave torrentielle. La présence de végétation pionnière derrière le bourrelet RG laisse penser que ce

dernier n’a été ni contourné, ni submergé par les écoulements subséquents. Il était vraisemblablement même en place

(au moins en partie) au début de l’évènement. Selon les informations RTM, cette plage de dépôt n’avait pas fait l’objet

d’un curage récemment et aurait été remplie avant l’événement mais nous n’avons pas d’information sur le niveau exact

de remplissage avant la crue. Le volume stocké lors de l’événement ne peut donc être estimé à ce stade. Entre les

bourrelets partiellement boueux, la zone centrale d’écoulement est lavée mais non triée. Nous proposons l’analyse

suivante :

l’écoulement « normal » de la lave torrentielle entre ses deux bourrelets explique que les matériaux présents ne

soient globalement non triés et que de gros blocs soient présents.

Le fait que ce soit lavé résulterait d’un passage d’écoulement plus liquide en fin de crue. L’absence d’un

recouvrement des matériaux du fond par des graviers triés laisse penser que le transport avait lieu sous forme

de charriage hyperconcentré.

Vue d’aval vers les bourrelets dans la plage du Merdaret, bourrelet boueux et partie centrale non ou faiblement triée.

L’aile rive gauche semble porter des traces de contournement. Cependant une ravine située directement à l’aplomb de

l’aile est très probablement responsable des traces d’écoulements observées, le lit principal du Merdaret à l’amont de la

PDD étant marqué dans une direction qui ne semble pas avoir atteint pas ce point de contournement supposé durant

l’épisode. De plus, cette ravine rive gauche est équipée de banquettes grillagées partiellement détruites ou ensevelies

laissant penser qu’elle était déjà repérée avant l’événement comme active et susceptible d’entraîner des désordres à

l’ouvrage.


9

Vue d’aval RD de la PDD amont du Merdaret (trace de possible contournement RG, dépôt au niveau supérieur de l’aile) et

zoom sur la ravine RG

Profil en long mesuré depuis la cuvette (ou évacuateur de crue) et depuis le milieu du dépôt (Point x=0 correspond au

niveau de la cuvette) : Pente du chenal entre les bourrelets de l’ordre de 16 à 17 %.

Profils en long dans la PDD amont du Merdaret (En bleu profil pris depuis la cuvette de la PDD, en rouge profil mesuré

depuis 75 m en amont de la cuvette, vers l’amont et vers l’aval) la différence entre les profils illustre l’incertitude liée à la

mesure de la pente, principalement due à la topographie peu homogène du dépôt

a) Aval PDD jusqu’à la passerelle

En aval de la plage de dépôts, les barrages sont numérotés d’amont en aval, le B0 étant la PDD. Seuls les barrages B1 et

B2 ont une hauteur sous cuvette bien visible (> 2 m). Tous les autres barrages sont a minima avec des dépôts à hauteur

de cuvette, parfois avec plus d’1 m au-dessus de la cuvette. Des gros blocs sont déposés sur les atterrissements. Nous ne

disposons pas d’information sur leur présence précédemment à la crue ou leur dépôt pendant la crue.

Des ravinements très marquées sont visibles en RG entre B2 et B1.


10

Chenal aval à la PDD, présence de gros blocs – Ravinements activés en RG entre B2 et B1

Des mesures des pentes d’atterrissement au droit des barrages directement en aval de la plage donnent les résultats

suivants :

Profil en long synthétique à l’aval de la PDD amont du Merdaret, (les hauteurs des barrages ne sont pas à l’échelle)

Au débouché du vallon (limite amont du cône ?1), des stocks très importants de sédiments sont déposés dans le chenal.

Seules les ailes de barrages sont visibles. Les dépôts sont ici beaucoup plus triés en surface laissant penser que des

transports ont eu lieu ici par du charriage au moins en fin de crue. Ils semblent très aisément mobilisables. Nous n’avons

pas d’indice sur les faciès des dépôts de sub-surface et donc la nature des écoulements de début et milieu de crue.

1 C’est une question difficile, car il faudrait au préalable voir si on distingue un cône propre au Merdaret superposé au

« méga-cône » de l’ensemble de ces ravins RG. Nous ne l’avons pas regardé.

16 %

15 %

14 %

B0-PDD

B1 B2

B3


11

Vue vers l’amont et vers l’aval du secteur entre PDD et passerelle – stocks très importants de matériaux

La revanche restante avant débordement sur les berges est faible, d’ordre métrique par endroit. Le lit apparaît perché

dans ce secteur. De fait, en raison de la faible revanche liée aux dépôts, des débordements en rive droite peuvent être

envisagés en cas de nouvelle crue avec écoulement dans un chenal secondaire marqué. Ce chenal a été repéré mais n’a

pas été exploré plus avant.

Au droit du BR7, une mesure de pente a été

faite sur 190 m de long (depuis BR4 jusqu’à 88 m

en aval de BR7). Le dépôt présente une pente

régulière de 15.4 % :

Profil en long au droit du BR7

b) Passerelle et confluence avec les Pales

La passerelle et le Détecteur de Lave Torrentielle (DLT) sont ruinés. Les dépôts dans ces secteurs sont aussi lavés, sans

gangue, chahutés. La présence locale de tri granulométrique laisse penser à du charriage simple pour la partie visible en

surface. Les matériaux sont toutefois globalement plus grossiers que les dépôts fins de crue observés dans la plage de

dépôts des Pales. Les pentes fortes du secteur permettant, même pour du charriage, le transport de volumes importants.

Les désordres observés sur la passerelle semblent toutefois hors de proportion avec une sollicitation de l’ouvrage par un

écoulement de charriage. Ces derniers ont probablement été causés par le front d’une lave qui aurait accroché la

passerelle, avant d’être ensuite recouvert par du charriage. La pente a été mesurée à 14.4 % en amont direct de la

passerelle.

B4


12

Passerelle ruinée, DLT en aval ruiné également – Dépôt en aval de la passerelle

Après une série de 2 seuils dont les cuvettes sont de nouveau visibles, le Merdaret conflue avec le torrent des Pales

(arrivée des Pales en RG). La zone semble montrer moins d’accumulation au voisinage direct du confluent.

Derniers barrages avant confluence avec les Pales – vue vers l’aval et la confluence

La pente au droit de la confluence a été mesurée depuis le bord à une valeur beaucoup plus faible qu’en amont. Elle est

de l’ordre de 10.7 %.


13

Profil en aval du seuil Béton armé ruiné : au droit de la confluence avec les Pales

L’apport d’eau moins chargée en provenance du torrent des Pales pourraitt expliquer cette rupture de pente.

c) Secteur aval confluence Merdaret-Pales : tronçon DLT amont direct RD

Le secteur est ici aussi très chargé. Les dépôts sont partiellement triés laissant penser à un transport très actif. Les IPN du

DLT ont ici résisté. Comme remarqué par Bruno LAILY, les IPN n’ont pas été placés dans le sens de leur résistance

maximale. Par ailleurs les câbles portant les balanciers du DLT sont entourés autour du câble support : les balanciers ont

plusieurs fois fait le tour du câble les portant pendant la crue (effet dynamique ? des chocs ?). Une poutre IPN,

probablement issue de la passerelle, est déposée en amont direct du DLT. Cette dernière est cintrée.

Vue vers l’amont et le DLT – vue vers l’aval du DLT

d) Secteur de la RD (traversée amont) et deuxième PDD

La Route Départementale a été submergée sous plusieurs mètres de sédiments. Les travaux de dégagement ont remanié

le secteur et il semble difficile d’estimer la hauteur de dépôt avec précision. Cependant, selon les informations

transmises, elle aurait été de l’ordre de 5 m. En aval le bassin de la deuxième PDD est très chargé. Les dépôts y sont peu

triés et assez raides laissant penser à un dépôt par charriage hyperconcentré.


14

Vue du bassin de la PDD : vue vers l’aval depuis la RD et vue vers l’amont depuis l’ouvrage de fermeture

Une mesure de pente a été réalisée sur le

dépôt dans la plage de dépôt depuis une

distance d’environ 150 m en amont de

l’ouvrage de fermeture. La pente semble

ici aussi assez régulière et de l’ordre de

10.2 %.

Profil en long dans la plage de dépôt aval

du Merdaret – point aval correspondant à

la cuvette de l’ouvrage de fermeture

En aval le Merdaret plonge dans une zone incisée du cône de déjection. Nous ne sommes pas allés

F. Torrent des Adrets

Nous avons fait un passage rapide au torrent des Adrets au niveau de la confluence avec la Malsanne.

Les enjeux menacés par ce torrent sont des zones habitées en rive droite. Ce torrent dont la naissance est située en forêt

domaniale équipée pour partie d’ouvrages de correction torrentielle en zone de départ de matériaux (vus de loin mais

non visités) est donc surveillé par le service RTM, notamment vis-à-vis du risque de débordement rive droite en amont de

cette zone habitée. Aucun enjeu n’a été atteint par cette crue.

En amont immédiat (environ 100 m) de la confluence avec la Malsanne, la hauteur de lave torrentielle était en limite de

débordement en rive droite. Des placages latéraux très boueux, une accumulation latérale de blocs (D~50 cm) en rive

droite et les berges boueuses laissent penser au passage d’un écoulement beaucoup plus boueux que sur les autres

secteurs. Des gros blocs ont été transportés ou au moins remaniés dans le secteur. L’écoulement d’une lave torrentielle

ne fait pas de doute. Elle s’est étalée dans la zone de la confluence avec la Malsanne.

La dissymétrie entre les dépôts de rive droite (cordons de gros blocs à l’extrados) et de rive gauche (débordements très

fins à l’intrados), ainsi que l’amas de gros blocs abandonné en travers du lit quelques dizaines de mètres en amont

évoque peut-être l’hypothèse de bouffées de laves torrentielles avec une très forte ségrégation, avec un corps de lave

très boueux retenu par des fronts de gros à très gros blocs. L’absence d’éclaboussures sur la végétation pourtant bien


15

présente en sommet de berges laisse aussi penser à un écoulement relativement peu rapide, en tout cas peu turbulent.

Ce torrent semble avoir été beaucoup moins actif que les torrents plus proches du col d’Ornon : la végétation est moins

perturbée dans le lit. Les dépôts de lave torrentielle n’ont été que très partiellement lavés et le lit du torrent semble peu

perturbé.

Vue vers l’amont du lit du torrent de l’Adret, bourrelet latéral de blocs en RD et berge crépie en RG

Gros blocs transportés (ou au moins remaniés) dans le lit du torrent des Adrets (~50 m en amont de la confluence) et vue

vers la Malsanne : au premier plan dépôt boueux non lavé en provenance du torrent des Adrets, au second plan lit de la

rivière peu perturbé en comparaison des autres torrents du secteur

G. Torrent du Grand Rocher – hameau de la Chalp

Les curages étaient en cours d’achèvement au moment de la visite. Les photos des zones de dépôts prises au sol par le

RTM le 02/08/2014 et les photos aériennes prises par survol hélicoptère permettent de définir avec précision la zone

d’impact de la crue et les hauteurs de dépôts correspondantes en différents points.

a) Evénement

Le torrent du Grand Rocher avait déjà subi une crue avec dégâts en 2001. Selon les témoignages de la mairie notamment,

l’intensité de l’événement avait été moins forte que lors de celui de 2014. Un rapport d’étude a été transmis par la mairie

au service RTM avec photos suite à 2001. Après la crue de 2001, un chenal à biefs affouillables a été réalisé depuis la

sortie immédiate des gorges rocheuses : non endigué en amont des premiers bâtiments il est ensuite endigué par murs


16

en pierres maçonnées jusqu’au premier pont. En enrochements libres (berges) et bétonnés (seuils, fondation/radier), sa

pente moyenne est de 10 % pour la partie réalisée en 2001.

Selon les témoignages, en 2001 les débordements avaient eu lieu dès la sortie des gorges rocheuses sur un lit naturel plus

rugueux qu’aujourd’hui. Au cours de cet événement de 2014, les matériaux se sont déposés au niveau du premier pont

amont, avec des blocs de 50 à 70 cm obstruant le passage d’1 m environ de tirant d’air, puis se sont déposés sur le

tronçon amont engendrant un débordement. Selon les photos transmises, les dépôts sont homogènes de tailles

centimétrique à décimétrique. Le niveau de dépôt a augmenté ainsi rapidement sans qu’un écoulement superficiel d’eau

ne soit important. Le critère d’intensité de l’événement est donc le dépôt par charriage. Au global, il est de l’ordre de

12 -13 000 m3 selon les bons de transport des camions-bennes.

Les images des dépôts fournies dans le rapport RTM montrent des matériaux de type graviers à la granulométrie

particulièrement homogène, d’ordre centimétrique. Ceux-ci étaient légèrement boueux mais les restes encore visibles

lors de la visite ne montrent pas de gangue argileuse franche. Les dépôts sont très plans, avec des litages visibles sur

certains déblaiements. Les gros blocs sont rares sur les images disponibles, malgré quelques éléments qui ont participé

au blocage du premier pont. Les voitures impactées ne semblent pas avoir été cabossées. Les riverains rapportent une

montée continue du niveau sans bouffées. Il faut toutefois être prudent quant à cette information compte tenu de

l’heure tardive de l’évènement (~1h du matin).

La grange rive gauche, dans laquelle les fenêtres n’ont pas rompu sous la pression des niveaux de crue et de dépôt

montre toutefois des traces claires de passage d’eau sale (fragments de paille,…) laissant penser qu’au plus fort de la

crue, les écoulements de surface étaient plutôt constitués d’eau chargée que de lave torrentielle. L’ensemble de ces

informations nous pousse à classer cet évènement plutôt sous la catégorie charriage que lave torrentielle (selon les

définitions retenues dans l’avant-propos). Les similitudes sont en outre nombreuses aves les engravements et les

dommages observés (notamment sur les voitures) en 1993 à Brigg (CH) lors de la crue par charriage de la Saltina.

La partie alluvionnaire du cône de déjection est confortée par un chenal constitué d’enrochements bétonnés au fond

comme sur les berges. Le rapport RTM indique que la source principale de sédiment sur les branches du torrent est

(comme en 2001 probablement) une moraine perchée sur le versant. Cette dernière a été particulièrement attaquée lors

de l’évènement. En aval, et jusqu’à l’amont immédiat du village à l’entrée du tronçon chenalisé après 2001, les pentes

sont si raides que tous les matériaux prélevés peuvent être transportés. La majorité des matériaux a donc été

transportée jusqu’au cône de déjection où ils se sont accumulés à la faveur du pont obstrué formant obstacle et de la

rupture de pente.

Les dépôts montraient des matériaux de faible étendue granulométrique. Ceci appelle les remarques suivantes :

Dans d’autres contextes (par exemple les dépôts observés sur le haut de la plage des Pales), ce trie pourrait être

le signe d’un phénomène de charriage classique par opposition à une lave torrentielle ou à du charriage

hyperconcentré. Dans le cas présent, le bassin versant ne présente pas de lit alluvial avec des pentes assez

faibles et des longueurs assez grandes pour permettre le développement de phénomènes tels que le tri

granulométrique. La nature très homogène doit avoir une autre explication.

La zone de production sédimentaire du torrent semble être presque exclusivement la moraine perchée dans le

bassin versant. Le tri préexistant des matériaux qui la constituent pourrait une bonne explication au phénomène

précité.

La faible présence de gros blocs dans le dépôt est aussi probablement à relier à une faible présence générale

dans le lit amont du torrent. L’origine des quelques blocs retenus par les ponts est à éclaircir. Etaient-ils déjà

présents dans le chenal bétonné, ou un peu en amont ? Des photos du chenal précédemment à la crue

pourraient aider à répondre à cela.


17

Malgré des dépôts triés, nous pensons donc que les phénomènes ayant eu lieu dans le hameau de la Chalp peuvent être

considéré comme du charriage hyperconcentré. Les pentes de dépôt sont de l’ordre de 8 à 10 % comme détaillé plus loin.

La capacité d’écoulement des ponts est très inférieure à celle du chenal amont et ce type d’évènement arrivera

probablement de nouveau tant que la capacité hydraulique ne sera pas continue et suffisante dans la traversée du

village. L’influence du coude en aval direct du premier pont ne doit pas non plus favoriser la capacité hydraulique du

chenal et aider au bon transfert en aval des gros éléments Nous ne pouvons que souscrire sur le principe à l’idée

proposée de déconstruire les deux ponts mise en cause lors de cet épisode. Toutefois le nombre d’ouvrage traversant le

torrent (8) est très important et la déconstruction de l’ensemble d’entre eux semble bien difficile. Même en supposant

les deux ponts critiques déconstruits, une vérification de la capacité hydraulique du chenal et des ouvrages restant est

nécessaire pour évaluer le risque résiduel et la pertinence d’engager des travaux de détournement des écoulements de

crue en amont du village.

Chenal à biefs affouillables : Vues vers l’amont et vers l’aval, chenal débouchant sur le pont sous-dimensionné, reste de

dépôt et indication des laisses de crue

b) Mesure des pentes de dépôt

Des mesures ont été prises au télémètre laser afin de définir les pentes de dépôt, celles-ci sont synthétisées dans la vue

en plan suivante :

Vue en plan (source géoportail) synthétisant les mesures des pentes de dépôt

Pente des dépôt ≈10%

Pont obstrué

Coude très

marqué


18

La pente amont a été mesurée sur la base de seulement deux points :

La pente du chenal est d’environ 15 %.

La pente des dépôts est de l’ordre de 10 %

La pente aval d’environ 8 % est estimée sur la base de deux profils de 6 laisses de crues chacun. La première série a été

mesurée depuis l’amont RD, une seconde mesure d’autres laisses de crue a ensuite été prise depuis le pont aval.

Profil en long des laisses de crues prises depuis l’amont et le pont aval – cohérence des pentes de l’ordre de 8 %

Le redressement de la pente vers l’amont est visible sur ces profils. Dans la partie aval, à proximité du pont obstrué, les

pentes semblent diminuer du fait de l’étalement des écoulements sur la place du village.

c) Dommages

En rive droite, le dépôt a touché une grange et une habitation. En rive gauche, 3 habitations et une grange ont été

directement impactées. Plus à l’aval, selon les photos RTM, une habitation a été impactée par remontée de nappe (non

vue lors de la visite). La route communale dans le hameau a été engravée. Par chance, aucune perte humaine n’a été à

déplorer malgré la soudaineté de l’événement en plein milieu de la nuit (comme en 2001). Les personnes vivant à

l’année, alertées par la violence de la pluie qui a commencé vers 22h30 ont pu se réfugier à l’étage de leurs habitations,

dont toute la hauteur du rez-de-chaussée a souvent été envahie et remplie d’eau et de sédiments !

Au cours de cet événement, le coût global des dommages doit prendre en compte :

- Coût de curage et de déblaiement : entreprises privées mandatées par la mairie

- Coût des dégâts à la voirie

- Coût des dégâts aux habitations : normalement pris en charge par les assurances suite à Arrêté de

reconnaissance de l’état de catastrophe naturelle

- Coût des dégâts aux granges et pertes d’exploitation correspondantes selon le stockage

- Coût d’intervention des pompiers. Réduit dans ce cas du fait de l’absence de vies humaines en jeu, nécessitant la

mise en place de moyens spéciaux.

- Coût de sécurisation par la gendarmerie.

Afin de préciser ces éléments de coûts de dommages, contact sera pris par Simon Carladous dans le cadre de sa thèse

auprès du service RTM pour disposer des coordonnées des interlocuteurs (mairie, pompiers, gendarmerie). De plus, il

sera demandé copie des éléments descriptifs de l’événement de 2001 et des travaux qui ont suivi (coût).

Tablier du

pont obstrué


19

d) Détail des dégâts aux habitations

Les relevés de dépôts de crue et des dégâts aux bâtiments ont été réalisés en comparant les photos du 02/08/2014 de

l’ONF-RTM38 (Kuss D.) permettant de visualiser les dépôts en place avant déblaiement et les photos d’Irstea du

07/08/2014, en fin de déblaiement.

Hormis sur un garage avec un toit en tôle et des murs en parpaings, aucun dommage affectant la structure des bâtiments

n’a été relevé. Par contre, une attention particulière a été portée aux dommages sur les ouvertures (portes, fenêtres). Le

coût économique des dommages aux habitations est lié aux pertes de mobiliers à l’intérieur des bâtiments (détruits ou

fortement endommagés, nécessitant un remplacement) et aux désordres sur les éléments de construction intérieurs, dû

à aux dépôts et à l’humidité ou aux travaux de déblaiement nécessaires : doublage intérieur des murs extérieurs, sols,

réseaux (électricité, téléphone, plomberie). Seules des informations recueillies auprès des assureurs des particuliers

pourraient permettre d’évaluer le coût des dommages liés à chaque habitation.

Dès que possible, les hauteurs de dépôts et de niveau d’eau (si significativement différentes) ont été évaluées. Par

contre, des investigations complémentaires devraient permettre de préciser les secteurs touchés uniquement par une

inondation d’eau sans dépôts. Les tableaux ci-dessous donnent le détail de ces relevés.

Légende graphique

Limite d’extension de crue sur orthophoto et photo aérienne / Niveau haut du dépôt sur photos

Niveau de hauteur d’eau à l’intérieur des habitations

Numéro de bâtiment (pour lien avec positionnement sur plans/photos de repérage)

Numéro de photo (pour référence aux sources)

Hauteurs de dépôts et hauteurs d’eau

Les hauteurs de dépôts sont évaluées sur la base des photos. Une erreur moyenne de +/- 20 cm peut être proposée par

rapport aux hauteurs définies. Seules des mesures de terrain détaillées permettraient d’affiner ces hauteurs.

Pour l’instant, n’ont été en grande partie repérées que les hauteurs de dépôt. Les hauteurs d’eau à l’intérieur des

bâtiments pouvaient être supérieures. Il semble qu’il y ait également eu des bâtiments inondés sans dépôts, par

refoulement de réseau d’assainissement. Les bâtiments touchés n’ont pas été repérés et un échange avec le RTM à ce

sujet paraît indispensable pour affiner.

Sources des photos

- Kuss D., ONF-RTM 38, le 02/08/2014 : Photo aérienne + Photos n°2, 3, 6, 7, 10, 12, 13, 16, 17, 23, 24, 27, 28, 31 - Richard D., Irstea Grenoble, le 07/08/2014 : Photos n°5, 8 - Carladous S., Irstea Grenoble, le 07/08/2014 : Photos n°4, 9, 11, 14, 15, 18, 19, 20, 21, 22, 25 - Piton G., Irstea Grenoble, le 07/08/2014 : Photos n°1, 26, 29, 30

Légendes des photos

- Photo 1 : Repérage des dommages en amont du bâtiment 2a - Photos 2, 3, 4 et 5 : Repérage des niveaux de dépôts sur bâtiments 2a et 2b, vue depuis aval - Photos 6, 7, et 8 : Repérage des niveaux de dépôts sur bâtiment 3, vue depuis aval - Photo 9 : Repérage des niveaux de dépôts sur bâtiment 3, vue depuis amont - Photos 10 et 11 : Repérage des niveaux de dépôts sur bâtiment 5, vue depuis amont - Photos 12, 13, 14 et 15 : Repérage des niveaux de dépôts sur bâtiment 6, vue depuis torrent - Photos 16 et 18 : Repérage des niveaux de dépôts sur bâtiment 7, vue depuis amont - Photo 17 : Repérage des niveaux de dépôts sur bâtiment 7, vue depuis torrent - Photo 19 : Repérage des niveaux de dépôts sur bâtiment 8, vue depuis amont - Photo 20 : Repérage des niveaux de dépôts sur bâtiments 9 et 10, vue depuis torrent - Photo 21 : Repérage des niveaux de dépôts sur bâtiments 13, vue depuis torrent - Photo 22 : Repérage des niveaux de dépôts sur bâtiments 13, vue depuis aval - Photos 23, 24, 26 : Repérage des niveaux de dépôts sur bâtiment 14, vue depuis torrent - Photo 25 : Repérage des niveaux de dépôts sur bâtiment 14, vue depuis amont - Photos 27, 29 : Repérage des niveaux de dépôts sur bâtiment 14, vue depuis torrent en aval

1

2


20

- Photo 30 : Repérage de niveau de crue dans bâtiment 14, vue intérieure - Photo 28: Repérage des niveaux de dépôts sur bâtiment 14, vue depuis aval - Photo 31 : Repérage de niveau de crue dans bâtiment 21, vue intérieure

Emprise de la zone de dépôt sur la base de la photographie aérienne du 02/08/2014 (Kuss D., ONF-RTM38)

et repérage des bâtiments considérés

Etablissement de l’emprise de la zone de dépôt sur orthophotoplan (source Geoportail)

et repérage des bâtiments considérés


21

n° Type général Ouvertures

Intensité aléas Photos

1 Habitation 0 % de la surface au sol h : 0 m

2a Garage

- toiture amont en tôle et mur en parpaing

100 % de la surface au sol h : 1,7 m

- toiture en partie soulevée et parpaing partiellement détruits

2a Garage

- 1 porte entrée bois (côté opposé torrent)

- 1 porte garage basculante bois/acier (côté opposé torrent)

100 % de la surface au sol h : 1,7 m

- fermée : détruite par poussée intérieure

- fermée : poussée extérieure dommageable

2b

Habitation en R+1 et cave/garage en rdc - 1 porte double battant bois (cave) (aval)

0 % habitation / 100 % cave des surfaces au sol h : 1,7 m - ouverte ? poussée intérieure aurait ouvert sans dommages


22



3

Habitation

- 2 fenêtres contrevents bois (côté torrent)

- 1 porte bois (aval)

< 100 % de la surface au sol h : 1,2 à 1,8 m

- fermées : aucun dommage

- fermée ? poussée extérieure, aurait ouvert sans dommage

4 Habitation 0 % de la surface au sol h : 0 m

5

Habitation rdc+1

- 1 porte double battant bois (garage) (amont)

- 1 fenêtre verre contrevent acier (côté torrent)

- 1 fenêtre verre contrevent acier (aval)

- 1 porte bois (aval)

100 % de la surface au sol h : 1,9 à 2,2 m

- fermée : endommagée par poussée extérieure

- contrevents a priori ouverts : détruite

- contrevents a priori ouverts : détruite

- endommagée (détruite ?)


23



6

Habitation rdc+1

- 1 ouverture vitrée (sans contrevents) (côté torrent)

- 1 fenêtre-porte double battant bois (côté torrent)

- 2 fenêtres bois vitrées avec contrevents acier (côté torrent)

- 1 porte bois vitrée ? (côté torrent)

- 1 porte bois (amont) ?

100 % de la surface au sol h : 1,7 à 1,9 m

- fermée : barres acier maintenues mais vitres détruites

- fermée : détruite par poussée extérieure

- contrevents a priori fermés : endommagées mais pas détruites

- détruite ?

- détruite ?

7

Grange Ouvertures amont

- porte double battant bois

- 2 fenêtres vitrées

- 1 porte d’entrée bois ?

100 % de la surface au sol h : 1,8 m au milieu, 80 cm sur bord (estimation)

- fermée : détruite par poussée extérieure

- fermées : barres acier maintenues et vitres détruites

- détruite ?

8

Habitation - pas d’ouvertures amont

0 % de la surface au sol h : 60 cm contre mur amont (estimation)


24



9 Habitation et garage en rdc

Non visitée

10 Habitation et garage en rdc 1 porte garage basculante bois

> 0 % de la surface au sol h : 10 cm

- fermée : non endommagée

11 Habitation Non visitée


13 Grange (stockage foin) : rdc + sous-sol - porte en bois sous-sol (côté torrent)

- barrière bois

- grillage à poule sur poulailler

0 % rdc / 100 % sous-sol de la surface au sol h : 1,4 m en point bas (estimation) - détruite ? foin stocké en sous-sol détruit

- pas de dommages

- pas de dommages


25



14 Habitation : rdc + combles habitables

- côté amont : pas d’ouverture

- côté torrent amont * porte garage double battant bois

* 2 portes bois

* 3 fenêtres à 1 contrevent bois

100 % rdc de la surface au sol h : 1,8 à 2 m * fermée : h : 0,5 m sans dommages

* fermées a priori : h : 1,8 à 2 m détruites

* contrevents ouverts ? détruites

- côté torrent aval * 1 fenêtre bois double vitrage, contrevents bois - côté aval * 1 fenêtre vitrée bois, contrevents bois

* 2 voitures

* 1 contener poubelle

- dans habitation

* contrevents ouverts : pas de dommages – eau exfiltré par « plako » * contrevents ouverts : détruite ?

* Engravées mais peu de dommages (rayures)

* Engravé

- h : 2,1 m


16 Grange Non visitée






26



21

Non visitée

Selon photo RTM, remontée de nappe de 70 cm.

H. Synthèse générale, suggestions, recommandations, questions

Sont rassemblées ci-dessous un certain nombre de réflexions susceptibles d’orienter le retour d’expérience qui va

classiquement succéder à ces évènements. Une contribution possible d’Irstea est le cas échéant évoquée, notamment

pour contribuer à des recueils d’information ou des analyses susceptibles d’être exploitées dans des travaux en cours.

Cela concerne plus spécifiquement les recherches engagées dans le cadre des deux thèses de Simon Carladous et

Guillaume Piton, respectivement sur l’analyse coût-bénéfice en contexte torrentiel et le fonctionnement des ouvrages

transversaux : barrages de correction et plages de dépôts, deux sujets sur lesquels le RTM a manifesté son vif intérêt.

a) Le Merdaret

Qu’il y ait eu on non contournement lors de cet épisode, le renforcement de l’aile RG du barrage de fermeture

de la plage de dépôt amont du torrent du Merdaret est à envisager sérieusement, en prenant en compte les

perturbations susceptibles d’être provoquées par la ravine qui vient l’impacter.

Les pentes des dépôts mesurées dans les plages de dépôt ont des valeurs fortes. Comme indiqué plus haut, il est

heureux que les enrochements recouverts de béton en rive gauche amont de la PDD des Pales soient surélevés

d’enrochements secs et de blocs béton. Le cas échéant, la plage aurait été contournée par l’amont. Une

meilleure connaissance de ces pentes maximales dans les plages de dépôt est cruciale pour leur suivi, leur

gestion et l’amélioration de leurs performances et de leur efficacité. Nous recommandons donc de réaliser des

levés au télémètre laser (éventuellement par des géomètres-topographes ou LIDAR) des valeurs des pentes de

dépôts des plages pleines.

Une fois l’ouvrage curé, un levé au télémètre de la hauteur du barrage sous cuvette, des pentes de curages et

des pentes du chenal amont devrait aussi être fait.

Le lit du Merdaret est globalement très chargé de matériaux dans la partie entre les deux PDD. Un suivi de ce

secteur pour rendre compte de l’évacuation de ces matériaux permettrait de mettre en lumière l’effet des

barrages. L’intérêt, pour ne pas dire la nécessité d’un tel suivi avait déjà été identifié en 1997, avec une amorce

de suivi réalisé notamment par un stage au service RTM38 (F. Le Bossenec et O. Sagory – 1997) et dans le cadre

d’un projet soutenu par le Pôle Grenoblois des Risques Naturels. Il serait regrettable que cet épisode ne vienne

pas alimenter ce suivi. Guillaume PITON pourrait être intéressé pour participer à/réaliser ce suivi pour un temps

à déterminer. Le RTM peut prendre contact avec lui pour en discuter.

Dans ce même objectif, la comparaison des photos avant événement et après événement pourrait permettre de

mieux identifier les volumes déposés au cours de cet événement. Le levé LIDAR prévu par le RTM pourrait

permettre de disposer d’éléments de suivi après événement. Reste à connaître l’état avant événement. Si le

RTM peut transmettre les photos les plus récentes avant événement (+ topo/LIDAR si disponibles). De même si


27

le RTM a le suivi des curages réalisés sur les différentes plages de dépôts.

L’ensemble des dispositifs RTM a pour objectif de protéger une Route Départementale. Les contacts au sein du

Conseil Général et de la mairie, que le RTM peut transmettre, intéressent Irstea. L’objectif serait de récupérer

des données concernant les volumes curés régulièrement par le CG, dont plus particulièrement le volume curé

suite à cet événement, et dans une optique d’analyse coûts-bénéfices les coûts d’intervention qui correspondent

à ces volumes, les durée de coupure de la RD, des éléments sur les trafics moyen journalier et de pointe sur

cette route, le nombre d’habitants isolés le temps de la coupure de la RD.

Les coûts de curage des Plages de dépôts et d’entretien des dispositifs assurés par le service RTM seraient

également utiles dans cette optique pour essayer de comparer avec l’effet des ouvrages.

b) Le torrent du Grand Rocher

La crue du 01/08/2014 a été marquée par un transport solide par charriage exclusivement, comme ça semble

avoir été le cas également lors de la crue de 2001. On peut imaginer que cela tienne à la physionomie spécifique

du bassin versant et des caractéristiques de ses zones sources de sédiments. Pour le futur projet de protection, il

serait toutefois prudent de vérifier (si ça n’a pas déjà été fait lors des études précédentes) si ce torrent pourrait

éventuellement fonctionner sous forme de laves torrentielles lors de prochains épisodes.

A partir de cet événement, des éléments objectifs peuvent être recueillis pour évaluer la vulnérabilité des

bâtiments aux crues de charriage en comparaison avec les inondations courantes. Pour ce faire, il faudrait dans

un premier temps vérifier avec le RTM et la mairie :

- La zone d’extension de crue touchée par des inondations d’eau uniquement

- L’intensité globale de l’événement exprimée en volume de dépôt

- Les intensités locales de l’événement : hauteurs de dépôt et d’inondation évaluées

Dans un second temps, les données de coûts des dommages aux bâtiments seraient à récupérer. Un mode

opératoire de collecte de l’information doit être défini avec le RTM et la mairie : collecte par la mairie ?

Questionnaire simplifié aux différents particuliers concernés ?

Pour élargir à l’ensemble des coûts de dommages, par rapport à l’intensité globale de l’événement, un contact

devra être pris avec la mairie (coût des curages), avec les pompiers et les gendarmes.

De façon générale, il conviendra de comparer l’événement de 2001 avec celui-ci de 2014. Plus spécifiquement

cette comparaison pourrait se focaliser sur l’analyse des relations aléa / vulnérabilité :

- Comparaison des intensités globales d’événements

- Comparaison des intensités locales de l’événement

- Comparaison des coûts de dommages entre ces événements

Pour ce faire, Irstea est intéressé par la transmission par le RTM 38 des informations dont il dispose concernant

l’événement de 2001 et les travaux qui ont été réalisés ensuite.

Si disponible, des éléments sur d’autres événements antérieurs pourraient permettre d’enrichir cette analyse

des coûts de dommages en fonction de l’intensité des événements.

Pour ces modes opératoires et ces collectes, Simon Carladous prendra contact avec le service RTM 38, si celui-ci

est disponible, pour préciser un mode opératoire de collecte de l’information auprès des différentes entités.

c) Autres réflexions

L’analyse de la pluviométrie mériterait d’être approfondie, d’une part en exploitant au mieux toute l’information

sol disponible (pluviomètres voisins, voire observations de particuliers), à confronter aux enregistrements radar

de Rhytmme, d’autre part en poussant l’analyse des caractéristiques fréquentielles des pluies sur des durées

plus longues qui pourraient rendre compte de l’impact du caractère maussade de l’été 2014.


28

Dans le cas précis, on est en face d’un évènement qui se distingue par le double fait que le transport solide n’ait

eu lieu que sous forme de charriage d’une part, et que les dommages résultent seulement d’engravement et pas

d’affouillement d’autre part. La vulnérabilité du bâti n’est donc essentiellement que le fait de l’intrusion des

écoulements dans les maisons. Il ne semble pas qu’il y ait eu d’autres dommages structurels que les ouvertures.

Il y aurait peut-être un travail intéressant du point de vue de la vulnérabilité des habitations au dépôt par

charriage, qui serait de faire l’inventaire des ouvertures par où les sédiments sont rentrés, et de comment elles

ont rompu (bris des vitrages, forçage et rupture des fermetures, etc…). L’objectif pourrait être de dégager des

recommandations constructives sur le choix d’huisseries résistantes. Au-delà la question de l’étanchéité à l’eau

sera également à considérer.

Modane, Savoie – Torrent du Saint-Antoine, événement du 31 juillet 2014 – CR visite du 6 août 2014

J.-M. Tacnet (synthèse), S. Carladous, G. Piton– version 0.4 - 140814

Commune de Modane

Département de Savoie

Torrent du Saint-Antoine

Evènement du 31 juillet 2014

----

Compte rendu de la visite de terrain du 6 août 2014

Version 0.4 - 140814

---- Jean-Marc Tacnet, G. Piton, S. Carladous

Irstea/ ETNA

Conditions d’exécution de la mission :

Appui technique au service départemental RTM de la Savoie – Projet MAP/MEDDE/ONF/Irstea « Efficacité ouvrages »

Moyens engagés : Irstea Grenoble (unité ETNA) :

Jean-Marc Tacnet, Simon Carladous, Guillaume Piton, Perrine Freydier

Personnes ayant participé à la visite :

Olivier Lamy, David Etcheverry (ONF-RTM 73) Olivier Marco, Jean-Michel Decoud, Yann Queffelean (DN-RTM)

Personnes rencontrées sur site : Jean-Claude Raffin (Maire de Modane)

1. CONTEXTE DE LA VISITE DE TERRAIN Suite à l’événement de lave torrentielle du 31 juillet 2014, sur le torrent du Saint-Antoine (Modane-Savoie), une visite du site a été effectuée par l’UR ETNA d’Irstea le 6 août 2014. Cette note décrit les éléments observés (quelques mesures faites), les données pouvant être mises à disposition et aborde les suites à donner ou envisagées. La visite le long du torrent du Saint-Antoine s’est déroulée en trois phases (points d’arrêt chronologiques) sur les parties basses (Figure 1) et hautes du bassin versant (Figure ). :



Commentaire général : La visite s’est déroulée dans de bonnes conditions de visibilité. Cependant, le temps imparti n’a pas permis une reconnaissance approfondie du sommet du bassin versant (au-delà du barrage 43). Ce compte-rendu se veut essentiellement descriptif. Les analyses relatives à la dynamique des phénomènes ne sont à ce stade que des hypothèses.

2. EFFECTUEES

Figure 1 : Partie aval – cône de déjection, plage de dépôt et chenal d’écoulement à l’aval de la gorge



Figure 2 : extension de la crue de 1987 – source RTM

2.1 La zone de dépôt aval – Cône de déjection

2.1.1 Pont RD 1006 Le pont sur la RD1006 a été submergé lors de la crue. Les garde-corps amont et aval sont arrachés sur la moitié rive gauche. Une mesure de section d’écoulement de la lave a été faite en amont du pont (à 42 m en amont) = section pseudo trapézoïdale hauteur de lave = 3.5 à 4 m, largeur du lit = 7 m, largeur au miroir = 16 m soit environ 40 m2 . La section du pont a été mesurée (8.5 m x 4.2 m soit environ 35 m2). La pente est de 4.8° soit environ 8 %. Lors de la visite, aucun dépôt dans le lit en amont du pont. Des traces d’écoulements de retour au lit des débordements sur la RD sont visibles à l’aval du pont en rive gauche. La RD1006 n’a été fermée que très peu de temps (de l’ordre de l’heure) selon les témoignages. Hormis les garde-corps, il n’ya pas eu de désordres structurels constatés sur la chaussée. Ces éléments restent à préciser auprès du conseil Général.



Des tuyaux d’alimentation en eau potable sont détruits en amont du pont tandis qu’ils sont intacts en aval. Les conditions de remise en eau et d’exploitation restent à préciser auprès de la mairie de Modane.

Figure 3 : Dommages au niveau du pont de la RD1006 (vue depuis l’amont, et tuyau aval)

Commentaires : une lave probablement très liquide.

2.1.2 Pont cadre Le pont cadre (section de 5 x 3 = 15 m2) a été obturé par la crue. Un amas de blocs s’est probablement accumulé en amont (non observé, d’après des informations indirectes obtenues auprès des conducteurs d’engins). Nombreux blocs de l’ordre de 2.1 x 1.6 x 1 = 3.3 m3 (8 tonnes) Le plus gros blocs transporté fait 4.2 x 2.3 x 1.6 m (15.5 m3, 60 tonnes ) déposé en rive droite en aval du pont cadre. Des questions restent posées : est-ce que l’écoulement a finalement transité à l’aval du pont cadre (pas de trace importante à l’aval du pont cadre ?) quelle part jusqu’à l’Arc, déposée etc…



Figure 4 : Eléments de vulnérabilité (Kaiber da Silva, 2011)

La lave a transféré des volumes notables en aval du pont cadre formant verrou. La trajectoire précise de ces volumes et le scénario d’étalement ne peuvent pas être clairement définis. Ces volumes ont en effet pu passer avant le blocage du pont et/ou après son blocage par contournement du pont et des bâtis adjacents. Des matériaux avaient aussi peut-être été évacués par les engins de terrassements de la zone amont vers le secteur de la confluence. Les dépôts observés en aval avaient déjà été remaniés lors de notre passage. Des dommages à une habitation et aux bâtiments industriels sont constatés à partir de cette zone de débordement. Débordements vers la rive gauche Maison d’habitation (R+1) avec cave/garage en Rdc : endommagement par retour de lave, donc sans impact. Hauteur de dépôt estimée : 2,3 m Aspects structurels : 1 vitre cassée Aspects humains : pas de dommages. Un couple de personnes âgées finalement non héliporté



Figure 5 : Dépôt par retour de lave au niveau de la maison d’habitation

Entrepôt de bus Transdev : Aspects structurels : la structure métallique principale semble avoir résisté mais les parois en panneaux de tôle doublés de laine de verre ont été détruites. 20 bus étaient stockés (sur un parc de 22, car 2 étant en tournée) ainsi que les 2 voitures des chauffeurs en tournée. La lave a pénétré l’entrepôt et propulsé les bus dans les parois. L’appartement situé au coin amont a été envahi par l’écoulement, jusqu’au deuxième étage. Aspects humains : pas de dommages. Une personne présente (dans les bureaux ou l’appartement ?) a été héliportée selon les informations transmises par M. le Maire. Chômage technique : pas à ce jour. La mairie a mis à disposition de l’entreprise des locaux leur permettant de poursuivre leur activité. L’entreprise étant de portée nationale, d’autre bus ont été acheminés pour permettre de maintenir l’activité. Pertes d’exploitation : ces éléments restent à définir.

Figure 6 : Dommages au niveau de l’entrepôt de bus Transdev

Hauteur de dépôt estimée : 1,9 m Entrepôt de la société Jacquemmoz (à côté de l’entrepôt Transdev) : Aspects structurels : le mur en béton a été détruit (cuves de produits pétroliers visibles). Les pertes de matériaux restent à définir. Pertes d’exploitation : restent à définir.



Figure 7 : Dommages au niveau de l’entrepôt Jacquemmoz

Dans la continuité de ces 2 entrepôts, un entrepôt surmonté d’appartements a également été touché. La nature de l’activité n’est pas précisée à ce jour. De même, un entrepôt de la société Transdev a également été touché. A côté de la maison d’habitation, face au dépôt de bus, le siège social de l’entreprise Jacquemmoz a été touché. Cependant le système d’exploitation et de gestion a pu être remis en route avant réouverture du lundi, n’entraînant donc pas de chômage technique. Directement à côté, un entrepôt est sans affectation et sans dommages structurels significatifs. Dans la continuité, un bâtiment Colas SNCF a été repéré mais les dommages n’ont pas été estimés. De même un entrepôt de Cuniter Charpente a été repéré comme touché par le dépôt mais les dommages n’ont pas été recensés. Dans ce secteur, M. le Maire a fait part de la présence d’une entreprise FilTech, concevant des filtres de haute technologie pour ordinateur. Le bâtiment concerné n’a pas été repéré mais le risque de perte d’exploitation et de chômage technique pour cet acteur industriel est à prendre en compte. Débordements vers la rive droite Société CR : Dépôt constaté sur le bâtiment de la société CR. Dépôt de l’ordre de 1.5 à 1.8 m sur la façade côté torrent.



Figure 8 : Dommages au niveau de l’entreprise CR (Couvertures-Charpente)

Aspects structurels : le bâtiment semble avoir globalement résisté. Les pertes de matériaux restent à définir. Pertes d’exploitation : restent à définir. - 2 entrepôts SAMSE de matériaux de construction, dont un de carrelage et menuiserie ont subi des dommages importants. Le jour de la visite, un dépôt avait ré ouvert tandis que l’autre non. Aspects structurels : le bâtiment semble avoir globalement résisté. Les pertes de matériaux stockés restent à définir. Pertes d’exploitation : restent à définir. - 1 entrepôt BIGMAT de matériaux de construction a également subi des dommages liés au retour de lave mais limités à la partie stockée côté torrent. Aspects structurels : le bâtiment semble avoir globalement résisté. Les pertes de matériaux stockés, notamment en dehors du bâtiment restent à définir. Pertes d’exploitation : restent à définir.

Figure 9 : Dommages au niveau de l’entrepôt BigMat, Vu depuis torrent



2.1.3 Entre pont cadre et SNCF La capacité du pont SNCF n’a pas été dépassée. Une laisse de crue était observable en rive droite mais celle-ci est vraisemblablement due aux retours d’écoulements longeant le bâtiment CR.. . La voie SNCF a été coupée avec des dépôts et la présence de bus du dépôt Transdev transportés.Par contre, la structure de la voie n’a a priori pas été endommagée. Le trafic (à préciser auprès de la SNCF) est de 3 Allers-Retours TGVParis-Milan / jour et de 4 à 5 Allers-Retours de Frêt. Cette zone est sous exploitation italienne ce qui peut compliquer la gestion de l’événement. Des bus ont été mis à disposition pour transporter les passagers entre la gare de Modane et la gare iltalienne la plus proche par le tunnel du Fréjus. A noter, que cet événement a eu lieu le weekend du 1er août, de chassé-croisé important. Pour favoriser le passage des bus de la SNCF, le tunnel était coupé dans un sens. Le temps de coupure de la voie et la perte d’exploitation liée restent à préciser auprès de la SNCF.

2.2 La plage de dépôt La plage de dépôt s’est remplie jusqu'à une hauteur de l’ordre de 2m sous le sommet du couronnement de l’ouvrage terminal. Le coin amont rive droite du voile latéral de l’ouvrage terminal a été endommagé par un choc (voir photo). La grille (verticale à barre horizontales de 5 m de portée, en appui dans un U encastré dans le voile) a été détruite. Commentaires : sur la base d’un équivalent statique de la poussée d’une lave, avec un entraxe entre barres de 0.9m et une portée de 4 m, il faut des barres horizontales constituées par des HEB 280 (« Conception et calcul… » Deymier et al., 1995). La rupture peut donc s’expliquer. A comparer aux hypothèses de conception retenues pour le calcul des grilles. De nombreux blocs (estimés de 10 à 15 m3) sont bloqués en amont de l’ouvrage. En l’absence de la grille, le blocage mécanique de la fente béton (obstruction par des blocs) était prévisible pour des blocs de 3.3 à 2.5 m (largeur fente/ 3 à 2.5). Les blocs observés respectent bien ce critère puisqu’ils présentent des largeurs en travers de l’ordre de 2.5 à 3 m. La lave a déversé sur la digue latérale en rive gauche jusqu’à une hauteur de 3 m par rapport au sommet des voiles béton et en rive gauche sur une hauteur de 1.4 m (mesure télémètre laser). La plage de dépôt n’est pas équipée d’un évacuateur de crue (seuil trapézoïdal au-dessus de l’ouvrage fente, ni d’un parement aval protégé contre les déversements. On note des traces d’érosion sur son parement aval. Commentaires : Dans le contexte d’un torrent tel que le St Antoine, qui, d’expérience, est capable de transporter des blocs à même d’obstruer la fente béton de l’ouvrage de fermeture (D=2.5 à 3.3 m), on peut confirmer l’importance d’une section d’évacuation des écoulements au-dessus de l’ouvrage présentant des risque d’obstruction. Le cas échéant, les écoulements peuvent s’effectuer sur le remblai avec un risque d’érosion de celui-ci.



Figure 10 : Vue d’aval de l’ouvrage de fermeture, obstruction par les blocs et déversement sur le remblai

La pente des dépôts a été mesurée à 3 % +- 0.5% au télémètre laser. Cette valeur faible est probablement à relier à la nature très boueuse de la lave. Des laisses de crue aux niveaux surprenant ont été mesurées : aérienne suivante :

Figure 11 : Indication des laisses de crues observées dans la plage sur fond de plan vue aérienne (source Geoportail.fr)

Ouvrage fente de fermeture

Z=3m/dessus des voiles

béton

Z=1.4m/dessus des voiles béton

Z≈3.5m/dépôt

Z≈2.7m/dépôt

Z≈7.5 m/dépôt

Z≈1m/dépôtZ≈1.5m/dépôt

Limite approximatives

dépôts

Z≈2 m/dépôt

Z=3m/dessus des voiles béton



Les photos suivantes illustrent ces laisses de crues :

Figure 12 : Panorama de la RD de la plage de dépôt - Indication des laisses de crues

Figure 13 : Panorama de la RG de la plage de dépôt - Indication des laisses de crues La dissymétrie dans les niveaux mesurés de chaque côté de l’ouvrage de fermeture (3 et 1.4 m), ainsi que l’érosion relativement faible du remblai aval, laissent penser que la surverse a eu lieu sur un court moment lors du passage d’une (ou de quelques) bouffée(s). Ceci étant appuyé par la dissymétrie des laisses de crue dans la plage et notamment par le niveau très élevés de la première laisse en RD (+7m/dépôt). Cette dernière est située dans l’axe du chenal amont sur la trajectoire de la piste qui traverse le gué. L’inertie de la bouffée a pu la pousser à monter haut en RD. Les niveaux plus élevés et le déversement préférentiel en RG pourraient être « l’écho » de ce phénomène. Commentaire : Ceci laisse supposer que des phénomènes très dynamiques, pouvant amener à des élévations locales fortes des niveaux, peuvent avoir lieu dans les plages de dépôts où la largeur importante pourrait laisser penser le contraire. Il serait intéressant de rassembler des informations sur des phénomènes similaires (influence de la forme de la plage et du chenal amont sur des instationnaritées et dissymétries dans les écoulements des bouffées). Dans le cas du St Antoine, la surverse sur le remblai montre que ce phénomène a plus relevé du passage d’un « paquet » d’eau (ici en l’occurrence de boue) que d’une surverse établie et longue, mais cela pourrait être différent dans d’autres conditions (crue plus longue ou obstruction totale de la fente par un quatrième bloc ou par des flottants).

Z=1.4m/dessus des voiles béton Z≈7.5 m/dépôtZ≈2 m/dépôt

Z=3m/dessus des voiles

béton Z≈3.5m/dépôt Z≈2.7m/dépôtZ≈1m/dépôt Z≈1.5m/dépôt



Analyse diachronique des vues de la plage :

Figure 14 : plage de dépôt après la crue de 2014 (31/07) – J.-M. Tacnet/Irstea

Figure 15 : plage de dépôt avant la crue (12 aout 2012 – J.-M. Tacnet/Irstea)



Figure 4 : Obturation de l’ouvrage terminal

Figure 5 : Eclatement du béton en sommet du couronnement du voile latéral RD de l’ouvrage terminal



2.3 Chenal d’écoulement de la PGD au B5 Dans ce secteur les niveaux de crues ont été mesurés à environ 6 m au-dessus du fond en section normale, à 8.5 m entre B1 et le verrou rocheux amont et à environ 10 m localement au droit du coude dans l’axe de la rivière. Il faut rester prudent quant à l’analyse de ces mesures. Le chenal semble s’être incisé et il nous est impossible de savoir si la laisse de crue date d’avant ou d’après l’incision. La section d’écoulement en aval du coude peut être schématiquement représentée comme suit entre les laisses de crues RD et RG :

Figure 18 : Vue d’aval des laisses de crues et section en travers synthétique mesurée en aval direct du coude (échelle 1/200)

Le radier permettant le passage à gué est partiellement détruit et gravement affouillé. Les blocs constituant le radier parafouille ont été emportés. En comparant les photos de 2012 et 2014, on note une érosion importante du lit et des berges. Des sources de gros blocs peuvent clairement être identifiées en rive droite. Cette zone a vraisemblablement largement participé à la production de matériaux solide dans le cadre de cette crue. Ce point est à éclaircir à la lumière de photos des visites précédentes et d’un travail d’analyse via le Lidar disponible comme état initial (voir plus loin).



Figure 6 : Chenal d’écoulement en amont de la plage de dépôt (le barrage B2 aurait disparu …à confirmer) -

Figure 720 : 12 aout 2012



Figure 21 : 6 aout 2014 – accumulation de blocs partiellement purgée

Figure 822 : barrage B2 ayant disparu au premier plan. A droite, B3



Figure 23 : Barrage B3 12 aout 2012 – noter les repères communs ? (Gros bloc en RG, à l’arrière plan RG)

Figure 24 : 6 aout 2014



Figure 25 : destruction partielle du barrage B3 (6/08/2014) – noter le volume mobilisé en amont et les traces d’écoulement

Figure 26 : barrage B3 en 2012



2.4 Le chenal d’écoulement (B6 à B43)

Figure 27 : partie haute de la visite (chenal d’écoulement en amont de la gorge et bassin de réception)



2.4.1 Eléments d’analyse géomorphologique

2.4.1.1 Versants Les informations de l’ONF/RTM (CR O. Lamy) laissent penser que c’est principalement les ravines et chenaux RG tributaires de la branche principale dans la partie amont qui ont été actifs lors de l’évènement (dégâts et observations de chasseurs présents sur l’autre versant de cette crête). Les photos suivantes illustrent l’état du haut bassin dans ce secteur (voir l’étude de C.Peteuil , 2009) .

Figure 9 : Vues du versant RG depuis le point 9 de la cartographie (ravines actives dans le haut du bassin, ravin de la montagne peu actif et ravin de Mont Rond non conforté, sans trace de ravinement)

Un gros bloc a été repéré à la jumelle au niveau de la zone possible de capture du ravin de MontRond par les écoulements du ravin de la montagne. Ce dernier pourrait participer au renvoi des écoulements vers la RG, ce qui n’est pas souhaitable. Si cette capture (avulsion) a lieu ou se développe, il faut s’attendre à une augmentation notable de la fourniture sédimentaire en aval, au moins des matériaux graveleux et des gros blocs (scénario déjà envisagé en 2009).

Ravin de la montagne (nombreux barrages)

Ravin de MontRond, très forte disponibilité

sédimentaire, non conforté



Figure 10 : Vue d’ensemble du chenal conforté du ravin de la montagne et zoom sur le secteur présentant un risque de capture de la ravine de Mont Rond en RG

2.4.1.2 Chenal principal La visite de terrain montre des érosions en aval des barrages liés à la chute et à la dissipation d’énergie. La comparaison faite sur place avec les photos de la visite de 2013 laisse toutefois penser que les atterrissements n’ont pas beaucoup bougé. Le rapport RTM de Peteuil et Martin de 2009 montre des images du chenal suite à la crue de 1987 où les ouvrages en dessous de la cote 1900 étaient atterris jusqu’au dessus des cuvettes. Ceux-ci avaient alors probablement participé à un tamponnage du volume de sédiment. Lors de la crue de 2014, un tel effet n’a pas été observé.

2.4.2 Etat des barrages Les éléments marquants observés lors de cette visite sont :

L’état de saturation des versants et le débit des drains (présents en rive gauche) Le débit des barbacanes de certains ouvrages ; L’absence constatée de zones d’apport localisé sur les versants ; Les nombreux contournements d’ouvrages dans la zone du chenal d’écoulement en

amont du barrage B6 Nombreux barrages affouillés et contournés (voir exemples ci –dessous) Nombreux impacts sur le couronnement des ouvrages en béton armé

Bloc déposé sur la cuvette

du barrage

Initiation du ravinement et

risque de capture

Ravin de la montagne (nombreux barrages)

Ravin de mont Rond, très forte disponibilité

sédimentaire, non conforté



Figure 30 : Barrage B7 10/10/2012

Figure 31 : Barrage B7 6/8/2014



Figure 32 : Barrage B17 – 10/10/2010

Figure 33 : Barrage B17 – 6/08/2014 – noter l’incision du lit par rapport à 2010



Figure 34 : photos barrage 19 – 10/10/2010

Figure 35 : Barrage B19 – 6 /08 /2014



Figure 36 : endommagement du couronnement de la cuvette déversoir et de l’aile (B19)

3. DONNEES DISPONIBLES Existence de videos (VF) : Crue vers 20h. D’après les infos recueillies auprès de l’auteur de la video diffusée sur FR3 « Observation d’un écoulement assez haut avec des vagues au début (bruit rauque de frottement de blocs sur le fond) puis beaucoup plus rapide et niveau bas par la suite – 10 minutes après. Tronc de 40 cm est passé. Le débordement du pont de la zone artisanale n’a pas pu être vu directement ». Irstea dispose d’un levé Lidar haute résolution sur la zone décrite sur la figure jointe (Figure 11)



Figure 11 : emprise du levé Lidar haute résolution (5 pts/m2 mini) réalisé par Irstea en 2010.

4. QUESTIONS POSEES La question de la provenance des matériaux des matériaux est à éclaircir. Le rapport RTM de Peteuil et Martin (2009) montre des images de 1987 des barrages en amont des gorges très chargé en matériaux. Comment a évolué ce stock ? En particulier, quel était le stock disponible entre les gorges et la plage de dépôt avant l’évènement de 2014. L’analyse des photos des visites, croisée avec une analyse des LIDAR pourrait permettre d’apporter de précieux éclaircissement à cette question. D’autres questions subsistent quant aux scénarios de la crue (à quel moment et pourquoi la lave a-t-elle débordé sur le pont de la RD), à l’influence et rôle des ouvrages dans le tronçon en amont de la plage de dépôt jusqu’à la gorge ?



5. SUITES A DONNER

- Le torrent du Saint-Antoine est un cas d’étude particulièrement intéressant à plusieurs titres : Deux événements significatifs en 1987 et 2014 en intensité de phénomène (volume de dépôt de lave) et d’intensité de dommages, en zone industrielle et sur réseaux ferrés et voirie

- Mise en place de nombreux ouvrages (Plage de dépôt communale, ouvrages de correction torrentielle dans le secteur amont) suite à la crue de 1987

- Projet de construction d’une nouvelle plage de dépôt - Rapport intermédiaire de volumes potentiellement mobilisable (Peteuil, 2009) - LIDAR sur l’ensemble de la zone avant événement en 2010 et nombreuses photos

entre 2010 et 2014 à Irstea et RTM. Un nouveau LIDAR après événement et la comparaison de l’ensemble de ces photos pourraient permettre d’estimer le volume mobilisé au cours de l’événement et sa situation spatiale

- Travaux existants dans le cadre du projet Paramount notamment des simulations d’étalement de lave.

Un travail en commun Irstea – RTM sur ce cas d’étude en retour d’expérience permettrait d’appuyer l’étude actuellement réalisée sur l’efficacité des ouvrages de protection contre les risques torrentiels. Dans le cadre de sa thèse, S. Carladous propose d’être l’interlocuteur Irstea sur ce sujet auprès du service RTM 73. Sur la base de cette proposition, un mode opératoire de collaboration doit être établi et validé. A titre indicatif, quelques pistes éventuelles d’actions à mener ou d’ores et déjà envisagées sont citées ci-dessous.

5.1 Irstea Acquisition des données de dommages économiques auprès de la mairie de Modane (S. Carladous) et des entreprises. Récupération des acteurs gestion de crise auprès de la mairie. Contact avec SNCF Mise à disposition du levé lidar 2010 (projet Paramount) ….

5.2 Proposition d’actions ONF/RTM Report SIG de l’extension du phénomène Fourniture des clichés vues aériennes post crue à Irstea (1/08/2014) Analyse des zones de production (en lien avec Irstea). Analyse comparée confrontation des clichés disponibles (en lien avec Irstea). Réalisation d’un nouveau levé Lidar sur la même emprise …

Italie – Valle de Susa & Valle d’Aosta- Projet RISBA - Visites d’ouvrages de contrôle des risques torrentiels et

de sédimentation des retenues – CR visites des 16 et 17 septembre 2014

G. Piton – version 0.1 – 140922 1

Italie

Valle de Susa & Valle d’Aosta

Visites d’ouvrages de contrôle des risques torrentiels et de sédimentation des retenues

Compte rendu des visites des 16 et 17 septembre 2014

----

Version 0.1 - 140922

---- G.Piton

Conditions d’exécution

de la mission :

Projet européen RISBA


Guillaume Piton

Personnes ayant

participé à la visite :

Visite du 16/09

Davide Patrocco, Sabrina Mantovani, Domenico Vigliante, Alberto

Birolo (REGIONE PIEMONTE)

Alessio Colombo, Davide Damato (ARPA PIEMONTE)

Alberto Dotta (CONSORZIO FORESTALE ALTA VALLE SUSA)

Visite du 17/09

Paolo Ropele, Franco Colle, Valerio Segor (REGIONE VAL d’ASTOA)

Personnes rencontrées

sur site :

-

1.1 Contexte de la visite de terrain

Les administrations de la REGIONE PIEMONTE et de la VALLE d’AOSTA collaborent

avec IRSTEA dans le cadre du projet Européen RISBA. L’action 2.5 vise à préciser les

risques torrentiels au droit des retenues d’altitudes et de mieux comprendre et préciser l’effet

des barrages de correction torrentielles fermés et filtrants. Cette visite visait à échanger sur le

sujet avec les services des partenaires Italiens.



G. Piton – version 0.1 – 140922 2

La visite s’est organisée en deux journées : la première dans la haute vallée de Susa (Région

Piémont), la seconde dans le Val d’Aoste (voir Figure 1). Que l’ensemble des participants

soient vivement remerciés : ces visites étaient particulièrement intéressantes.

Commentaire général :

Les visites se sont déroulées dans de bonnes conditions de visibilité sur les zones visitées.

Cependant, le temps imparti n’a pas permis une reconnaissance des parties supérieures des

bassins versants. Le compte rendu est donc essentiellement descriptif et concerne

principalement les ouvrages visités. Les bassins versants sont décrits sur la base des

informations fournies par les intervenants. Des remarques d’ordre général sont données dans

le compte rendu. La description des ouvrages est accompagnée de la classification anglaise

que nous proposons de retenir dans le cadre de nos travaux1

1.2 Torrents visités

Figure 1 : Situation des zones visitées (source carte : googlemap)

1 Wehrmann, H.; Hübl, J. & Holzinger, G. Classification of Dams in Torrential Watersheds INTERPRAEVENT Conference

Proceedings, Universal Academy Press, Inc. Tokyo, Japan, 2006, 829 - 838

Valle

d’Aosta

Valle de

Susa



G. Piton – version 0.1 – 140922 3

Figure 2 : Situation des zones visitées – Valle de Susa (source carte : googlemap)

Figure 3 : Situation des zones visitées – Valle d’Aosta (source carte : googlemap)

Rio Fosse Rio Joans

Torrent du Champeyron

Torrent de Gran Valey

Retenue de

Graines sur le

Torrente di

Graines

Retenue de Brusson sur le Torrent d’Evancon



G. Piton – version 0.1 – 140922 4

Région Piemonte

2. TORRENT DE CHAMPEYRON

2.1 Présentation du site :

Haut bassin versant dépourvu de végétation, pierriers de grandes dimensions alimentant le lit

du torrent. Peu de processus érosif ou de fourniture sédimentaire dans le lit. Fonctionnement

erratique avec génération de laves torrentielles.

Présence d’un camping et d’urbanisations relativement récentes sur le cône de déjection.

Laves en 1990 et 1992 --> Décision de réaliser des ouvrages de sédimentation car la

correction amont est inenvisageable (zone trop instable). Décision politique de ne pas

déplacer camping et urbanisation.

Place disponible à l’apex du cône pour construire une zone de stockage mais zone servant de

captage d’eau potable. Il a donc été fait le choix de construire les ouvrages de sédimentation

dans les gorges amont.

2.2 Visite de l’ouvrage amont de dépôt : plage de dépôt à dents (sectional check dam with 4-m-high-fins)

L’ouvrage est de type autostable et constitué de béton armé.

Le barrage est principalement constitué de 14 dents en béton armé, d’environ 4 m de haut.

L’écartement entre les dents est progressif : assez serrer à l’axe du torrent pour bloquer le

front de la première bouffée de lave et les blocs qu’elle transporte. Plus écarté sur les côtés : il

est considéré qu’une fois la plage partiellement remplie, les vitesses diminuent et les blocs

sont moins transportés. Un écart plus grand est donc pris entre les dents situées hors de l’axe

d’écoulement de la gorge amont.

La section horizontale des dents est en trapèze avec côté large à l’amont, ainsi un bloc ayant

passé le front des dents, ne restera pas bloqué plus loin.

Figure 4 : Plage de dépôt amont – vue d’amont vers l’ouvrage et vue de l’ouvrage depuis la rive gauche



G. Piton – version 0.1 – 140922 5

Zone de dépôt plate. La plage a dû être

vidée lors d’une seule (petite) lave et

aucune sédimentation n’a lieu hors de ces

épisodes soudains mais relativement rares.

L’ouvrage est situé au droit de la traversée

d’une piste (accès à un refuge et suivi ligne

électrique) en cas de dépôt, le site doit

être dégagé au plus vite.

Figure 5 : Plage de dépôt amont – vue vers

l’amont de la zone de dépôt : protection de

berges latérales et absence de structure amont :

dépôt remontant dans la gorge amont

2.3 Visite de l’ouvrage aval de dépôt : plage de dépôt à grand pertuis avec 3 poutres aciers horizontales (large slot check dam with 3 H-beams)

Ouvrage de conception plus classique, il n’a jamais été curé depuis sa construction et le dépôt

est de l’ordre de 50 cm.

Figure 6 : Plage de dépôt aval – vue vers l’ouvrage depuis la piste d’accès aval rive droite

Des échancrures sont prévues pour retirer les poutres en acier. Difficile de savoir si celles-ci

résisteront à l’arrivée d’un front de lave et si, une fois déformée par l’impact, il sera aisé de

les retirer. L’écartement est progressif : inférieur à 1m dans la partie basse, il grandit vers le

haut. L’idée ici aussi est de bloquer les premières bouffées.

La largeur du pertuis a été fixée de façon à permettre le passage des engins de terrassement.

La cuvette est dimensionnée pour permettre le passage de la crue Q200 ans.



G. Piton – version 0.1 – 140922 6

Figure 7 : Plage de dépôt aval – vue vers l’amont du bassin de stockage : pas d’ouvrage amont et dépôt

dans la gorge – vue d’aval vers l’ouvrage de fermeture : poutres aciers amovibles

La capacité de la plage de dépôt permet de compléter le

volume de la plage supérieur pour atteindre un stockage

notable de la lave de projet.

2.4 Correction complémentaire

En complément des plages de dépôt, le lit aval a été

recalibré sur le cône de déjection, des enrochements libres

ont été réalisés en pied de berge, des petits seuils en bois

(2 rondins) ont été mis en place sur le fond et des boutures

de saules plantées dans les berges. Un entretien des saules

est réalisé sur un période pluriannuelle.

La confluence avec la rivière de fond de vallée a été

retravaillée par des terrassements (non visité).

Figure 8 : Zone aval du cône de déjection : recalibrage et

correction légère (seuils bois, enrochements libres en pied de

berge et boutures de saules).

3. RIO FOSSE

3.1 Présentation du site

Bassin versant très productif (zones actives de schistes, dolomie et craie). Lave torrentielle sur

une fréquence environ annuelle, 2 grosse laves cet été : matériaux graveleux de diamètre

centimétrique et décimétrique pris dans une gangue d’aspect sablo-silteux.

Nombreuse avalanches par ailleurs sur le site.

5 barrages de corrections sont situés en amont. Equipé de petit pertuis circulaires (buse

béton), ces derniers se sont bouchés très rapidement. Au droit de ces barrages, des



G. Piton – version 0.1 – 140922 7

phénomènes de « respirations torrentielles » sont régulièrement observés (fluctuation du

niveau du lit et de la pente de dépôt), a priori sur une fréquence annuelle :

Au printemps les crues de fontes ont tendances à permettre un charriage de faible intensité

mais durant longtemps. Les pentes de dépôt augmentent alors, peut être jusqu’à des valeurs de

l’ordre de 20%.

Pendant les orages d’été, les stocks sédimentaires présents dans le haut bassin sont

brutalement transportés par des laves et les zones d’accumulations sur les barrages sont alors

purgées jusqu’à atteindre des pentes de l’ordre de 10%.

Ces barrages sont tout de même considéré comme utiles au titre qu’ils : 1. Stabilisent le profil en long et empêchent l’incision du torrent,

2. Limitent les érosions de berge et la réactivation des glissements de terrains.

3. Effet secondaire : Tamponnent ces stocks sédimentaires et les laissent passer de manière

régulière (hypothèse d’une possible respiration d’encore plus grande ampleur en leur absence

et donc de stockage encore plus fort, libérés ensuite brutalement ?).

Figure 9 : Vue vers l’amont de la plage de dépôt : barrage de correction torrentielle et zones de

production sédimentaires du haut bassin – Vue vers l’amont du chenal protégé situé en aval de la plage de

dépôt.

En aval de la plage, le lit du torrent est perché sur cône de déjection. Il est conforté tout le

long par des enrochements liés au béton. Un soin particulier a été fait pour limiter la rugosité

afin d’abaisser les hauteurs d’eau.

Présence de la route d’accès à la France (Névache) en aval, le pont de cette dernière est sous

dimensionné, ce qui justifie la présence de la plage.

L’ancien camping situé sur le cône de déjection a été abandonné suite au risque avalanche.

3.2 Plage de dépôt : ouvrage peigne en forme d’arche avec 30 pieux (Arched sectional check dam with 30 piles).

1ère

plage de cette partie du Val de Susa, créée en 1992 par l’ingénieur Martina.

L’ouvrage est constitué de pieux en métal remplis de béton armé. L’espace entre les structures

est très faible, de l’ordre de grandeur du diamètre des pieux (~30 cm). Leur hauteur est

d’environ 4 m.



G. Piton – version 0.1 – 140922 8

La faible distance entre pieux génère un blocage rapide des sédiments, le piégeage est

probablement presque total avant la surverse.

Figure 10 : Vue depuis la rive droite vers l’ouvrage de fermeture de la plage de dépôt : pieux métalliques

disposés en arche.

Capacité théorique initiale de 50 000 m3 (avec dépôt à pente nulle). Les dépôts ont en réalité

lieux avec une certaine pente, de l’ordre de 10 %.

Des problèmes économiques se posent vis-à-vis du curage des matériaux : les moyens n’étant

pas disponible pour les évacuer, ils sont mis en remblais sur les côtés de la plage et dans le

bassin. Ces derniers temps, la capacité résiduelle est donc passée à 15 000 m3 (10 jours de

terrassement à la pelle – 9000 €) en attendant de trouver une solution (coût d’évacuation ~ 5-7

€/m3).

Figure 11 : Vue depuis la rive droite vers le bassin de stockage et l’ouvrage de fermeture de la plage de

dépôt, vue depuis l’amont vers le bassin de stockage et les zones de stockage temporaires des matériaux

curés.

Compte tenu de la très forte production sédimentaire et des problèmes que posent le piégeage

presque total des sédiments apportés, une idée pourrait être de scier partiellement certain

pieux.

Il faudrait définir quelle est la taille des blocs les plus gros que l’on peut se permettre de

laisser transiter en aval à travers le pont et dans la section confortée et limiter l’écartement

maximal entre pieux à 1.5 fois cette dimension.

Compte tenu de la perte de capacité de la plage liée au stockage des matériaux dans le bassin

de celle-ci, une idée complémentaire serait de réintroduire les matériaux bloqués par les pieux



G. Piton – version 0.1 – 140922 9

directement en aval de ceux-ci. Cette option doit être précédée d’une analyse détaillée de la

capacité de transfert aval en matériaux solide. Si l’aval semble plutôt en déficit, cette option

pourrait permettre de diminuer un petit peu l’accumulation sans fin de matériaux au voisinage

direct de la plage.

4. RIO JOANS

4.1 Présentation du site

Torrent au bassin versant globalement beaucoup plus stable que les deux précédents

(aujourd’hui). Le village situé sur le cône de déjection est par contre très ancien. Les archives

relèvent une activité passée très importante comme en témoigne les dimensions de la digue

réalisée pour contenir le torrent. Celle-ci serait relevée sur des archives dès le début des

années 1700. Elle est légèrement courbe et guide les écoulements vers le flanc gauche du cône

de déjection. Sa structure en pierre sèche a visiblement été réalisée en plusieurs fois. Il en

résulte un torrent perché plus d’une dizaine de mètre au-dessus de son cône et du village

attenant. Les merlons formant digues situés sur la construction plus ancienne sont non

protégés et particulièrement raides. Plusieurs traversées de chemins constituent des points bas

potentiellement propices aux débordements. Les risques de rupture des ouvrages et de

débordement vers le village ne peuvent être exclus.

Depuis la seconde guerre mondiale, aucune grosse lave n’est répertoriée, la dernière daterait

du début des années 1900. La génération de grosses laves est relevée comme étant

directement liée à l’activation de glissements de terrains dans le bassin versant. Ces dernières

avaient tendance à transporter de gros blocs selon les archives et les dimensions de quelques

blocs réutilisés dans la digue.

Lors des orages d’été, il a par contre été régulièrement observé des écoulements de lave très

liquides, transportant très peu de sédiments grossiers. Dans la section précédant le passage de

la route, des vitesses de l’ordre de 12 m/s ont été mesurées par suivi visuel de débris flottants,

vitesses clairement supérieures à ce qu’atteint normalement de l’eau claire. Lors de ces

épisodes, de débordements de boues ont parfois lieu sur la route en aval (2 fois en 23 ans),

mais la gestion des alertes par des volontaires permet l’arrêt de la circulation. Le blocage du

pont n’a pas été observé ces 20 dernières années malgré une configuration peu propice au

transit sédimentaire (section restreinte située précisément à la rupture de pente, pente aval trop

faible).

Au contraire du lit du Rio fosse, le Rio Joans présente des zones pavées et assez stables.

En amont de la plage, 5 barrages en bois sont présent (h~2.5 m) :

Deux d’entre eux (amont) datent de 1912 ! constitué de bois de mélèze, les écoulements très

calcaires ont couvert les rondins d’une couche de calcite. Des carottes ont été réalisées et ont

montré un bois toujours existant sous la gangue.

Trois barrages ont été réalisés en 2002 en même temps que la plage de dépôt. Ils ont été placé

dans la zone où la prévention des érosions de pied de versant et la lutte contre la réactivation

des glissements a été jugée prioritaire.

En complément, des drains en pierres grossières ont été réalisés et les zones de sources sont

drainées pour éviter les infiltrations.

Les arbres instables ou pouvant tomber dans le chenal sont billonnés lors de campagnes de

terrains (pins très présents dans le bassin versant).



G. Piton – version 0.1 – 140922 10

4.2 Plage de dépôt : plage à fente avec une dent centrale (sectional check dam with a central fin)

La plage a été réalisée en 2002. Elle est constituée d’un barrage autostable en béton armé avec

une dent centrale protégée par une plaque d’acier corten. La largeur des deux fentes de chaque

côté de la dent est grande (~3m). L’idée est de permettre le blocage des gros blocs.

La zone de dépôt amont est particulièrement raide et le volume est limité. Elle n’a pour le

moment jamais été curée.

Figure 12 : Vue depuis la rive droite vers l’ouvrage de fermeture de la plage de dépôt, vue depuis

l’ouvrage de fermeture vers amont et le bassin de stockage (pas d’ouvrage d’entrée et pente raide).

5. REMARQUES GENERALES

Alberto DOTTA relève l’existence de phénomène de débâcle générant des laves torrentielles

liées à des accumulations de neiges dans le lit des torrents. Ces accumulations stockent bois,

blocs, sédiments et eau et rompent brutalement, générant des sortes de lave torrentielles.

Des avalanches de fond transportant d’importants volumes de sédiments et des blocs sont

aussi parfois observées.

La ville de Bardonecchia est situé dans un contexte à haut risque torrentiels, les 4 torrents qui

la traversent sont tous très actifs. Des curages dans les rivières de fond de vallée sont

régulièrement réalisés, ils sont directement dépendant de la fourniture sédimentaire des

torrents. Des volumes de l’ordre de 10 000m3 sont ainsi régulièrement retirés des lits actifs.



G. Piton – version 0.1 – 140922 11

Région Val d’Aosta

6. TORRENT DE GRAND VALEY

6.1 Présentation du bassin versant

Le bassin versant du torrent de Grand Valey fait environ 16 km². Les pentes y sont très raides.

Une zone supérieures est particulièrement déstabilisée et génère un approvisionnement

continu de matériaux. Le lit supérieur (pente 50 à 100%) présente une disponibilité

sédimentaire immense. Des zones de stockage/déstockage de matériaux ont été repérées dans

le cours supérieur (en particulier au droit d’un bloc rocheux qui forme barrage). Des laves

torrentielles plutôt boueuses ont lieu pendant les orages d’été, les gros blocs sont plutôt rares.

Les gestionnaires ont l’impression que l’activité torrentielle augmente depuis quelques temps,

probablement du fait de la remontée du niveau du permafrost, sur d’autres bassins versants,

les pratiques culturales et en particulier l’entretien des ouvrages de drainage dans les hauts

bassins ont changées, réactivant des zones précédemment stabilisées.

Depuis les crues de 2000 (phénomène généralisé de crue dans le secteur), des travaux de

correction torrentielle ont été entrepris dans le bassin versant. A noter que le centre des

congrès avait déjà subi des débordements importants de laves torrentielles avant cette date.

En amont du site de Tromen, une plage de dépôt (pieu IPN de 1.5 m sur seuil béton armé)

avait été construite. Le site était suivi par le Politecnico de Torino en particulier sur la

question des efforts sur les poutres IPN. Celles-ci ont été détruites par une lave en 2009.

L’ouvrage a été reconstruit et un autre a été ajouté en amont direct (section IPN plus grosses).

Les laves de juillet 2014 ont rempli les deux ouvrages et de nouvelles laves transportant des

blocs métriques ont de nouveau détruit les pieux IPN des ouvrages remplis. 40 000 à 50 000

m3 de matériaux avait été extrait de ce site sur les 5 dernières années.

En aval, le torrent est canalisé entre des murs verticaux, berges et fond du torrent sont

protégés d’enrochements bétonnés. Le tracé n’est toutefois pas complètement satisfaisant :

Dans certaines sections, des virages mal conçus engendrent des débordements aux extrados, de

recalibrage sont envisagés mais les moyens financiers manquent pour faire les travaux,

Certains ponts ont des sections mal dimensionnées, des réseaux dépassent des sous-poutres ou

le profil en long est propice aux débordements (pente faible sous le pont et pont au droit de la

rupture de pente).

Des campagnes de coupes de la végétation poussant dans le lit sont régulièrement faites et

doivent être répétées régulièrement. Les débordements au droit des ponts sont régulièrement

aggravés par la présence de flottants lors des crues, comme en 2006. Les gestionnaires notent

que l’augmentation de l’activité torrentielle de ces dernières années a quelque peu « nettoyé »

la végétation dans le lit et la largeur active de ce dernier a augmenté.



G. Piton – version 0.1 – 140922 12

6.2 Plage de dépôt de Tromen : Barrage à double fente avec poutres horizontale (gap-crested double slit check dam with H-Beams)

Le site de Tromen avait fait l’objet de la construction du premier barrage filtrant de ce secteur

du Val d’Aoste (1980). L’ouvrage de 1.5 m de haut était constitué de deux fentes larges avec

des poutres aciers horizontales.

L’ouvrage avait été abîmé et une nouvelle structure a été construite en 2011 en lieu et place de

l’ancienne. Le nouveau barrage fait 14 m de haut et 2 m d’épaisseur. La largeur des fentes est

de 4 m pour permettre le passage des engins de chantiers. Des poutres aciers horizontales sont

disposées dans les fentes à intervalle régulier de l’ordre de 2 m.

Figure 13 : Vue depuis l’amont vers l’ouvrage de fermeture de la plage de dépôt, vue depuis la rive gauche

vers l’amont et le bassin de stockage (pas d’ouvrage d’entrée et pente raide).

Figure 14 : Vue depuis la rive gauche en aval de l’ouvrage de fermeture de la plage de dépôt, vue depuis

l’aval (pont sur le torrent) vers l’ouvrage de fermeture

La capacité du bassin à pente nulle est de 17 000 m3. En cas de dépôt avec une certaine pente,

celle-ci sera beaucoup plus grande.

Lors des laves de l’été 2014, quelques blocs métriques sont passés à travers le barrage. Aucun

blocage mécanique n’a été repéré. Des dépôts de 2 m en rive droite et de 50 cm en rive

gauche sont restés et seront probablement purgés par les petites crues du torrent. Les plages

de dépôts situées en amont ont largement participé au blocage des gros blocs. Malgré les

pentes fortes du chenal, des dépôts sont observés dans celui-ci à différents endroits.

Selon l’expérience des gestionnaires, les pentes de dépôt dans les plages de dépôt sont

généralement faibles pour les laves boueuses. Si la lave transporte de gros éléments, elles

peuvent être localement plus importantes, en particulier à proximité de l’ouvrage.



G. Piton – version 0.1 – 140922 13

6.3 Barrage de Graines (ouvrage hydroélectrique)

Ce petit barrage hydroélectrique a dernièrement subi des problèmes de sédimentation :

Le torrent qui avait une activité de transport sédimentaire probablement assez limitée a subit

l’apport massif de matériaux fins liés à un glissement de terrain.

Figure 15 : Vue depuis la rive droite vers le seuil de Graines (vanne de vidange sous dimensionnée sur la

gauche de la photo) – vue depuis la rive droite vers la retenue de Graines (restes de dépôt au fond et sur la

droite de la photo)

L’ouvrage de Graines est équipé d’une vanne de vidange mais celle-ci est d’une capacité très

limitée et elle ne descend pas au fond de la retenue. Lors des crues du torrent, l’ouverture de

la vanne ne permet pas une vidange optimale des matériaux déposés. La réalisation de chasses

régulières, lors de chaque crue pourrait probablement permettre un autocurage partiel du site.

Elles doivent par contre être suivi en direct afin de gérer les problèmes de flottants et d’en

observer l’efficacité.

Des accumulations de sables ont donc été observées jusqu’au niveau du seuil évacuateur de

crue. Des opérations de curage mécaniques ont dû être entreprise afin de remettre en eau la

passe à poisson et de limiter le transfert de sable dans les prises d’eau.

Le lit en amont de la retenue pourrait être propices à la création d’une zone de dépôt de

matériaux grossiers, mais dans le cas présent, les matériaux sont fins et ont une origine

quelque peu extra-ordinaire. Si le problème est récurent, une intervention à la source, au droit

du glissement de terrain pourrait être une alternative à des opérations répétées de curage du

barrage.

6.4 Barrage de Brusson (ouvrage hydroélectrique)

La retenue de Brusson est d’un autre gabarit : le barrage à contrefort de 16 m de haut a été

construit en 1930.

Figure 16 : Vue depuis la rive droite vers le barrage de Brusson (canal d’amené au premier plan et vannes

de vidanges sous le bâtiment au deuxième plan) – vue depuis la rive droite vers la retenue de Brusson



G. Piton – version 0.1 – 140922 14

La retenue forme un lac relativement large. Deux types de dépôts sédimentaires y sont

observés :

Dans l’ensemble de la retenue, des dépôts de matériaux fins (sables-limons).

Dans la partie amont, à l’entrée de la rivière dans le lac, des bancs de graviers.

L’ensemble du barrage ouvre ses vannes lors des crues, permettant un phénomène de chasse

partielle. Un chenal se creuse dans les dépôts mais les zones latérales ne sont pas érodées. Des

concentrations de matières en suspension très importantes ont été mesurées lors d’expériences

de chasses réalisées lors des hautes eaux de fontes à la fin du printemps. Le gestionnaire a

décidé par la suite de plutôt réaliser des extractions mécaniques des matériaux fins et

grossiers. Ces extractions ont lieux à intervalle réguliers lors des périodes d’arrêt machine.

A noter l’existence intéressante d’un dalot (section 2x2m ?) qui by-pass l’ensemble de la

retenue et du barrage. Cette installation permet de travailler dans la retenue « au sec » pendant

les terrassements et d’apporter une eau claire pour diluer les résidus qui s’écoulent du barrage

pendant les curages. La prise d’eau du dalot est fermée par des batardeaux en temps normal.

Figure 17 : Vue depuis l’amont vers le débouché du Torrent d’Evancon dans la retenue de Brusson :

dépôt grossiers (banc de graviers) sur la moitié gauche du chenal – tête amont du dalot de contournement

en rive droite

Après réflexion, il pourrait être intéressant d’étudier la possibilité de mettre à profit cet

ouvrage pendant les crues transportant des matériaux solides : il faudrait définir sa capacité

hydraulique et comparer celle-ci avec les débits à transiter. En fonction de la pente du dalot et

des contraintes de cisaillement, il faudrait définir si les graviers charriés par la rivière

pourraient être transférés à l’aval ou si un risque de dépôt dans l’ouvrage existe. Si le transfert

est envisageable, l’ouvrage pourrait peut-être servir de petit tunnel de by-pass.

Peut être qu’un ouvrage assez simple, de type seuil de fond mobile (structure gonflable telle

que celles existantes déjà dans la région) pourrait dévier les eaux chargées de matériaux

charriés vers le dalot. Les eaux surversantes sur la structure comporteront tout de même une

certaine charge en suspension mais la part charriée pourrait être transférée à l’aval.

Tête amont dalot



G. Piton – version 0.1 – 140922 15

Des calculs doivent être menés pour juger de la faisabilité de l’opération et il serait nécessaire

de se rendre compte de l’intérêt de l’opération en regardant quelle part des sédiments est

transportées en suspension et quelle part en charriage. L’existence du dalot est assez

exceptionnelle et il serait dommage de ne pas étudier la faisabilité de l’opération.

A noter l’organisation d’un séminaire sur les tunnels de bypass des retenues : Zurich 27-29

avril 2015 : http://www.vaw.ethz.ch/sbt-workshop15/

7. SUITES

Guillaume PITON se tient à disposition des interlocuteurs de RISBA et des services

rencontrés si d’autres échanges ou des compléments d’informations sont nécessaires.

Les photos prises lors des visites ont été géolocalisées et sont téléchargeables à l’adresse suivante avec le fichier de géo référencement de synthèse (.kml – lecture via googlearth). Archive disponible 20 jours : http://download.grenoble.cemagref.fr/izcjdcp

Encore un grand merci pour ces visites.

Guillaume PITON

22/09/2014

http://www.vaw.ethz.ch/sbt-workshop15/

http://download.grenoble.cemagref.fr/izcjdcp

Visites non exhaustives des plages de dépôt majeures du 05-38-73-74 – Octobre 2014

IRSTEA :G.Piton – C. Carbonari 1

France

Département des Hautes Alpes, de l’Isère de la Savoie et de la Haute Savoie

Visites non exhaustives des plages de dépôt majeures

Compte rendu des visites d’octobre 2014

----

Version 0.1 - 141015

---- G.Piton – C. Carbonari

Conditions d’exécution

de la mission :

Projet européen RISBA


Guillaume Piton

Alain Recking

Costanza Carbonari

Personnes ayant

participé à la visite :

-

Personnes rencontrées

sur site :

-

1. CONTEXTE DE LA VISITE DE TERRAIN

Visites des plages de dépôts principales des Alpes visant à préparer les essais sur modèle

physique prévu courant automne 2014.

Les mesures de pentes et de dimensions ont été réalisées au Télémètre laser en complément de

mesures sur photo aérienne géoportail.



Contenu

1. Contexte de la visite de terrain ....................................................................................... 1 2. Paramètres géométriques descriptifs .............................................................................. 3

3. Ouvrages du 05 ............................................................................................................... 5 3.1 Le torrent de Chiei à Veynes .................................................................................. 5 3.2 La Béoux à Veynes ................................................................................................ 6 3.3 Le Rif de l’Arc à la Roche des arnauds .................................................................. 8 3.4 Le Verdarel à St Chaffrey .................................................................................... 10

3.5 Torrent de Sachas à Puy St Andre ........................................................................ 11 4. Ouvrages du 38 ............................................................................................................. 13

4.1 La Roize à Voreppe .............................................................................................. 13 4.2 Le Lavanchon à St Paul de Varce ........................................................................ 14 4.3 La Lampe à St Paul de Varce ............................................................................... 16

4.4 La Gresse à Gresse en Vercors ............................................................................. 18 4.5 Le clot du Roux à Gresse en Vercors ................................................................... 20

4.6 Le torrent des Fraches à Chichilianne .................................................................. 21 4.7 Le torrent des Arches à Chichilianne ................................................................... 22 4.8 L’Ebron à Treminis .............................................................................................. 24 4.9 Le Merdaret Amont à Chantelouve ...................................................................... 26

4.10 Le Merdaret Aval à Chantelouve ......................................................................... 27 4.11 Le torrent des Palles à Chantelouve ..................................................................... 28 4.12 La Lignarre à Oulles ............................................................................................. 29

5. Ouvrages du 73 ............................................................................................................. 31 5.1 Le Ruisseau de St Clément à Tours en Savoie ..................................................... 31 5.2 L’Arvan à St Jean de Maurienne .......................................................................... 34

5.3 Le Clinel à Pontamafrey ....................................................................................... 35 5.4 La Ravoire de Pontamafrey à Pontamafrey .......................................................... 37

5.5 Le Torrent de St Julien à St Julien Montdenis ..................................................... 38

5.6 Le Claret à St Julien Montdenis ........................................................................... 40

5.7 Le St Bernard amont ............................................................................................ 42 5.8 Le St Bernard aval ................................................................................................ 43

5.9 Le Nant Croex à Ugine ......................................................................................... 44 6. Ouvrages du 74 ............................................................................................................. 46

6.1 Le Nant Rouge aux Contamines Montjoies ......................................................... 46 6.2 Le torrent des Favrand à Chamonix ..................................................................... 47 6.3 Le Nant Bordon à Passy ....................................................................................... 49

6.4 Le torrent de Reninge à Sallanches ...................................................................... 51 7. Analyse statistique des formes et pentes des plages de dépôts .................................... 53

7.1 Pente des bassins et des dépôts ............................................................................ 53 7.2 Caractéristiques géométriques .............................................................................. 54



2. PARAMETRES GEOMETRIQUES DESCRIPTIFS

Afin de déterminer quelle forme de bassin était le plus pertinent de tester dans les recherches

sur modèle physique, des mesures des largeurs et longueurs des plages de dépôts visitées ont

été réalisées. Trois paramètres géométriques indépendants et adimensionnels ont été calculés

pour chaque ouvrage mesuré :

A, L’allongement (Lenghtening) représente l’allongement du bassin :

Avec Lmax la longueur du bassin (m) et Wmax la largeur maximum du bassin (m).

Figure 1 : Formes simplifiées respectant les valeur d’allongement indiquées, les deux formes extrêmes (1

et 5)sont simplement illustrative de l’effet de la variation d’un paramètre, la forme du milieu illustre la

valeur médiane de l’échantillon et les 2ème

et 4ème

formes illustrent les quantiles 20% et 80% de

l’échantillon [Carbonari, 2015]

C, la compacité (Compactness) représente la compacité du bassin : elle compare la surface

prise par le bassin avec un rectangle de largeur égale à Lmax et de longueur égale à Wmax.

Un bassin avec une compacité de 1 a une forme rectangulaire et occupe l’ensemble de la

surface définit par son rapport d’aspect ; un bassin avec une compacité de 0,5 a une forme

ayant une surface similaire à celle d’un losange ou d’un triangle et occupe la moitié de la

surface définit par son rapport d’aspect , etc.

∑

Avec Σsubareas la somme des surface des subsurface autrement dit la surface total du bassin

(m²).

Figure 2 : Formes simplifiées respectant les valeurs de compacité indiquées, les deux formes extrêmes (1 et

5)sont simplement illustrative de l’effet de la variation d’un paramètre, la forme du milieu illustre la


et 4ème





E, l’extrenticité (Eccentricity) représente la répartition de la surface du bassin entre l’amont

et l’aval de celui-ci.

∑ ∑

Avec Lbar, l’abscisse des barycentres des sub-surface, que multiplie la surface de chaque

subsurface.

Figure 3 : Formes simplifiées respectant les valeurs d’excentricité indiquées, les deux formes extrêmes (1

et 5)sont simplement illustrative de l’effet de la variation d’un paramètre, la forme du milieu illustre la


et 4ème



Deux autres paramètres ont été initialement mesuré mais finalement abandonné dans l’analyse

statistique :

La longueur relative :

√

La largeur relative :

√

En complément, les pentes ont été mesurées tel qu’illustré sur la figure suivante :

Pente de la plage et

Pente du dépôt :

Figure 4 Illustration des différentes pentes que nous avons mesuré (image de [Piton and Recking, 2015]

L’analyse statistique de ces grandeurs est fournie en fin de document.

Sbasin

Sdeposit



3. OUVRAGES DU 05

3.1 Le torrent de Chiei à Veynes

La vue aérienne du site est la suivante :

Vue aérienne (source fond de plan : IGN geoportail)

Ouvrage à grand pertuis équipée d’une grille horizontale

Selon les mesures prises, la plage de dépôt présente les caractéristiques suivantes :

Longueur : 78 m

Largeur max : 18 m

Pente du bassin : 7,4 %

On note :

Un forme de bassin dissymétrique générant des dépôts en rive droite qui ne doivent

pas pouvoir être ré-érodé.

La présence d’un ouvrage amont de 2.1 m de haut,



Les traces d’un curage récent, la pente des

dépôts a été estimée à 8,7 %,

Les dépôts ont visiblement eu lieux

préférentiellement dans la partie amont du

bassin : au pied de l’ouvrage amont. Les

dépôts (dépôts récents en rive gauche) y

atteignaient une hauteur de l’ordre de 1.2 m

et devaient s’arrêter à environ 20-25 m de

l’ouvrage amont. La végétation à proximité

de l’ouvrage de fermeture ne montrait pas de

trace de recouvrement par les dépôts.

Ouvrage amont et traces de dépôt

3.2 La Béoux à Veynes



Ouvrage peigne avec 32 pieux métalliques de 3 m de haut


Longueur : >1500 m de zone de tressage (216 m mesuré)

Traces

dépôt



Largeur max : ~ 110 m

Longueur relative : 3.69 pour 1500 m

Largeur relative : 0.27 pour 1500 m

Pente du bassin : ~2.4 %

On note :

La présence d’une grande zone de divagation et de tressage en amont,

L’ouvrage est initialement dédié au piégeage des flottants pour protéger le pont aval à

la conception sensible aux embâcles. L’accumulation de flottants en amont générera

une perte de charges et des dépôts dont l’étendu est difficilement estimable.

Pont aval vue depuis le piège

La digue qui protège la zone industrielle en RG semble assez basse, de l’ordre de 1.5

m au-dessus du lit (contre 3m pour les dents du peigne). Toutefois nous n’avons pas

d’idée des débits instantanés et des hauteurs d’eau que prennent les crues sur le site.

Le peigne présente une forme d’arc convexe dans le sens du flux . Aucun dépôt

significatif de flottants n’a été observé au moment de la visite.

Digue amont RG et pieux au premier plan



3.3 Le Rif de l’Arc à la Roche des arnauds


Ouvrage à fente équipée d’une grille horizontale


Longueur : ~130 m

Largeur max : ~ 48.5m

Pente du bassin : ~ 3.2%



On note :

La présence d’un ouvrage amont de 1.4 m de haut avec les dépôts le jour de la visite et

d’une zone de divagation amont qui n’a pas été visitée.

Le dépôt de matériaux jusqu’à environ le quart de la hauteur de la grille, elle-même

embâclée par des flottants de petite taille jusqu’à mi-hauteur.

La trace de l’avancée d’un front de delta de dépôt grossier en amont de la perte de

charge générée par la fente et l’embâcle. Dépôt latéraux de limons laissant penser

l’accumulation temporaire d’eau en amont de l’ouvrage de fermeture.

Traces de front deltaïque et dépôt de fine dans ancien remous liquide

L’absence de trace de curage récent (arbustes de plusieurs années sur les dépôts),

Traces de dépôts de sables dans les zones latérales, probablement liée à un épisode de

stockage d’eau dans la partie aval du bassin et à sédimentation de la charge en

suspension.



3.4 Le Verdarel à St Chaffrey



L’ouvrage pourrait en réalité être considéré comme comprenant 4 plages de dépôt en série.

Vue depuis la RD

Ouvrage peigne avec 3 dents du dernier ouvrage de fermeture



Vue amont sur les 3 merlons-plages de dépôts amont


Longueur : ~ 290 m


Longueur relative : 1.88

Largeur relative : 0.53

Pente du bassin : ~ 16.814.812.015.1% sur les 4 étages.

On note :

L’absence d’ouvrage amont,

L’absence de curage récent,

Des informations sur l’ouvrage et les crues passées sont disponibles sur des panneaux.

On retient en particulier la crue du 1er

septembre 2005 durant laquelle de gros blocs

ont bloqué mécaniquement les ouvertures entre les dents.

3.5 Torrent de Sachas à Puy St Andre




Ouvrage à double fente large équipée d’une grille horizontale


Longueur : ~ 340 m (300 m de partie sup et 40 m de partie inf)




Pente du bassin : ~ 9.1% dans la partie sup

Pente du bassin : ~ 5.6% dans la partie inf

On note :

L’organisation de l’ouvrage en deux parties :

o une zone de dépôt amont avec une largeur importante comparée à la largeur

naturelle du lit du torrent, une pente qui semble la pente naturelle du cône de

déjection et l’absence d’ouvrage amont,

o une zone de dépôt aval de forme trapèze située à proximité de l’ouvrage de

fermeture, aussi large que la zone amont, à la pente plus faible et équipée

d’ouvrage béton armés : un seuil amont, des murs latéraux et un ouvrage de

fermeture de 6 m de haut.

Absence de trace de curage récent dans la zone de dépôt amont.

Traces de curage dans la zone de dépôt terminal.

La partie supérieure ne présente pas des dépôts récents comme en témoigne la

présence de plantes bien développées sur la majorité de la surface de la plage de dépôt.

Cette caractéristique s’accorde aux conditions du lit à l’amont de la plage (lit

stabilisé).

Lit amont à la plage de dépôt à l’aspect très stable (structures de Step-pool) et

transportant peu de sédiments.

Traces d’un curage léger dans la partie aval rive gauche.



4. OUVRAGES DU 38

4.1 La Roize à Voreppe


Vue aérienne (source fond de plan : Google satellite)

Ouvrage à 5 pertuis


Longueur : ~ 70 m





On note :

Absence d’ouvrage amont,

Curage récent,





suspension.

Dépôt sélectif de sable probablement transporté en suspension dans le remous liquide du barrage,

recouvert par le suite par des matériaux charriés

4.2 Le Lavanchon à St Paul de Varce


barrage

Vue aérienne (source fond de plan : Google satellite) et vues d’aval et d’amont de l’ouvrage de fermeture




Longueur : ~ 170 m




Pente du bassin : ~ 9%

Pente des dépôts : ~ 5.3%

On note :

Ouvrage de fermeture embâclé sur une hauteur de l’ordre de 2 m par des débris

ligneux.

Dépôts de laves torrentielles plus ou moins anciens qui ont été remaniés et lissés par

les crues jusqu’à cette hauteur de 2 m au droit de l’ouvrage de fermeture.

Dépôt d’une lave torrentielle récente, dont on observe clairement le front avec son

point d’arrêt, dans la queue de retenue : épaisseur de l’ordre de 70 cm, pente de

surface ~ 11.0%.

Dépôt de lave en partie amont de la plage de dépôt

Absence d’ouvrage amont.



4.3 La Lampe à St Paul de Varce


Vue aérienne (source fond de plan : Google satellite)

Vue d’amont de l’ouvrage de fermeture


Longueur : ~ 60 m







On note :

Ouvrage de fermeture fendu au niveau des deux ailes,

Barres du pertuis centrales déposées et stockées en vrac en aval direct du barrage

Vue d’aval de l’ouvrage de fermeture

Absence d’ouvrage amont

Lit à l’amont de la plage très incisé.



4.4 La Gresse à Gresse en Vercors


Ouvrage à barbacanes de grandes dimensions

L’ouvrage est en réalité complétement atterrit et il semble que ce soit le cas depuis longtemps.

Vue d’amont du barrage de fermeture




Longueur : ~ 63m

Largeur max : ~ 43m


Largeur relative : 0,83



On note :

Ouvrage aval qu’on ne peut considérer comme barrage filtrant ayant des ouvertures

qui sont plus des barbacanes que des pertuis et qui permettent tout juste le drainage

des matériaux déposés,


L’absence de trace de curage récent,

La présence d’accumulation de flottants dans le bassin au niveau des extrémités des

ailes : zones de recirculation des écoulements mais qui ne subit pas d’écoulement

direct. Des fronts raides de type deltaïque laissent aussi penser que les dépôts

approchent ses zones d’accumulation d’eau stagnante mais ne les remplissent que

rarement.

Dépôt en amont de l’aile gauche : témoins d’un contrôle hydraulique des dépôts dans ce secteur : flottants,

limons et front deltaïques

Accumulation

de flottants

Front raide de

dépôt dans zones

d’eau stagnante

Dépôt de limons

(absent dans le

centre de l’ouvrage)



4.5 Le clot du Roux à Gresse en Vercors


Ouvrage à pertuis


Longueur : ~ 35m





Pente amont d’un chenal incisé : ~18%

On note :

La présence d’un ouvrage amont de quelques mètres de haut et particulièrement

déstabilisé au niveau du pied.

Des traces de curages récents

Un lit à l’aval de la plage avec des traces de respirations remarquables. On traverse

plusieurs élargissements de section où des dépôts supplémentaires peuvent avoir lieu.



4.6 Le torrent des Fraches à Chichilianne


Ouvrage à large fente équipée d’une grille horizontale




Longueur : ~ 375 m (220 m mesuré)




Pente du bassin : ~ %

Pente des dépôts : ~12.3 % sur 220 m aval de la plage : zone élargie

Pente des dépôts : ~11.8 % sur 80 m aval au pied du barrage naturel en roche situé

à l’extrémité amont de la zone de dépôt : zone étroite,

Pente des dépôts : ~8,6 % sur 70 m amont à a crête barrage naturel en roche situé à

l’extrémité amont de la zone de dépôt : zone étroite qui a probablement été lessivé par

les crues précédentes,

On note :

La présence d’un affleurement de roche mère qui joue le rôle d’un ouvrage amont de 5

à 7 m de haut,

Absence de trace de curage récent,

L’embâclement complet de la grille aval par des flottants de petite taille,

Une érosion importante de la digue RG qui n’était pas protégée.

Un lit à l’aval de la plage avec une série de seuils.

Vue d’amont et d’aval de l’érosion de digue en RG

4.7 Le torrent des Arches à Chichilianne




Ouvrage à pertuis durablement atterris


Longueur : ~370 m (220 m mesuré)




Pente du bassin : ~ ?%


On note :

La présence d’un ouvrage amont situé à très grande distance.

L’ouvrage n’est plus curé jusqu’au pied des pertuis mais est plus utilisé comme une

zone de divagation à l’amont d’un barrage de correction.

A côté de la plage, en rive gauche, il y a une grande carrière d’exploitation des

matériaux charriés.



4.8 L’Ebron à Treminis


Ouvrage à fente large




Longueur : ~ 1000 m (500 m mesuré)

Largeur max : ~ 55m



Pente du bassin : ~14,9 %

On note :


L’installation à demeure d’engins de curage et d’une zone de tri des matériaux

extraits,

L’ouvrage initialement conçu comme un ouvrage à petits pertuis a visiblement été

découpé pour augmenter la capacité de passage et renforcé sur l’amont.

A l’intérieur de la zone de dépôt, on remarque à différentes échelles (quelques mètres

à 100-200 mètres), des traces de chenalisation/dépôts aval qui font penser aux dunes à

forte pente décrites par V. Koulinski dans sa thèse (1993).

Des restes d’arbres enterrés sur plusieurs mètres de haut sont visibles en amont de

l’ouvrage. Il serait intéressant de déterminé si cet enterrement est lié à la plage de

dépôt ou est antérieur à la construction de l’ouvrage.

Arbres enterré sous des terrasses plus récentes mais déjà végétalisé



4.9 Le Merdaret Amont à Chantelouve


Ouvrage à quintuple petit pertuis


Longueur : ~ 110 m

Largeur max : ~ 34m




Pente des dépôts : ~16-17% (mesure du 6 août)

On note :

Le remplissage complet de l’ouvrage suite à la crue d’août 2014 et peut être avant.



4.10 Le Merdaret Aval à Chantelouve


Ouvrage à triple pertuis de petite taille


Longueur : ~ 283 m




Pente du dépôt : ~ 10.2% mesurée le 6/8/14

On note :

La présence d’ouvrage amont sous la forme du passage à gué sur la route,

Le remplissage complet de l’ouvrage suite à la crue d’août 2014 et peut être avant.



4.11 Le torrent des Palles à Chantelouve


Ouvrage atterrit suite à la crue d’août 2014

Ouvrage à triple pertuis de petite dimension




Longueur : ~ 78 m

Largeur max : ~ 33m




Pente des dépôt : ~ 11.7 % mesuré dans la partie aval des dépôts le 6/9/14

Pente des dépôt : ~ 14 à 18% mesuré dans la partie amont des dépôts le 6/9/14

On note :

La présence de barrages de corrections en amont.



suspension.

4.12 La Lignarre à Oulles




Grand barrage aval avec plusieurs autres petits barrages en amont

Petit barrage peigne avec 4 dents


Longueur : ~120+300 m de divagation en amont du peigne





On note :

L’absence d’ouvrage amont en amont du peigne, peigne faisant office d’ouvrage

amont de la zone effectivement curée.


Sur presque toute la longueur de la plage et dans le lit à l’amont on observe des

surfaces importantes, surtout latérales, arborées : terrasses végétalisées.

Présence de grandes quantités de flottants. Il semble d’ailleurs que le peigne ai été

embâclé à une époque : les dépôts amont au peigne ont un aspect et un niveau qui

semble cohérent avec une perte de charge au droit du peigne égale à sa hauteur, c-a-d à

son embâclement et à un contrôle hydraulique des dépôts en amont.



Vue vers l’amont et les dépôts dans le bassin amont au peigne : niveau homogène et similaire à celui du

sommet des dents et front deltaïque sur la droite : trace d’un dépôt sous contrôle hydraulique

5. OUVRAGES DU 73

5.1 Le Ruisseau de St Clément à Tours en Savoie


Ouvrage de plage en parallèle avec chenal d’écoulement de basses eaux, ouvrage de

dérivation (coursier protégé par des enrochements immédiatement à l’amont du barrage

filtrant en poutres horizontales sur le lit du torrent), bassin sur creusé, digues latérale et

ouvrage de fermeture (grille de sortie en poutres horizontales).



Vue depuis la digue latérale vers l’aval du bassin et l’ouvrage de fermeture

Vue depuis la digue latérale vers l’amont de l’ouvrage : bassin surcreusé, ouvrage de dérivation



Ouvrage de dérivation

Ouvrage à fente équipée d’une grille horizontale


Longueur : ~ 245 m




Pente du bassin : ~ 19.7 % dans la partie amont, 5.2 % au fond de la partie

surcreusée.



On note :

Dans la partie amont la présence d’un pré visiblement pâturé.

Dans la partie surcreusée la présence d’arbustes et d’arbres recouvrant toute la surface,

Absence de sédiments déposés dans la plage de dépôt,

Ces aspects font penser que le torrent a une faible activité torrentielle de fond mais un

fonctionnement erratique lié aux processus de versant (ouvrage qui sert aussi au

stockage des avalanches).

5.2 L’Arvan à St Jean de Maurienne




Longueur : >1000 m de lit divaguant






Pente du bassin : ~2.0 % (mesuré sur 120 m de distance)

On note :

La présence de déchet de démolition

Le lit divaguant est caractérisé par la présence d’arbres et arbustes sur plusieurs

sections transversales.

5.3 Le Clinel à Pontamafrey


Ouvrage parallèle en dérivation

Vue d’amont rive gauche du canal de basses eaux, de l’ouvrage de dérivation, du bassin, de l’ouvrage de

fermeture et des digues latérale associées



Ouvrage fente équipée d’une grille horizontale


Longueur : ~ 50 m





Pente des dépôts : ~6.7% dans la partie basse du bassin

On note :

Le canal de basse eaux et l’ouvrage de dérivation font figure d’ouvrage amont,




5.4 La Ravoire de Pontamafrey à Pontamafrey


Ouvrage fente avec 1 ou 2 poutres acier horizontales


Longueur : ~ 90 m







Pente des dépôt mesuré à 8.7% par le RTM suite à la crue de 2014. Le dépôt

maximum était manifestement plus haut et moins raide et une vidange partielle a

permis d’atteindre cette pente relativement forte pour une lave boueuse.

On note :


Le remplissage partiel lié aux laves de l’été 2014.

Le blocage mécanique de blocs contre la poutre acier inférieure. La poutre acier

supérieur ayant disparu suite aux laves de l’été 2014.

Le dépôt de blocs de 3-4 m de diamètre au centre de la plage.

Dépôt de blocs plurimétrique dans le centre de la plage

5.5 Le Torrent de St Julien à St Julien Montdenis




Ouvrage à grande fente


Longueur : ~ 130 m





On note :

L’implantation de l’ouvrage sur un tronçon déjà équipé de nombreux barrages.

Absence de trace de curage récent, traces de laves torrentielles remaniées par les crues

successives,

L’existence d’une correction torrentielle couvrant l’ensemble du lit du torrent en aval

de la plage de dépôt : barrage, seuils, chenalisation, pont canal.



5.6 Le Claret à St Julien Montdenis


Ouvrage à double grand pertuis




Longueur : ~ 115 m




Pente du bassin : ~12-14 %

Pente des dépôts : 7.5%

On note :

Le remplissage complet de l’ouvrage,

L’embâclement du pertuis supérieur par un morceau de barrage de correction !

Aile d’un barrage de correction embâclant le pertuis supérieur

Un très court tronçon entre le barrage à double grand pertuis et le dalot passant sous le

EDF juste à l’aval (la plage de dépôt et son ouvrage de fermeture ont le but de

protéger le dalot du canal EDF) ; le lit de ce tronçon est en béton fort abimé.



5.7 Le St Bernard amont


Ouvrage fente de grande taille


Longueur : ~ 80 m





On note :




5.8 Le St Bernard aval


Ouvrage à fente large


Longueur : ~ 120 m





On note :

La présence d’un radier en enrochement bétonné faisant office d’ouvrage amont,



Radier amont faisant office d’ouvrage amont

5.9 Le Nant Croex à Ugine




Ouvrage à fente large équipée d’une grille horizontale


Longueur : ~ 65 m



Largeur relative : 0,63


Pente du chenal amont : ~23,6%

Pente des dépôts : ~ 21,4%

On note :


Traces de dépôt en RG directement sur au voisinage de la rupture de pente entre

chenal amont et bassin, dépôt largement ré-érodé et répartis dans la plage de dépôt.

Vue vers l’amont : étalement des matériaux érodé du dépôt amont

Dépôt à la rupture

de pente

(S~21,4%)

Chenal d’érosion

dans les dépôts

anciens (S~23,6%)

Dépôt de ré-

érosion (S~8,1%)



6. OUVRAGES DU 74

6.1 Le Nant Rouge aux Contamines Montjoies


Ouvrage à multiple pertuis horizontaux


Longueur : ~ 400 - 600 m (200 m mesuré)


Longueur relative : 4.3 (2.7 mesuré)

Largeur relative : 0.23 (0.37 mesuré)



Pente du bassin : ~ 3.8 %

On note :


6.2 Le torrent des Favrand à Chamonix


Ouvrage de dépôt sans barrage de fermeture, mais utilisant l’élargissement et la rupture de

pente pour promouvoir les dépôts.



Longueur : ~ 120 m





Pente des dépôts : deux mesures : 12.6% et 11.4%

On note :



La présence de 3 ouvrages amont particulièrement hauts : il s’agit de barrages avec

léger déversoir de forme trapézoïdale ; ils ne sont pas parallèles entre eux ; le plus à

l’aval présente la crête avec des blocs manquant signe de l’impact des gros blocs

charriés.

Ouvrage amont

L’absence de trace de curage récent : arbustes de plusieurs années dans le bassin.

Les gros blocs apportés par le torrent sont mis de côté et stockés dans le bassin.

Les traces latérales de deux remplissages différents. Les remplissages font penser à

des laves torrentielles d’origine morainique étant donné la présence de gros blocs

granitique dans une matrice granulaire du même matériel (pas de matrice boueuse).

Le traces de remplissage ont étés observées sur le côté droite de la plage. Les traces

sont moins claires sur la rive gauche : à cause de la direction d’alimentation des

barrages amont et de l’asymétrie du bassin : plus vaste en rive gauche.



6.3 Le Nant Bordon à Passy


Ouvrage de fermeture partiellement embâclé



Ouvrage de fermeture vue d’amont


Longueur : ~ 80 m

Largeur max : ~ 90m




Pente des dépôts : ~ 4.1% sur les dépôts inférieur probablement de lave

Pente des dépôts : ~ 16.0% sur les dépôts situés au pied des barrages, probablement

de charriage.

On note :

La présence des quatre ouvrages amont : quatre barrages avec déversoir en forme

trapèze,

Curage récent,



suspension.



6.4 Le torrent de Reninge à Sallanches


Ouvrage en dérivation avec canal de basses-eaux, ouvrage fermeture, bassin surcreusé et

canal d’évacuation

Vue d’amont : canal de basses eaux, bassins et ouvrage de terminaison



Ouvrage de fermeture assurant la dérivation vers le bassin



Longueur : ~ 82 m

Largeur max : ~ 31m



Pente du canal de basses eaux: ~6.0 %

Pente fond : >3.8% (reste de dépôt au fond empéchant de mesurer la pente

réelle).

Pente des dépôt : ~ 4.9 % mesuré sur les dépôts dans la partie aval.

On note :

Les traces d’un curage partiel récent.



7. ANALYSE STATISTIQUE DES FORMES ET PENTES DES PLAGES DE

DEPOTS

7.1 Pente des bassins et des dépôts

La figure suivante illustre la répartition statistique des pentes des bassins (à gauche) et des

dépôts (à droites).

Statistique des pentes des bassins et des dépôts pour l’ensemble de l’échantillon (graphs du haut) et pour

les torrents ne présentant pas de laves torrentielles (graph du bas)

On remarque que les pentes des bassins et des dépôts sont plus raides sur l’ensemble de

l’échantillon comprenant les torrents à lave que sur l’échantillon sans ces derniers.

Les pentes de bassins sont plus raides parce qu’elles sont directement liées aux pentes des

cônes de déjection, généralement plus raides sur les torrents à laves.

Les pentes des dépôts suivent le même schéma probablement parce que les laves observées

sont des laves de torrent calcaires, relativement peu chargées en argile. Les mesures réalisées

sur la plages du St Antoine de Modane après la lave boueuse de l’été 2014 montraient aux

contraire des mesures de pentes de 3%.

Pente du bassin et des dépôts en fonction de la surface du BV et statistique générales

On constate l’absence d’influence de la surface du BV sur ces deux paramètres. On rencontre

des torrents très actifs comme très peu actifs, c’est-à-dire avec des pentes fortes et faible pour

toutes surfaces de bassin versant (on a limité le graphique à une surface maximum de 25 km²).

Ce résultat ne serait probablement pas confirmé pour de plus grand bassin versant.



Le graphique suivant croise pente de bassin et pente de dépôt.

Comparaison croisée des pentes des bassins et des dépôts :

On voit ainsi que les pentes croissent quand on passe des torrents à charriages aux torrents

mixtes, puis encore des torrents mixtes aux torrents à laves torrentielles.

On n’observe toutefois pas de tendance claire entre les deux valeurs de pentes : le rapport

Sdepot/Sbasin n’est pas stable. L’équation classique [Sabo Division, 2000; Böll et al., 2008]

Sdepot/Sbasin=2/3 n’est pas confirmée dans l’ensemble de l’échantillon et doit être utilisée avec

prudence et après ré-analyse sur le site.

7.2 Caractéristiques géométriques

Valeur statistique des trois paramètres adimensionnels présenté en début de note sur l’ensemble de

l’échantillon



On constate que :

L’allongement des bassins des plages de dépôt varie beaucoup, en réalité ceci dépend de

l’installation de l’ouvrage :

o Si ce dernier présente clairement un bassin élargi en amont de l’ouvrage, cette partie

élargie dépasse rarement 2 à 4 fois sa largeur,

o Si l’ouvrage est simplement situé dans le lit du torrent, ce paramètre de rapport

d’allongement perd de sa significativité puisqu’il n’existe pas de bassin clairement

établi.

La compacité varie peu autour de 0,7 ; de l’ordre de 0,6 pour les bassins les plus élargis par

rapport au torrent, elle tend vers 1 pour les ouvrages sans bassin élargi situé dans le lit.

L’excentricité varie aussi peu atour de 0,5 laissant entendre que les bassins ont souvent des

parties divergentes presque symétriques à leur partie convergente.

Les plages de dépôt présentant la forme caractéristique de poire illustrée dans la Figure 4, n’a

été observée que dans quelques torrents à lave torrentielle. La majorité du temps, la

topographique locale et les contraintes foncières dictent la forme du bassin de l’ouvrage.

Influence des processus

Si on mène la même analyse en triant les torrents en fonction du type d’apport :

Valeur statistique des trois paramètres adimensionnels présenté en début de note sur l’ensemble de

l’échantillon en fonction des types d’apports



On constate que les allongements ont tendance à grandir dans les torrents à lave, c’est la trace

de ces barrages filtrants construits directement dans le lit des torrents et sans bassin sur-élargi

(St Julien en Maurienne, Ebron, Arches et Fraches en Isère, Nant Rouge en Haute Savoie,

etc.).

Les autres statistiques varient mais finalement pas de façon significative, l’échantillonnage

influence probablement beaucoup les semblants de tendances observées.

Nous avons ensuite cherché si des corrélations entre paramètres de formes existaient.

Corrélation entre variables

Graphiques traçant les valeurs des paramètres adimensionnels 2 à 2, leur statistiques (boxplot) et en vert,

l’ajustement linéaire entre les deux variables et en rouge la moyenne mobile

On relève que la compacité a tendance à augmenter pour des valeurs grandes d’allongement,

c’est un résultat lié à la tendance des plages très longues de ne pas être sur-élargies et donc

d’avoir un bassin de forme presque rectangulaire, donc avec une compacité proche de 1.

Les autres variables ne sont pas fortement statistiquement corrélées et l’échantillonnage joue

un rôle fort sur les semblants de tendances observables.

Les quantiles des différentes grandeurs mesurées ou tirées de la littérature sont les suivants :

Indicateur Min Quantile

5%

Quantile

20% Médiane

Quantile

80%

Quantile

95% Max

Superifice

Bassin versant

[km²] 0.4 0.64 0.9 3.9 11.92 35.6 220

Volume

ouvrage [m3] 700 2 500 5 000 12 000 27 000 118 000 300 000

Longueur

bassin [m] 33.7 54.5 76.6 117 225 426.2 900

Largeur bassin

[m] 17 20.7 27 36.5 67.8 94.4 110

Pente bassin

[%] 2 2.38 4.28 10.6 14.42 15.6 23.2

Pente depôt [%] 0.1 1.15 2.9 5.75 10.2 13.35 16.5

Allongement [-

] 0.9 1.6 2.0 2.7 4.6 8.9 10

Compacité [-] 0.56 0.57 0.65 0.71 0.83 0.95 1

Excentricité [-] 0.39 0.42 0.46 0.49 0.52 0.54 0.62

Département des Hautes Alpes, de l’Isère de la Savoie et de la Haute Savoie–Visite des plages de dépôt

IRSTEA :G.Piton – C. Carbonari – 16 février 2015 57

Dép Commune Nom torrent Apport Sbv Volume Hauteur Pente

bassin

Pente

dépôt Longueur Largeur Superficie Allongement Compacite Excentricite

C/M/L km² m3 m % % m m m²

05 La Roche-Des-Arnauds Béoux C NA NA NA 2.4 NA 216 110 23440 1.96 0.99 0.49

05 La Roche-Des-Arnauds Le Rif De L'Arc C 8.9 11000 2.6 3.2 2.9 130 48.5 3502 2.68 0.56 0.45

05 Puy-St-André Sachas C 14.8 7000 5.0 10.5 NA 336 98 23842 3.43 0.72 0.45

05 St-Chaffray Verdarel tot L 2.3 50000 2.5 15 NA 264 75 12345 3.52 0.62 0.39

05 Veyne Chiei C 0.4 8000 3.0 7.4 8.7 78 18 928 4.33 0.66 0.46

38 Chantelouve Palles M 0.7 5000 4.0 NA 7 78 32.8 1741 2.38 0.68 0.53

38 Chantelouve Merdaret amont M 0.9 8000 5.0 NA 16.5 110 37 3183 2.67 0.78 0.48

38 Chantelouve Merdaret aval M 3.8 12000 5.0 NA 10.2 283 53 10417 5.34 0.69 0.4

38 Chichilianne Fraches L 0.9 5000 4.0 NA 12.3 218 54 8071 4.04 0.69 0.52

38 Chichilianne Arches L 1.2 2500 2.5 NA 10.8 220 26 4875 8.46 0.85 0.52

38 Gresse en Vercors Gresse M 1.7 5000 5.0 11 1.5 63 43 1570 1.47 0.58 0.62

38 Gresse en Vercors Clot Du Roux M 0.7 6000 NA 23.2 NA 33.7 17 491 1.98 0.86 0.48

38 Oulles Lignarre C 46.0 10000 10.0 NA NA 110 66 5939 1.67 0.82 0.46

38 St-Paul-De-Varces Lavanchon M 7.7 14000 5.7 9 5.3 167 26 3868 6.42 0.89 0.51

38 St-Paul-De-Varces Lampe M 0.6 5000 NA 9 NA 60 28.7 1094 2.09 0.64 0.49

38 Tréminis Ebron L 3.9 100000 5.0 14.9 NA 500 54 23545 9.26 0.87 0.48

38 Voreppe Roize C 10.0 2500 3.0 4.4 NA 71 31.3 1510 2.27 0.68 0.48

73 Pontamafrey Ravoire L 3.9 23000 7.0 NA NA 90 50 3640 1.8 0.81 0.48

73 Pontamafrey Clinel C 0.8 700 3.0 15.2 NA 50 27 1085 1.85 0.8 0.49

73 St Jean de Maurienne Arvan C 220.0 130000 3.0 2 2 900 90 67013 10 0.83 0.51

73 St-Julien-Montdenis Claret L 2.9 23000 8.0 13 7.5 115 60 3840 1.92 0.56 0.48

73 St-Julien-Montdenis St Julien L 20.0 20000 NA 10.9 NA 132 30 2561 4.4 0.65 0.52

73 St-Martin-la-Porte St-Bernard

amont L 16.0 15000 7.5 11.4 NA 80 32 1653 2.5 0.65 0.54

73 St-Martin-la-Porte St-Bernard aval L 16.2 20000 7.5 10.7 NA 120 36 3023 3.33 0.7 0.52

73 Tours-en-Savoie St Clément L 10.0 40000 10.0 14.3 0.1 245 81 15741 3.02 0.79 0.54

73 Ugine Nant Croex L 2.8 18000 6.0 8.1 NA 61 24 1046 2.54 0.8 0.51

74 Chamonix Favrand M 5.6 25000 0.0 NA 6.2 119 32 2992 3.72 0.79 0.48

74 Les Contamines-Montjoie Nant Rouge L 9.8 300000 18.0 NA 3.8 200 27 3744 7.41 0.69 0.47

74 Passy Nant Bordon M 4.1 30000 3.0 NA 4.1 80.3 90 4211 0.89 0.58 0.46

74 Sallanche Reninge M 1.9 5000 2.0 3.8 4.9 82.4 31 2554 2.66 1 0.5

Département des Hautes Alpes, de l’Isère de la Savoie et de la Haute Savoie–Visite des plages de dépôt

IRSTEA :G.Piton – C. Carbonari – 16 février 2015 58

8. REFERENCES Böll, A., Kienholz, H., Romang, H., 2008. Beurteilung der Wirkung von Schutzmassnahmen

gegen Naturgefahren als Grundlage für ihre Berücksichtigung in der Raumplanung

TEIL E:WILDBÄCHE [ No. V1.02d]. Swiss Confederation - National Plateform for

natural Hazards.

Carbonari, C., 2015. Ms Thesis manuscripts: Small scale experiments of deposition processes

occuring in sediment traps, LS-PIV measurments and geomorphological descriptions.

Sabo Division, S., 2000. Guideline for driftwood countermeasures (proposal and design).

Ministry of Construction. Japan.

Piton, G., Recking, A., 2015. Design of sediment traps with open check dams: a review, part

I: hydraulic and deposition processes. (Accepted by the) Journal of Hydraulic

Engineering 1–23.

Guillaume PITON – Costanza CARBONARI

16 février 2015

Rapport de stage de fin d’études : Master Mécanique Numérique en Ingénierie

Modélisation 2-D de la dynamique sédimentaire d’une

rivière en tresses

Par

Ismail RIFAI

Maître de Stage: M Alain RECKING Encadrante : Mme Caroline Le BOUTEILLER

Tuteur de Stage: M Robert MOSE

Structure d’accueil : IRSTEA centre de Grenoble 16 juin 2014

http://www.unistra.fr/

http://www-physique-ingenierie.u-strasbg.fr/

Acknowledgment

I would like to thank my supervisor M. Alain Recking for accepting me as a trainee at IRSTEA of Greno-

ble, for providing me the necessary facilities to work on my master’s thesis, and above all, for the great

opportunities he gave me to expand my experience in the field of research.

I also express my sincere gratitude to Ms. Caroline Le Bouteiller for her patience, the time spent for my

concern, her thorough advice, for providing valuable answers to my frequent questions and her appreci-

ation of my work.

I also thank M. Guillaume Piton for the literature he recommended, his constructive instructions, his

help in flume experiments and especially the assistance he offered during my first days in Grenoble.

And I place on record my sincere thanks to the other interns, with whom I had a great time, for their help

and support.

.الدراسي مساري لتيسر بوسعهم ما كل توفير على وسهرهم إرضائي ألجل به قاموا لما وأسرتي أبي ،أمي أشكر أن أود أخيرا،

.لهم مهدا التقرير هذا

Ismail Rifai

i

Abstract

Braided rivers are self-induced forms of alluvial streams which are characterized by a multichannelnetwork separated by ephemeral exposed bars. Prevailing sediment inflow, high stream power anderodible banks are necessary conditions for braiding. The complicated pattern of braided streams andtheir high dynamics make them challenging for both understanding and modeling. Several model-ing works have been conducted in the case of braiding rivers. Here we investigated the robustnessof a physical based 2-D model (TELEMAC2D coupled with SISYPHE) and its ability to reproduce thebraiding dynamics from the initiation, starting from an initially flat bed with a central incision, to theevolution of the pattern resulting from different flow and sediment forcings and different sedimenttransport formulas. The idealized river model remained close, dimensionwise, to flume experiments.The boundary conditions of the simulation were chosen to reproduce braiding circumstances. Thefact that, on the one hand, the initial condition was a flat bed and, that on the other hand, the choiceof boundary conditions was taken as simple as possible, allows to state that the resulting landform isself-induced and therefore permits to directly link the result to the constitutive relations used. Thispermits an isolated analysis of the model capability to reproduce the morphology and the dynamiccharacteristic of braided streams.

The 2-D simulations were performed using the finite element method for the hydrodynamics and thefinite volume method for the morphodynamics. The scheme used for the advection of velocities andwater depths were, respectively, the method of characteristics scheme and the mass-conservative dis-tributive PSI scheme, in agreement with the default numerical parameter of TELEMAC. The bed slopeeffect, the deviation of the solid transport and secondary currents were also taken into account.

The simulation results showed that the TELEMAC2D/SISYPHE model was able to successfully repro-duce the initiating phase of the braiding pattern. The resulting landform was comparable to flumeexperiment results.

The formation dynamics and bar shape compared well with those observed in both flume experimentsand natural rivers. Nevertheless, passing the formation phase, the braiding pattern was not main-tained and gradually tended to meander. This tendency of the system to converge to a single channelconfiguration might be explained by the lack of lateral variation of the inflow but also suggests pro-cesses controlling the bars and bank erosion may not be adequately represented and/or damped bythe mesh’s level of refinement.

iii

Contents

Acknowledgment i

Abstract iii

List of Figures ix

List of Tables xii

Notations xiii

1 Introduction and State of the Art 1

1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2 River hydraulics and sediment transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2.1 Hydraulics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2.2 Sediment transport in rivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2.3 Bed load transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.3 Morphodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.3.1 Morphologic changes due to anthropogenic influences . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.3.2 Slope and width . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.4 Channel types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.5 Numerical modeling and morphodynamic models’ state of the art . . . . . . . . . . . . . . 5

1.6 Why TELEMAC? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.7 TELEMAC-Mascaret modeling system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.7.1 TELEMAC-2D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.7.2 SISYPHE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.7.3 Parallel simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2 Dynamics of Braided Streams 11

2.1 Braiding water streams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.1.1 Origin of braiding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.1.2 Braiding rivers’ particularities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.1.3 Braided rivers’ components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

v

2.1.4 Morphological changes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.1.5 Morphometric parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.2 Flume experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.2.1 Material and methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.2.2 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.2.3 Purposes and limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.3 Conclusion and recommendations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3 Numerical Experiment 23

3.1 Modeling with TELEMAC-Mascaret system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3.1.1 The geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3.1.2 The mesh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.1.3 Modeling organization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.1.4 Initial conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.1.5 Boundary conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.1.6 Modeling parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.2 Results presentations’ plan and expected results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.3.1 Establishment of the braiding pattern(Run 0 and Run 00) . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.3.2 Erosion (Run 01) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.3.3 Aggradation (Run 02) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.4 Additional results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.4.1 Variation of the water inflow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.4.2 Ashmore and Van Rijn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.4.3 Widening of the domain and slope change . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.4.4 Sediment grading effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

4 Discussion and conclusion 41

4.1 Discussion of the results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4.2 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

Bibliography 47

Appendixes 51

A DEM extraction with photogrammetry method 51

A.1 Photogrammetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

A.2 Agisoft Photoscan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

A.2.1 Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

A.2.2 Results and Bias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

A.3 Recommendations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

vi

B Steering files 55

B.1 TELEMAC-2D steering file . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

B.2 SISYPHE steering file . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

C Simulation results 59

vii

List of Figures

1.1 Resurrection River, Kenai Peninsula, Alaska (from uoregon.edu) . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2 Different transport modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.3 Lane’s balance (Lane, 1955), taken from www.ouvrage.geni-alp.org . . . . . . . . . . . . . . 4

2.1 Waimakarini River, New Zeland (Google Earth) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.2 Different channel types according to Schumm (1985) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.3 Two modes of braiding initiation (from Ashmore (2009)) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.4 Braiding occuring at the high slope segment (Yalin, 1992) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.5 Change of width-depth ratio with slope Schumm and Khan (1972) . . . . . . . . . . . . . . 14

2.6 The pattern’s change of the Isar in Geretsried resulting from the construction of a damupstream the showed area (Malavoi and Bravard, 2010) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.7 Local conversion of the channel type from meandering braiding due to the sudden widen-ing of the valley, b. and from braiding to meandering due to the narrowing of the valley(Andes, Bolivia from Malavoi and Bravard (2010) and Google Earth) . . . . . . . . . . . . . 15

2.8 Typical transect of a braiding stream model, the red lines represent the channel widthsconsidered as active (not drawn to scale) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.9 The adjustment of the bed topography, the dry areas are flattered . . . . . . . . . . . . . . 17

2.10 Sketch of the flume, the inflow comes from the U shaped hole . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.11 Bed evolution in Run 5. Due to grain sorting effect, the bars, light colored, are noticeableand the braiding pattern is quite visible. (The partial photographs of the flume weremerged using Agisoft Photoscan) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.12 Grain sorting in flume experiment, a. the coarse fraction of sediments (light colored) islocated at the front of bars, b. the scouring hole turbulences wash away the fine sedi-ments and leaves the coarse sediments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.13 Bed elevation at the end of the Run 5 after the increase of the inlet flow rate . . . . . . . . 20

3.1 The model’s geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.2 Simulation organisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.3 Motion of sediment on a sloping bed. Where ψ is the flow angle and β the slope angle(Soulsby, 1997) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.4 Bed evolution through time (Run 0) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.5 The formation of bars, a. the bed’s topography (Run 0), b. cross section of the bed, in redthe cross section of a bar and in blue the cross section of a scour hole . . . . . . . . . . . . 29

ix

3.6 Velocity field (Run0) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.7 Resulting bed topography at the end of Run 0 (02:13:00) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.8 Data extraction zone with a structured grid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.9 Evolution of the BRI and active-BRI of Run 0−00 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.10 Evolution of the slopes of Run 0−00 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.11 Diagrammatic profiles of the bed’s evolution (Leopold and Wolman, 1957) . . . . . . . . . 32

3.12 Evolution of the bed’s volumes of Run 0−00 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.13 Evolution of bedload rates at different transects in Run 0−00 . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.14 Water’s velocity field vs. bedload transport rate. The channel’s activity is limited to anarrow band along one to two channels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.15 Evolution of the BRI and active-BRI ( Run 01 starts at 02 : 15) . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.16 Evolution of the slopes (Run 01 starts at 02 : 15) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.17 Evolution of the bed’s volumes (Run 01 starts at 02 : 15) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.18 Evolution of the bedload rates at different transects ( Run 01 starts at 02 : 15) . . . . . . . 36

3.19 Evolution of the BRI and active-BRI ( Run 02 starts at 02 : 15) . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.20 Evolution of the slopes (Run 02 starts at 02 : 15) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.21 Evolution of the volumes (Run 02 starts at 02 : 15) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.22 Evolution of the bedload rates at different transects (Run 02 starts at 02 : 15) . . . . . . . . 37

3.23 Water velocity field of the after 3 hours, a. with random variation of the inflow velocityvectors, b. with a a constant direction of the inlet’s water velocity vectors . . . . . . . . . . 38

3.24 Elevation of the bed resulting after 3 hours with a. Van Rijn (1984) transport formula andb. Ashmore’s (1988) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.25 Bed’s elevation. The morphological changes clearly shows the influence of the initial slope 39

3.26 a. Bed’s elevation of the bimodal material model after 3 hours, b. the velocity field, c. thegrain sorting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

4.1 Comparison of the braiding indices (Ashmore, 1991) of the three runs . . . . . . . . . . . . 42

4.2 Bedload rate for the first two hours at the section A of the model according to differentformulas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

4.3 Possible (blue) and impossible (red) channels’ cross sections (a., b. and c.) and the freesurface (d.,e. and f.) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.4 a. Transition from a braiding pattern to a single-thread channel caused by the vegetationof the floodplain (Tal and Paola, 2010), b. Similar transition observed in the Run 02 (thechoice of colors only serves illustrative purposes) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

4.5 Example of mesh adaptation process. a. the initial mesh with constant nodes’ spac-ing (9536 nodes and 18632 elements), b. the detection of high bed’s variation areas, c.adapted mesh to the bed’s relief with a high resolution in sloping zones (7626 nodes and14987 elements) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

A.1 3-D model of braiding bed of the flume experiment generated by Agisoft PhotoScan . . . 52

A.2 Example of a distortion of the bed (the 3-D model is curved which doesn’t correspond tothe reality) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

x

C.1 Run 0−00: Bed evolution of the bed through time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

C.2 Run 0−00: Flow velocity evolution through time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

C.3 Run 01: a. Bed evolution of the bed through time, b. Flow velocity evolution through time 60

C.4 Run 02: a. Bed evolution of the bed through time, b. Flow velocity evolution through time 60

List of Tables

1.1 Different numerical models for braiding rivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.1 Mixture’s characteristics, σ= 12 ( D84

D50+ D50

D16) is the grading coefficient . . . . . . . . . . . . . . 18

3.1 Count of the domain’s nodes and edges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.2 Boundary conditions for each run . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

xi

Notations

BRI Bed Relief Index [L]

acti ve −BRI Active Bed Relief Index [L]

D∗ Particle diameter [L]

D50 Median grain diameter [L]

g Acceleration of gravity [L/T−1]

H Water depth [L]

n Material porosity [-]

Qb Volumetric bedload transport rate [L/T−1]

Qsx Volumetric sediment transport rate in the X direction [L/T−1]

Qs y Volumetric sediment transport rate in the Y direction [L/T−1]

r Local radius of curvature [L]

s Specific density [-]

T Deviation coefficient [-]

U Depth averaged horizontal velocity in the X direction [L/T−1]

V Depth averaged horizontal velocity in the Y direction [L/T−1]

Z f Bed elevation [L]

α Secondary currents coefficient [-]

αmpm Meyer Peter Müller coefficient [-]

β Slope angle [-]

δ Angle of the bedload movement to the main flow direction [-]

θ′ Shields parameter [-]

θβc Slope effect modied Shields parameter [-]

θc Critical Shields parameter [-]

θp Bed-shear velocity related to grains [-]

ν Kinematic viscosity coefficient [L2/T]

xiii

ρ Water density [ML−3]

τx Bottom shear stress component in the X direction [MLT−1]

τy Bottom shear stress component in the Y direction [MLT−1]

Φb Non dimensional bedload [-]

φi Angle of repose of sediment [-]

ψ Angle of the current to the up-slope direction [-]

xiv

Chapter 1

Introduction and State of the Art

1.1 Introduction

Water systems are fully involved in the water cycle and are a main vehicle for sediments transit. Be-sides, water streams show large variety of channels pattern, which are the results of the prevailingconditions in which they river subsists.

Leopold and Wolman (1957) developed a classification scheme for natural water streams accordingto their planform. They suggested three major morphological categories: straight, meandering andbraided. Among this three alluvial styles, the latter are the most dynamic systems. According to thedescription of Leopold and Wolman (1957), braiding river flow in multiple channels around alluvial is-lands (see figure 1.1). Their morphodynamics is highly influenced by the sediments availability, supplyand transport.

Figure 1.1: Resurrection River, Kenai Peninsula, Alaska (from uoregon.edu)

The high dynamics of braiding rivers and their sensitivity to external factors make them a good exam-ple for modeling exercise. Indeed, on the one hand side, the modeling work will allow to assess theinfluence of various parameters on the morphological evolution of braiding streams and also to high-light the keys processes to braids’ formation. On the other hand, the modeling can allow the evaluationof the accuracy of the sediment transport equations as well as defining the extent in which they can beconsidered as sufficiently representative of the reality.

The aim of this Master’s Thesis is to implement a two dimensional physics based model of a braidingstream’s hydro-morphodynamics. The double objective of this work is to discuss the key processesto braiding initiation and development. And also, the assessment of the model’s ability to accuratelyrepresent such dynamics. The results should be compared to available literature descriptions of flumeand field braiding systems dynamics.

The work presented hereafter is focused on the study of morphological evolution of a braiding stream

1

CHAPTER 1. INTRODUCTION AND STATE OF THE ART 2

numerical model under the influence of different parameters (such as different boundary conditions,bedload equation, sediments’ type, etc.). The numerical model implementation is inspired from priorflume experiments dimensions and parameterization, which were conducted in the wide flume atIRSTEA Grenoble. Moreover, the numerical model used to this purpose is TELEMAC-Mascaret model-ing system and, especially, its two hydrodynamics and morphodynamics modules, which are respec-tively TELEMAC2D and SISYPHE.

Therefore, this report is organized according to the following framework: First, a general review of liter-ature relative to sediment transport, morphodynamics and a state of the art of numerical modeling inbraided rivers are introduced (Chapter 1). This is followed by a more elaborated description of braidingsystems and their dynamics followed by a presentation of the flume experiments (Chapitre 2). ThenChapter 3 presents of the numerical model and its results, which are finally analyzed and discussed inChapter 4.

1.2 River hydraulics and sediment transport

In the following, a brief introduction to river hydraulics and sediment transport will be presented. Thepurpose is the setting up of the background concepts necessary to the understanding of this work.

1.2.1 Hydraulics

To summarize, river flows are the result of, on the one hand, gravity forces applied to the water, and, onthe other hand, bed friction which tends to slow it down. Therefore, for a considered water dischargethe hydrolics are function of the slope (which will impact the intensity of the gravity), the grain sizeand topography of the bed stream (De Linares, 2007). Rivers are open-channel flows, and more pre-cisely, natural rivers are much than deep: the width-to-depth ratio is usually very high (Yalin, 1992).Consequently, and for the sake of simplicity, great scale flows can be treated as bi-dimensional prob-lems (shallow flow hypothesis). Nevertheless, a three-dimensional consideration is more adequate forsmall scale studies and for cases with low width-to-depth ratios, in which the secondary currents maybe non negligible.

1.2.2 Sediment transport in rivers

Many works have been done in order to provide a better understanding and a better quantification ofthe sediment dynamics in running water. Indeed, sediment movement initiates when bed shear stressexceeds a threshold value. Shields (1936) defined an non-dimensional parameter θ′, known as Shieldsparameter, used to calculate the initiation of motion of sediments. Critical Shields θc parameter repre-sent the threshold value of shear stress over which the sediments start moving. From here, one shoulddifferentiate two major transport modes: bed load and suspended load. One could also add a crossingmode: saltation, in which case the transported particle bounces in an irregular manner (see figure 1.2).

1.2.3 Bed load transport

As said before, bed load is one of the two types of sediment load. It’s important, for it has a largeinfluence on the bed forms and bed stream morphology. This explains why several bedload equationswere proposed during the last decades.

3 TWO DIMENSIONAL MODELING OF SEDIMENT DYNAMICS IN BRAINDING RIVERS

Figure 1.2: Different transport modes

Transport formulas

Many semi-empirical formulas can be found in literature. Yet, the purpose of this section is not athorough review of developed formulas. Therefore, only the formulas which were implemented andtested in the numerical model (which is the subject of the study) were discussed hereafter. In addition,most sediment transport formulas assume a threshold conditions under which sediments are assumedto stay at rest. This is the case of all formulas considered in this study.

The following formulas give the non-dimensional sediment bedload transport rateΦs :

Φb = Qb√g (s −1)D∗3

(1.1)

in which, Qs is the volumetric bedload transport rate, g is the acceleration of the gravity, s is relativedensity and D∗3 is the characteristic sediment diameter (in the following D∗3=D50).

Meyer-Peter-Müller (1948) Meyer-Peter-Müller formula is one of the most commonly used for bedload transport rate calculation. This threshold formula has been validated for sediments in the range0.4mm < D50 < 29mm and is based on a large data set provided from flume experiment.

Φb =αmpm ∗ (θ′−θc )3/2 (1.2)

where αmpm is a coefficient usually taken equal to 8, θ′ is the Shields parameter and θc is the criticalShields parameter (in this work, and when using the Meyer-Peter-Müller formula, it will be taken equalto 0.047).

Ashmore (1988) This formula has been calibrated on data set from braiding flume experiment withvarying slopes. The conducted experiments showed that bed load transport is limited to a small sectionof the dominant channels. In his flume experiments Ashmore (1988) considered, as being active, onlythe channels with a water depth greater than or equal to 2mm.

Φb = 3.11∗ (θ′−θc )1.37 (1.3)

In the following, when using this formulation of the non-dimensional sediment transport rate, thecritical Shields parameter will be taken equal to θc = 0.045. This value of θc gave a better fit to theexperiments performed by Ashmore (1988).


Van Rijn (1984) Following the approach of Bagnold (2008) and assuming that bed load transport,under the influence of hydrodynamic fluid and gravity forces, is dominated by the saltation motionmode. He provided formulation for the bed load transport rate for particles in the rage of 0.2mm <D50 < 2mm.

Φb = 0.053D−0.3∗

(θp −θcr

θcr

)2.1

(1.4)

With D∗ = D50

[(s−1)gν2

]1/3, θp is the bed-shear velocity related to grains and θcr the critical Shields

parameter.

This formula provides a reliable estimation of bed load transport rate for this range of particles andwas verified using 580 data, from the field (56 tests) and flume experiments (524 tests) (Van Rijn, 1984).

1.3 Morphodynamics

To talk about morphodynamics, one should first introduce the theoretical principle of dynamic equi-librium of water streams. Indeed, Rivers tend to achieve “dynamically stable” equilibrium conciliatingbetween two types of variables, control and response variables. This concept is schematically repre-sented by the lane balance presented in figure 1.3. On the one hand, the control variables, as the streamflow and the sediment discharge are imposed to the system and are the result of the watershed’s con-figuration, its hydrology, the climate and so on. These control variables are imposed to the system,which will adjust its response variables in order to reach the state of equilibrium. These response vari-ables are therefore the local slope, the sinuosity, and the channel width among others (Malavoi andBravard, 2010). For instance, as one can see in the Lane’s balance, a decrease of the stream flow willcause an aggradation phase. Subsequently, the equilibrium will be reached by the adjustment of theslope. A higher slope will induce a higher sediment transport in order to achieve a new equilibriumstate in agreement with the new control variables.

Figure 1.3: Lane’s balance (Lane, 1955), taken from www.ouvrage.geni-alp.org

Nevertheless, this schematic representation (Lane balance) of water streams dynamics remains sim-plistic, for it does not account of other response variables such as the channel width, or more specifi-cally its transverse geometry, nor its sinuosity, etc.

1.3.1 Morphologic changes due to anthropogenic influences

Needless to say how much the human activities have a significant impact on the environment. Inparticular, anthropogenic actions affecting the hydrology and sediment yield of a catchment will haveinevitably an effect on the alluvial style of its watercourse.


For instance, braiding rivers (which are the subject of this work) are highly sensitive to the changesaffecting sediment supply and/or flood patterns (Ferguson, 1993). On the one hand, activities thatwill tend to increase the sediment influx can make a different river pattern shift to a braiding schemeand conversely a drastic decrease of the sediment discharge, due to construction of a dam or majorclimate change for example will lead to the gradual fading of the braiding pattern to a meandering likeconfiguration (Malavoi and Bravard, 2010; Piégay and Grant, 2009).

1.3.2 Slope and width

The slope is an important morphological parameter. It is a “response variable” (the increase of theslope is due to the system’s need to ensure a higher dynamic required by the high sediment influxrate, see figure 1.3) which differentiates the resulting rivers morphology. Indeed, ceteris paribus, ameandering system will have a lower slope than a braiding one (Ashmore, 2009). Also, the width helpssegregating different systems from straight, meandering, braiding river channel pattern, the latter willhave the highest width to depth ratio Schumm and Khan (1972).

1.4 Channel types

Among the different alluvial rivers, and depending on their slope and morphology, one can differenti-ate several alluvial types. Starting from the upstream part of a water stream, the waterfalls are presentwhen the slopes are high (more than 10%) and usually in confined valleys. The waterfalls can be de-scribed as an entanglement of rocks and boulders with no apparent organization. They are usuallystable, even at the occurrence of floods. At lower slopes (from 3% to 10%), step-pools are formed witha regular succession of steps, wich can be assimilated to staircase in the bed of stream, formed withcoarsest fraction of bed material interlaced with fines. And pools, which provide a storage for finer bedmaterial.

Then, when the slope is lower (from 1% to 3%), one can encounter two alluvial styles: alternate barsand braiding rivers. Alternate bars are typically a succession of emerged sediments deposits alternat-ing between the river’s sides. The braiding rivers are formed, as their designation might indicate, (seefigure 1.1) with large gravel bed in which a network of channels which dived and merge around usuallytemporary islands called bars.

However, one should differentiate braiding rivers from other comparable alluvial styles: anabranchand anastomosis. The first can be assimilated to a system of multiple channels characterized by allu-vial islands which are vegetated and stable (Nanson and Knighton, 1996). The term anabranch refers toa stream which diverts from the main channel and rejoins it downstream. The anastomosis designatesmultiple channels, which are more stable than braiding rivers’, more sinuous, narrower and deeperwith a lower slope. This channels delimitate relatively steady and large islands (Malavoi and Bravard,2010).

Finally, for even lower slopes and finer sediments, one encounters meandering and straight channelpatterns.

The braiding rivers are the main interest of this work and are presented in more details in the nextchapter.

1.5 Numerical modeling and morphodynamic models’ state of the art

In order to understand, quantify and predict rivers behavior and changes, several numerical modelswere developed. Depending on the scale, in time and space, of the study, different approaches can be


considered, and in that sense, each model will reveal its strengths and weakness. In what follows, ageneral review of some hydro-sedimentary models will be presented. The purpose of this section is togive a global, yet not exhaustive, appreciation of existing models and the work conducted for the caseof braiding systems.

Table 1.1 presents seven examples of braiding river’ numerical models. The work of Jagers (2003) gave asubstantial review of the different existing models. He compared different modeling approaches: neu-ral network, branches model, cellular model and general 2/3D models (see table 1.1) and concludedthat although each of these models has its strength and weaknesses, the branches and general 2/3Dmodels seem to be the most promising.

Work Model Scale Comment

Jagers(2003)

Delft3D +Cellular,

Branches andNeural model

Different modelsinspired from the

Jamuna River

Concluded that the branches model isthe most promising. Although, a gen-eral 2D-model-based Monte Carlo sim-ulation is an interesting developmentpath.

Schuurmanet al. (2013)

Delft3D80 km x 3.2 km and 80

km x 6.4 km

Rather realistic results. However thebraiding pattern once established be-comes static.

Rüedlingerand Molnar

(2010)BASMENT Pfynwald river reach

1D simulation and 2D simulation in asmaller domain.The 1D model is not suitable for braidingconfiguration.

Enggroband Tjerry

(1999)MIKE 21C

Inputs of theBrahmaputra-Jamuna

river (30 yr)

2D models well predict short-term plan-form changes. Which is not the case forlong-term simulation, due to the chaoticbehavior of braiding systems.

Leduc(2010)

RUBAR 20 Bés

Several limitations such as the uncou-pling of hydrodynamics with bed-loadtransport, the rectangular meshing in-hibits the cross-flows.

Ziliani et al.(2013)

Caesar RCM33 km of Tagliamento

River over 8 years

Good computational performances ofthe Reduced Complexity Model but givesa poor reproduction of the braided chan-nel dynamics.

Murray andPaola (1994)

Cellular model –

Cellular model for braided streams.However, due to the simplifications,this model is not suitable for predictingplanform changes of an actual river.

Table 1.1: Different numerical models for braiding rivers

The work of Schuurman et al. (2013) showed representative results of braiding emergence and forma-tion on a physics-based 2-D model of a sand-bed river. Schuurman et al. (2013) also highlighted theimportance of the bed slope and spiral flow effects (see paragraph 3.1.6.3 page 26). The 2-D depthaveraged module of the morphodynamic model Delft3D succeeded on reproducing braiding rivers’characteristics such as the wave length, the bars shape and scour holes among others. However, pastthe near-equilibrium stage the model started showing rather unrealistic morphology: the bars becomestatic and develop exaggerated length and height.

Rüedlinger and Molnar (2010) performed both 1-D and 2-D modeling of a braiding segment of Rhone


river. They concluded that even if the modeling of the hydrodynamics might give satisfactory results,simulating the mophodynamics with 2-D physics based model remains a difficult task for its accu-racy may rely a lot on data availability. However, 1-D models do not succeed on predicting short termprocesses and, therefore, the result obtained by this models must be considered with additional care.

Leduc (2010) underlined several limitations of the 2-D physics based model RUBAR 20. From this workone can site the inadequacy of rectangular mesh, the uncoupling of the hydrodynamics and morpho-dynamics increases the instabilities and the inadequacy of the available sediment transport formulasfor low depth-width ratio streams.

The two last models presented in table 1.1 are Caesar RCM , which is a Reduced complexity model,and a Cellular model. Both showed relatively good computational performances. However, Zilianiet al. (2013) and Murray and Paola (1994) observed that in the case of long-term simulations the citedmodels tend to lack on reproducing braiding channels dynamic. A further analysis of this “alternative”models is presented in the work of (Jagers, 2003).

To summarize, one can state that a 2/3D approach presents numerous advantages from which we cancite:

• The modeling is based on fundamental physics laws and empirical relations of sediment trans-port;

• The results can be as detailed as the computation performances can allow (in terms of processtime and available memory space);

• The possibility to refine the mesh in areas where more precision is needed;

• Depending on one’s interest, the model can be complemented with various physical processes(i.e. accounting of the slope effect, hiding-exposure factor, . . . );

Despite this advantages, a conventional 2/3D model remains highly time consuming and requiresmore data than a branches or neural model for instance. In addition, long term simulations are subjectto great incertitude in this kind of models. This latter issue can be addressed by a Monte Carlo simula-tion Jagers (2003). But here again, the coupling of a probabilistic approach will increase, say 100 timesat least, the computation time.

Nonetheless, for the sake of this work, a 2D model proved to be adequate. On the one hand, the inves-tigation of the braiding system response to various configurations and the effect of different transportformulas for instance can accurately be examined with a 2D model. On the other hand, the choice ofa 2D rather than a 3D consideration is justified by both the shallowness of braiding pattern and thescale in which the problem is discussed (a global appreciation of the braiding pattern formation andevolution).

Table 1.1 presented several numerical models that have been used in the case of braided rivers. Tothe best of our knowledge, no work was conducted with TELEMAC-Mascaret modeling system (seeparagraph below). The following modeling work will be conducted using this modeling system. Thenext section of this chapter will therefore be dedicated to its presentation.

1.6 Why TELEMAC?

Among other sets of solvers, the TELEMAC-Mascaret system presents many interesting features. First,TELEMAC-Mascaret suit of solvers is open source and therefore free to use. Secondly, it can be de-scribed as flexible, for it offers a rather easy access to all the subroutines that intervene throughout theproblem resolution. Finally, it can be used in parallel form; a huge advantage in terms of reduction ofcomputation time. A detailed description of the TELEMAC system is presented in the following.


1.7 TELEMAC-Mascaret modeling system

TELEMAC-Mascaret modeling system is an open source program developed by the Research and De-velopment division of Electricité de France in the Laboratoire National d’Hydraulique. It’s a powerfultool for free-surface flows problems modeling and is commonly used in river and maritime hydraulics.The geometry which will be considered in the models is meshed into a grid of triangular elements. Ithas numerous simulation modules for hydrodynamics (1D, 2D or 3D), sediment transport, dispersionand underground flow, in addition to pre and post-processors (http://www.opentelemac.org/). In thiswork, only the hydrodynamics and sediment transport are of interest. Therefore, only the modulesTELEMAC-2D and SISYPHE will be used (see the following paragraphs).

One should also note that the TELEMAC-Mascaret modeling system, from the mathematics, the physics,to the advanced parallelisation, is written in Fortran.

One other major strength of TELEMAC is that it allows the user to implement any functions of a simu-lation module by modifying specific subroutines in Fortran. This makes it easy, in a way, to work withspecific formulas for the sake of test and validation for example.

1.7.1 TELEMAC-2D

TELEMAC-2D code is a hydrodynamics module of the TELEMAC-MASCARET system. It solves the 2DSaint-Venant equations, or shallow water equations (Hervouet, 2007).

∂H

∂t+ ∂HU

∂x+ ∂HV

∂y= 0 (1.5)

∂U

∂t+U

∂U

∂x+V

∂V

∂y=−g

∂Z

∂x+ τx

ρH+ 1

H

∂

∂x

(Hν

∂U

∂x

)+ 1

H

∂

∂y

(Hν

∂U

∂y

)(1.6)

∂V

∂t+U

∂V

∂x+V

∂V

∂y=−g

∂Z

∂x+ τy

ρH+ 1

H

∂

∂x

(Hν

∂V

∂x

)+ 1

H

∂

∂y

(Hν

∂V

∂y

)(1.7)

with:

H is the water depth

U and V the depth averaged horizontal velocities

g is the acceleration due to gravity

τx and τy are the bottom shear stress components

ν the kinematic viscosity coefficient

ρ the water density.

These equations are derived from equations of conservation of mass and conservation of momentum(Navier-Stokes equations).

The results provided from solving these equations are therefore water depths and the depth-averagedvelocities for each node of the problem’s grid.

TELEMAC-2D is a polyvalent tool, for it allows to considers several phenomenon : treatment of sin-gularities, friction on the bed, supercritical and subcritical flows, dry areas in the computational fieldlike tidal flats and/or flood-plains, inclusion of porosity... and, as it’s the case in this work, can be alsocoupled with a 2D sediment transport module (SISYPHE).


1.7.2 SISYPHE

SISYPHE, as introduced before, is a sediment transport and bed evolution module. Sediment transport,both bed load and suspended, are computed at each node depending on the flow and sediment grainparameters. Once the sediment transport calculated, the bed evolution is obtained by the resolutionof the bed evolution equation, also called the Exner equation:

(1−n)∂Z f

∂t+ ∂Qsx

∂x+ ∂Qs y

∂y= 0 (1.8)

in which:

n is the bed’s sediment porosity

Z f the bed’s elevation

Qsx and Qs y are respectively volumetric sediment transport rate in the x and y direction.

In SISYPHE, this equation is solved by default, whith the finite volume formulation but can be changedto finite element scheme if needed.

It should be noted that SISYPHE allows to work for a large variety of hydrodynamic conditions andcan take into account several sediments transport processes such as: secondary currents, the bedslope effect, sediment deviation and tidal flats among other processes. Also, the bed shear stress canbe accounted for by imposing a friction coefficient (per node) or by using a bed-roughness predictor(Sisyphe V6.3 User’s Manual).

It is important to recall that TELEMAC-Mascaret modeling system allow a coupled approach betweenthe hydrodynamics and sediment transport. A simplified approach (uncoupled mode) consists oncomputing the bed evolution according to the results of a prior hydrodynamic simulation. As the bedform changes, SISYPHE corrects the velocities according to simple algorithm which will insure theconservation of the lineic flow rate (Velocity × Water depth). For instance, in an erosion area the flowvelocity is decreased. This simplistic methods is not suitable in the case of this work and will not allowa proper formation of a braiding pattern starting from a initially flat bed.

Conversely, the coupled mode of SISYPHE allows the consecutive calculation of both the hydrodynam-ics and morphodynamics. Indeed, after a certain number of time steps (set by the user) the morpho-dynamics are computed and the bedfrom updated. The hydrodynamics of the next time step are thensimulated according to the new bedform, which will be again updated according to the new morpho-dynamics, and so on.

The modeling work presented in the following is performed according to this approach.

1.7.3 Parallel simulation

To be brief, parallelism consists of using simultaneously cluster of computers, or a cluster of processorsin the same computer, in order to solve one single problem. Ideally, the use of n processors woulddivide the CPU time by n (Hervouet, 2007).

TELEMAC-MASCARET system allows to run parallel simulations. In this case, working on MS Windowsoperating systems, it’s recommended to work with MPICH2 implementation of the Message PassingInterface standard (MPI-21) which is freely available.

1 Library specification for message-passing. It’s a standard application programming interface that can be used to createparallel applications.


The use of the TELEMAC-MASCARET system in a parallel form can be very practical in terms of reduc-tion of CPU time. In addition, the fact that it is parallelised under MPI-2 makes it portable to high-performance computing infrastructure.

Z Remark: In some cases, the speed factor (the ratio between the CPU time of a simulation performedon a single processor and the CPU time when the same simulation is run with multiple processors),can turn out to be higher than the number of processors used. This happens when the memory sizeinhibits the efficiency of the processor when the number of elements in the whole mesh is really high(Hervouet, 2007).

Chapter 2

Dynamics of Braided Streams

The aim of this chapter is to give a more elaborated presentation of braiding streams and also to set upthe required basis to the understanding of the work covered in this report. To do so, the first section willdeal with the dynamics and specificities of braiding systems. It will be followed by a presentation ofsome of the morphometric parameters which will be used in the next chapter. Also, a flume experimenton braiding rivers will be discussed in the light of some similar work in literature.

2.1 Braiding water streams

Braided rivers can be described as a network of small channels separated by ephemeral exposed bars(Ashmore, 2009). Yalin (1992) defines the braiding process and a "self-induced" form and an ongoingresponse to prevailing discharge (see figure 2.1) , valley gradient, and sediment flux (Ashmore, 2009).Usually, both the sediment supply and transport are high in braided patterns and the land-forms aresloping (Leduc, 2013; Ashmore, 2009).

Figure 2.1: Waimakarini River, New Zeland (Google Earth)

Among the existing channel types of alluvial rivers, the braiding streams are of the less stable and themore active in terms of sediment transport, or more specifically, bedload transport. Indeed, Schumm(1985) gave a classification of the channel types according to their stability, prevailing sediment trans-port mode and channel pattern (see Figure 2.2). The classification of Schumm (1985) associate thebraiding pattern to an unstable stream with coarse sediments, a large sediments load, a high flow ve-locity and high stream power.

Indeed, braided rivers are particular in terms of their morphodynamics. Formed with a large gravelbed in which multiple channels cross and split; their global aspect is similar to braids. Their cross-ing channels are separated with gravel bars, which are very dynamic. Although, the channels can beslightly sinuous, they generally follow the orientation of the valley.

Other aspect of braided rivers, the pattern or the bed form might seem chaotic and complex. Never-theless, and most of the time, the water flows only on half the channels (Ashmore, 2009). Also, the solidtransport activity is limited to a narrow strip in the main channels (Ashmore et al., 2011).

11

CHAPTER 2. DYNAMICS OF BRAIDED STREAMS 12

Figure 2.2: Different channel types according to Schumm (1985)

The braiding rivers can have their pattern drastically changed after the occurrence of a flood. Forinstance, up to 60% of the width for a morphogenetic flow in the case of Tagliamento river in Italy(Bertoldi et al., 2010).

This particularities and changes are the results of the control variables, or in more general terms, theconditions in which the braiding rivers subsists.

2.1.1 Origin of braiding

The reasons which lead to the initiation of the braiding of a stream are partially known. However,there is no scientific consensus yet. As cited in "Elements d’hydromorphologie fluviale" (Malavoi andBravard, 2010), one can consider two main reasons for both the initiation and the development ofbraiding : an abundant bed load and easily erodible banks. The overloads encourage the first sedimentdeposition so as it initiate the formation of the first central bar which will cause the deflection of theflow (Leopold and Wolman, 1957) and therefore the erosion of the banks and widening of the meanstream bed (see figure 2.3).

However, this is not the only way a braiding pattern can initiate. In some cases the braiding initiates ina different way, for example by starting by developing alternate bars (Ashmore, 2009). In this case, thealternate bars will lead to the widening of the stream and the sinuosity to increases. Passing a thresholdsinuosity a new bifurcation is created (Bertoldi et al., 2009).

In addition, other factors can contribute to the establishment of a braided pattern. The stream slopehas an important impact on the transport rate. Thus, one should keep in mind that the slope is aconsequence of the control variables. Accordingly, it will be more adequate to say that a high streampower, which is Ω = ρgQS, is an important parameters for braiding (Malavoi and Bravard, 2010). Inorder to erode it shorelines and maintain its dynamics, a braided river requires a high power (see figure2.4).

Furthermore, turbulence and the regime tendency to lower its Froude number can also be consid-ered as factors for, respectively, initiating and developing the braiding pattern (Yalin, 1992). The fastmorphological changes that the braiding river will encounter will inhibit both vegetation growth andresulting consolidation of the bars (Jagers, 2003). Conversely, a prevailing vegetation will lead, in thelong term, to the transition to a dominant single-thread channel (Tal and Paola, 2010).


Figure 2.3: Two modes of braiding initiation (from Ashmore (2009))

Figure 2.4: Braiding occuring at the high slope segment (Yalin, 1992)

2.1.2 Braiding rivers’ particularities

As said before, braided rivers are characterized by a number of channels separated by small islandsor bars and their pattern is highly mobile and changing. Yet, despite its constant and rather chaoticdynamics, a braiding river has its own particularities and morphometric characteristics.

2.1.2.1 Width - depth ratio

A braided river is wide, shallow, steep (Leopold and Wolman, 1957) and its channels move in a hori-zontal motion. This is therefore reflected in the fact that, for a same morphogen flow rate, a braidedriver will be from 5 to 10 times wider than a single channel river (Malavoi and Bravard, 2010). Also, thisis clearly shown in the experimental work of Schumm and Khan (1972) (see figure 2.5). The transitionfrom a meandering pattern to a braided channel occurs by an increase of the width-depth ratio. Insome contexts, this can be seen as problematic; considering the fact that the shallowness of the chan-nels makes almost not navigable and the frequent changes that it encounters make it hard to define aproper navigable channel.

2.1.2.2 Rectilinear braidplain

In order to increase its slope, a braided river usually follows a rectilinear path (Malavoi and Bravard,2010). The sinuosity coefficient P (the ratio of the general axis of the stream to the valley’s axis), which


Figure 2.5: Change of width-depth ratio with slope Schumm and Khan (1972)

defines the sinuosity of a stream, is therefore low for braided rivers (lower than 1.1). Nevertheless, thesinuosity index of each channel taken apart is higher.

2.1.2.3 Active channels

Even though the braiding pattern seems very complex, studies confirm that only a fraction of the wet-ted width of the river is actually responsible for most changes (Ashmore et al., 2011; Tobias Gardner,2009). In addition, in most braided rivers, one can notice one or two dominant channels which areresponsible for the most morphologic changes and which and remains wetted at low water. Further-more, a highly dominant and sinuous active channel might indicate the transition of the braided riverto a wandering then a meandering pattern (Malavoi and Bravard, 2010).

2.1.3 Braided rivers’ components

A braided river gathers several elements which are specific to it; and therefore, determine its specificterminology. Active channels are channel in which the bed load transport occurs. Therefore, the activewidth is the sum of these active channel widths. The braidplain is the width in which the braidingevolves. Nodes are the located scouring areas with high depths and the bars are sediment depositwhich can be both immersed or emerged (Leduc, 2013).

2.1.4 Morphological changes

2.1.4.1 Due to sediment loads

The response changes of a braiding stream to variations of the sediment inflow are in agreement withthe Lane’s balance principle. One the one hand, the increase of the sediment entry affects the bedevolution toward an aggradation phase. The experiments of Germanoski and Schumm (1993) showedthat the aggradation encourages the development of braiding: the bed relief, surface roughness, banks’number and size increase.

On the other hand, the weakening of the sediment inlet causes the channel narrowing and deepeningof the master channel in comparison to the smaller low discharge channels. The incising of the mainchannels causes the flow pattern to change gradually to a single-thread channel (see figure 2.6).

Germanoski and Schumm (1993) flume experiments showed the channel narrowing and incision hap-pens first upstream, the downstream part maintaining its braiding pattern. The narrowing of the chan-nels enhances the erosion upstream and sediment moves downstream. Consequently, the sedimentincome in the downstream part is higher causing aggradation.


Figure 2.6: The pattern’s change of the Isar in Geretsried resulting from the construction of a dam upstream theshowed area (Malavoi and Bravard, 2010)

The effect to such forcings will be investigated in detail in the following chapter.

2.1.4.2 Due to valley’s topography

As mentioned before (paragraph 2.1.1 page 12), erodible banks are an important parameter for theformation and development of braiding rivers. In this sense, the valley’s topography and thereforespace made available for water stream to expend will highly influence the resulting channel pattern.The widening of the valley joined to the banks’ erodibility will increase the width-to-depth ratio. Asa consequence, the carrying capacity will decrease. In this sense, the work of Leopold and Wolman(1957) showed that the braiding doesn’t indicate an excessive solid load but an insufficient carryingcapacity.

The figure 2.7 shows how, for a same water flow, the valley’s topography affects the channel type (seefigure 2.7). In addition, the valley’s confinement also influences the channels’ organization.

Figure 2.7: Local conversion of the channel type from meandering braiding due to the sudden widening of thevalley, b. and from braiding to meandering due to the narrowing of the valley (Andes, Bolivia from Malavoi andBravard (2010) and Google Earth)

2.1.4.3 Due to the influence of the vegetation

When the system is not supply limited, the braiding pattern is active. Even if the braiding system isin an equilibrium stage, the braiding pattern remains continually in motion. This constant changesof the pattern, and depending on its intensity, inhibits or reduces the vegetation growth. However, thevegetation intensity on braiding beds is both a result of their hydro-morphodynamics and a controllingparameter of the braid dynamics. Indeed, as the results of Tal and Paola (2010) show, the plants alsoencourage the tendency to of single channels-thread meandering channel by slowing the widening’srate and limiting the channel cutoffs. On another hand, the denser and the more developed is thevegetation cover, the more stable the bar will be.

One can also notice that the pattern’s change of the Isar to meandering (figure 2.6) goes along withvegetation growth. The most recent photograph shows a rather established alluvial forest.


2.1.5 Morphometric parameters

In order to characterize a water stream hydro and morpodynamics, several parameters can be studied.However, characterizing braiding streams may require additional care, for the width concept becomesmore delicate to handle. Indeed, some other morphometric parameter are better suited to the case ofbraided systems. The following is a presentation of the parameters which will be used to discuss theresults in the next chapter.

2.1.5.1 Bed volume and width averaged slope

The bed volume changes through time give basic information about the considered region of the bed.If the region is subject to aggradation for instance, the volume will increase, and conversely erosionwill be reflected by a decrease of the volume. In that sense, if the equilibrium is reached, the sedimentvolume will become – or oscillate around a – constant. In addition, dividing the studied domain intoregions, and analyzing the volume changes of each one, provides interesting information relative tothe systems reaction time, “advection”, aggradation and erosion processes.

The width averaged slope is also an important indicator of a mophodyanamic systems’ behavior. It iscalculated by averaging the slope of an width-averaged bed profile.

S =M−1∑j=1

∑Ni=1

Zi , j+1−Zi , j

N+1

(M −1)× (Yi , j+1 −Yi , j )(2.1)

in which, S the width averaged slope, i and j are respectively the indices of the point in the X , Ydirection , N and M the number of nodes in the X , Y direction and Z − i , j is the node altitude.

Still, a width averaged slope may give biased results since not all the width is mobilized by the wa-ter flow. Also, for the case of meandering channel, the averaged inclination overestimates the slope.Therefore, considering the channels’ slope individually may be advisable in some cases.

2.1.5.2 Braiding intensity

One can find in literature several parameters to quantify the braiding intensity. A listing of differentbraiding indices is available in the chapter “The Braiding” of Malavoi and Bravard (2010). For the sakeof simplicity, the braiding beds resulting from the numerical model (see Chapter 3) will be discussed interms of the index of Ashmore (1991): the braiding index is the average number of active channel pertransect. The figure 2.8 shows how the active channels are identified in a cross section of a braidingstream model. In this work, a channel is considered as active if the water depth is greater than 2 mmand the width larger than 1 cm.

Yet, this braiding index should be considered with special care. Indeed, it is dependent of the flow rateat the moment of observation. For a same bed, the increase of the flow rate increases the mobilizedchannel whiting the braiding bed and therefore the active width. The braiding index might increase,but crossing a threshold flow rate, many channels will join in a single channel and the braiding indexwill start decreasing.

All the models’ comparisons conducted in the numerical modeling part relate to models with the sameflow rate inflow.

2.1.5.3 Bed Relief Index (BRI )

In order to account of the transversal rippling and variations of the bed’s topography, the Bed Reliefindex was calculated according to Hoey and Sutherland (1991) formulation.


Figure 2.8: Typical transect of a braiding stream model, the red lines represent the channel widths considered asactive (not drawn to scale)

BRIHoe y = 1

(XN −X1)×

N−1∑i=1

√Z 2

i + z2i+1

2× (Xi+1 −Xi ) (2.2)

The BRI gives an idea about the transversal variation of the bed. A high BRI reflects a transversallyvarying bed elevation, which can be the sign of incised and/or multiple channels. A low BRI meansthat the bed topography is uniform along the width.

The advantage is that these results are independent of the flow rate and truly give an assessment ofthe bed’s topography. However, on the one hand, the BRI remains related to the studied bed width,which, in the case of braiding streams is rather subtle. On the other hand, the BRI will fail on capturingthe transition from braiding to a meandering like pattern. Indeed, the incision of a single channelin a breading bed will only increase the BRI although the water flows in a single, uniformly shaped,channel.

2.1.5.4 Active BRI

In order to address the issues evoked above, an additional BRI was calculated which only takes accountof the active channels (the Active BRI ). Indeed, the nodes’ altitudes are kept unchanged only if the wa-ter depth in the said node is greater than a threshold value. Otherwise, the node’s elevation is replacedby the average elevation of the cross section (see figure 2.9).

Figure 2.9: The adjustment of the bed topography, the dry areas are flattered

2.2 Flume experiments

The following is a brief presentation of flume experiments on braiding models, performed during mystay in IRSTEA.

As a reminder, the purpose for which the experiments were conducted is setting of the backgroundrelative to braiding systems’ dynamics and behavior and thus, planning the numerical modeling workand building a general idea of the expected results.


2.2.1 Material and methods

The flume experiments were performed in the flume of IRSTEA in Grenoble. The dimensions of theflume are specified in the figure A.1. The experiment consisted of applying, both solid and liquid,feeding at the inlet of an initially flat sediment bed. Five Runs were performed but only the last twowill be discussed hereafter, for the first runs were note very conclusive.

Figure 2.10: Sketch of the flume, the inflow comes from the U shaped hole

In both the Run 4 and Run 5 the slope of the initial bed was 2.7 %. The bed was initially flat with acentral incision of 5 cm wide and a depth of 1 cm of a bimodal mixture with a mean sediment diameterof D50 = 1.3mm (see table 2.1).

Sediment D16 (mm) D50 (mm) D84 (mm) σ

Fine 0.5 0.7 0.9 1.3Coarse 1.3 1.5 2 1.2Mixture 0.7 1.3 1.9 1.6

Table 2.1: Mixture’s characteristics, σ= 12 ( D84

D50+ D50

D16) is the grading coefficient

In the Run 4 the solid inlet discharge was first 1.59 g /s then was changed to 3.65 g /s after 45 minutes.The flow rate was 0.7 l/s. The whole run lasted 130 minutes. Run 5 lasted 215 minutes with constantsediment feeding rate of 3.65 g /s and a flow rate of 0.6 l/s except for the last 40 minutes. The flow ratewas increased at the end in order to observe the effect of a flood on braiding patterns.

2.2.2 Results

Both runs gave quite similar results. Indeed, the resulting braids were, to a certain extent, alike. Also,the experiments didn’t last long enough to allow a rigorous analysis of the influences of inflows varia-tions. However, they provided interesting results relative to braiding formation.

Starting from the initial topography, the first morphological changes that one can notice are the de-position of the coarse fraction of sediments as patches along the initial incision. This phenomenon,going along with banks’ erosion, agrees with the description of Ashmore (2009) of braiding initiationprocesses (first mode of the figure 2.3). Therefore, as the sediment deposition increases the bank ero-sion continues and causes the flow to become shallower, and thus, bars emerge.


Figure 2.11: Bed evolution in Run 5. Due to grain sorting effect, the bars, light colored, are noticeable and thebraiding pattern is quite visible. (The partial photographs of the flume were merged using Agisoft Photoscan)

In addition, the general shape of the initial straight incision tends to meander. The bars aren’t formed inthe exact center of the channel but somewhat alternate (see figure 2.11). This might suggest a crossingmode between the two modes defined in figure 2.3.

Passing this first steps, and as the channel width increases the average water depths decrease andnew channels are incised in initial bars. The formation of many avulsion stimulate formation of newchannel. This new channels "cut their way" through sediment bed, expand and so on.

This dynamics agreed with the observations of Leduc (2013). Indeed, the sediment used in this flumeexperiment is the same as the one used in the graded sediment experiments of Leduc (2013). Theflow rate, solid discharge and slope were, though, greater in the flume experiment done in this work.This differences impacted both the time and patterns’ scales. In fact, the time necessary for the fullformation of a braiding pattern,involving the entire flume surface, was approximately 1 hour and 15minutes, which is a lot less than experiments of Leduc (2013) with graded sediments (the braidinginitiation run lasted about 48 hours).

In terms of grains sorting, both experiments’ conclusions agreed. The grain sorting effect is highlynoticeable in bifurcations, channels merging and areas of flow direction changing. In fact, sediments,depending on their size, don’t follow the same path. For instance, at the front of a bar, when flow splitsin two channels, the coarse fraction of sediments, due to its higher inertia, fails on following the flowdirection, is ditched from the mainstream and therefore deposit on the upper part of the bar (see figure


2.12a) . Also, when two channels meet, the coarser sediments settle whilst the fine ones are transported(see figure 2.12b)

Figure 2.12: Grain sorting in flume experiment, a. the coarse fraction of sediments (light colored) is located atthe front of bars, b. the scouring hole turbulences wash away the fine sediments and leaves the coarse sediments

Figure 2.13: Bed elevation at the end of the Run 5 after the increase of the inlet flow rate

At the end of Run 5, the water flow rate was increased by 150%. The ensuing effect was an almost totalrevamping of the bed topography. The bed was highly eroded as the sediment transport increased.In addition, the erosion was accentuated at the upstream part of the flume, which tended to reducethe slope. The new channels’ shape became wider and almost straight (see figure 2.13) and the re-sulting bed morphology could no longer be assimilated to a braided pattern. Although it does notaccurately reflect the way flood occurrence (the sediment feeding was kept constant), this effect on thebed’s morphdynamics rejoined Bertoldi et al. (2010) observations of flood effect on the topography ofTagliamento river.

2.2.3 Purposes and limitations

Flume experiments are a good representation of their real scale prototypes Yalin (1992). They of-ten provide interesting and dense information in hydro-morphodynamics studies, which make themrather interesting for empirical equations’ building and also for numerical models’ calibration.

The purpose of conducting this experiments was first to consolidate the knowledge regarding braidingrivers morphodynamics, which knowledge will help setting the goals of the ensuing numerical model-ing work.

One other perspective of this experiments results was to use the resulting flume’s braiding patterns asa starting point for numerical simulation. A quite interesting approach in the sense that it will allow arelatively precise model calibration in addition to a critical discussion of the model’s ability to pursuethe development of the braiding stream and therefore the highlight of the strength and weaknesses ofthe model. In that respect, considering relatively small time steps, the evolution tracking will show inwhat extent the model’s behavior is comparable to the physical model’s.

The Digital Elevation Model (DEM) of the braiding physical model was acquired by the Photogram-metry method using Agisoft PhotoScan software (see Appendix A page 51). Nevertheless, despite theundeniable advantages of this method, the results were biased. Indeed, in some cases the error in the


bed elevation was of ±0.5 mm. Reported to the flume surface, this error will cause an incertitude of2.4 ·10−3 m3, which is, say, twice the ± volume changes between two successive measures. Such biasmake it impossible to conduct volumetric analysis of the bed’s evolution. In addition, the fact that theDEM of the bed was unpredictably distorted, made even the evolution tracking unreliable.

2.3 Conclusion and recommendations

This chapter set the necessary knowledge relative to braiding rivers’ pattern, its dynamics and param-eters to characterize its morphological evolution. The flume experiments underlined some processes,such as grain sorting, bars formation, avulsion involved in braiding’s initiation.

However, this flume experiment’s results could only be discussed qualitatively for the data acquisitionproved to be, to a certain extent, inaccurate. This drags one’s attention to the importance validatingthe measurement and data acquisition tools in order to have practicable data.

Besides, if the flume experiment are done in order to provide data for a further numerical modelingwork, one could use the recommendations listed hereafter:

• Prior investigation of the data necessary to the numerical model calibration;

• Good control and monitoring of the boundary conditions is highly advisable;

• Extra care in measurements and a good quantification of the bias;

• Reduction of the time step between data sets’ collection.

Chapter 3

Numerical Experiment

The previous chapter presented a brief description of the processes involved in sediment transport,morphodynamics, braiding and the various modeling alternatives. This chapter will concentrate onthe numerical modeling of an example of braiding river.

First, the model setting (from the geometry and boundary condition reasoning to the physical andnumerical parameter) will be introduced. Then, the simulations’ results will be exposed and analyzed.

3.1 Modeling with TELEMAC-Mascaret system

As previously said, the two dimensional modeling will be performed with TELEMAC-Mascaret system;the hydrodynamic part with TELEMAC-2D and the morphodynamics with SISYPHE. In that sense,a TELEMAC simulation coupled with SISYPHE will require three obligatory files: The geometry, theboundary condition, and the steering file for both TELEMAC and SISYPHE, in addition to a FORTRANfile which gathers the modified TELEMAC and SISYPHE subroutines.

The purpose of these experiments (see chapter 2) was to establish foundation knowledge relative tothe braiding phenomena. Accordingly, some of the model’s settings and calibration parameters wereinspired from, if not the same as, the flume experiment specificities.

3.1.1 The geometry

The domain, the bounded region of the plane which delimitates the mesh, is 10.75m long and 1.15mwide (see figure 3.8), which is the same width as the flume used in physical modeling and twice itslength. In addition, a small rectangle is added umpstream in order to withdrawn the input. This provedto effectively eliminate some stability problems such as massive erosion and/or deposition located atthe very first arrow of nodes.

Z Remark: The small rectangular part was set to be non-erodible, otherwise, and in the case when thesediment inflow is lower than the transport capacity of the liquid discharge, the first array of nodes willprovide an endless source of sediments. These sediments will directly settle at the entry of the domain(when the width brusquely increases) and cause the model to become unstable.

The used domain can be assimilated to a flat sheet with a central incision of 12cm width and 1cmdepth. A small random vertical perturbation pi is applied to each node i of the bed, with max(|pi |) =1.5mm (see figure 3.8). The slope is taken equal to 3.0% as the bed level decreases going from upstreamto downstream.

23

CHAPTER 3. NUMERICAL EXPERIMENT 24

Figure 3.1: The geometry of the model, a. the dimensions of the model reminds the dimensions of a flume, b.detail of the unstructured mesh, c. cross section of the model

3.1.2 The mesh

The meshing has a strong impact on both the geometry and the problem resolution. In fact, the gridquality will determine the accuracy of the idealized model and also the distance (step) between nodesthen, consequently, the accuracy of the calculus. However, the finer the mesh gets the longer the com-puting time becomes. In addition, one should keep in mind the expected accuracy level of the results.Indeed, at some point, an excessive refinement of the mesh will only increase CPU time with no signif-icant improvement of the results.

Besides, in this work, the same mesh will be used for both the hydrodynamics and morphodynam-ics. Accordingly, the choice of the mesh level of refinement is very crucial and will have, inevitably, aconsiderable impact on the results.

The meshing should be refined enough (small distance between two successive nodes) in order torepresent well the braiding morphology. On the one hand, a "coarse" grid will either not allow theincision of small channels or will result the formation of shallow ones. This can be problematic insofaras, for a given stream power, a channel with a small width and a great depth induces more bedloadtransport (Ashmore, 1988). On the other hand, the hydrodynamic of narrow channel is poorly modeledwith coarse meshes.

Both the shallow water equation (TELEMAC-2D) and the Exner equation (SISYPHE) with, respectively,finite element method and finite volume method, are solved using a computation mesh of triangularelements. This two methods are defined on meshes of data points. In such mesh, every node has afixed number of predefined neighbors. Therefore, the connectivity between these neighbors is used todefine mathematical operators such as the derivatives. In our case, these operators are then used toconstruct the equation to simulate.

The final mesh was chosen to be an unstructured grid of triangular elements with a default edge lengthof 0.015 m and a maximal edge growth ratio of 1.1. The resulting node and edges count is presented intable 3.1.

Nodes 61212Elements 120485Default egde lenght 1.5 cmBoundary nodes 1937Inlet nodes 9Outlet nodes 93

Table 3.1: Count of the domain’s nodes and edges


Z Remark: The refinement of the 2-D mesh is highly recommended in regions of high interest, nearthe banks and slope break for instance. However, since the purpose of this work is to analyze the abilityof TELEMAC2D/SISYPHE model to reproduce the initiation and evolution of the braiding pattern, theinitial topography was chosen to be flat with a central incision. Therefore, the mesh (or the nodesspacing) was chosen to be as uniform as possible throughout domain. Any localized mesh refinementwill inevitably influence, even slightly, the hydrodynamics and subsequently the morphodynamics.

3.1.3 Modeling organization

Before presenting the boundary conditions (section below), it is suitable to first present how the fol-lowing modeling work is organized.

Figure 3.2: Simulation organisation

Figure 3.2 summarizes runs’ organization. First, Run 0 starts from the initial model presented before,Run 0 is therefore the braiding formation model. Second, and once the braiding is established, threemajor runs follow. Basically, Run 00 is the continuity of Run 0. The boundary condition are kept thesame as prior Run 0. The two other runs, Run 01 and Run 02, are respectively, erosion and aggradation.In the first one, the sediment inflow was stopped, and in the second one, the sediment inflow wasincreased.

3.1.4 Initial conditions

The initial state from which the simulation starts is a flat sloping bed (3%) with a central incision of10 cm and a constant water depth of 2 mm on the whole domain. This last condition didn’t affect thebehavior of the model and was chosen only in order to insure the stability of the first time step’s.

3.1.5 Boundary conditions

The boundary conditions (BC) are kept as simple as possible with a constant discharge and sedimentinflow at the inlet. At the outlet boundary, the free surface level is taken constant and the solid transportrate is calculated with the specified transport formula.

RunsInlet Outlet

Qs (m3/s) Ql (m3/s) Qs (m3/s) Z f r eesur f ace (m)

Run 07.46×10−7

3.75×10−4Calculated withsedimenttransport formula

Const ant , 2 mmabove the initialbed level

Run 00

Run 01 0

Run 02 1.15×10−6

Table 3.2: Boundary conditions for each run


The table 3.2 gives the different boundary settings for each one of the runs. As one can notice, and inagreement with the previous section, the purpose of Run 00 is to see the braiding behavior in the sameconditions in which it was established. In Run 01 the sediment inflow was increased by 54 % and wascompletely stopped for the Run 02.

3.1.6 Modeling parameters

Unless otherwise specified, the modeling parameters which will be presented hereafter will remain thesame for all the runs. It is crucial for conducting an isolated analysis of the model response to differentforcings.

3.1.6.1 Numerical parameters

The 2-D simulations were performed using the finite element method for the hydrodynamics and thefinite volume method for the morphodynamics. The scheme used for the advection of velocities andwater depths were, respectively, the method of characteristics scheme and the mass-conservative dis-tributive PSI scheme. This parameters agree with the default numerical parameter of TELEMAC.

The used solver for the hydrodynamic propagation step is the conjugate gradient on normal equationmethod and conjugate gradient method for the turbulence model.

Regarding the tidal flats areas, TELEMAC-2D first detect the tidal flats zone, the equations are solvedeverywhere, and then a correction of the free surface gradient is applied.

Considering all these numerical parameters, and in agreement with the specified boundary conditions,the optimum time step of each iteration was therefore t = 0.01s. Which gives 3600 / 0.01 = 360000iterations for 1 hour simulation.

3.1.6.2 Hydrodynamics

The boundary conditions are already presented in previous sections. The remaining hydrodynamicsparameters to be presented are therefore the turbulence model and the bottom friction law.

The turbulence model considered is the "constant viscosity" model, the advantage of this model isthat it requires a lower refinement level of the mesh (compared to the K-epsilon) and therefore reducesthe CPU time. The overall viscosity coefficient (molecular + turbulent) is 10−6 m2/s (water at 25C ).This velocity diffusivity parameter has an impact on both the shape and extent of recirculation.

Bottom friction law, it is one of the most important hydrodynamics parameters, for it conditionsthe water velocity and also the bed shear stress, which controls the sediment transport rate. The fric-tion law is considered to be the same in the whole computation domain. The used friction law is theStrickler’s law with the a Strickler coefficient of K = 50m1/3/s.

One should note that the Manning-Strickler is not well suited for small relative flow depths (Ferguson,2010; Rickenmann and Recking, 2011).

3.1.6.3 Morphodynamics

The simulation parameters for the morphodynamic module (or the SISYPHE steering file’s inputs) areas follows.


Sediment mean diameter Unless specified otherwise, the sediment used has a mean diameter ofD50 = 0.8 mm. Which corresponds to coarse sands (according to the Wenthwort grain size chart).The use of uniform particle size allows to conduct an analysis without consideration of the hiding andexposure effects.

The transport formulas which was used for the four runs (0, 00, 01 and 02) is the classical Meyer-Peter-Müller formula (see 1.2.3 page 3). In addition, the Ashmore (1988) and Van Rijn (1984) formulaswas used in other following runs.

Shields parameter The critical Shields number is taken equal to θc = 0.047 when Meyer-Peter-Müllerformula or Van Rijn (1984) formula are used. However, when the simulation was run with Ashmoreformula (1988) the critical Shields parameter was set to θc = 0.045 (see section 1.2.3).

Bed slope effect and deviation On the one hand, the modeling includes the effect of the (transverse)slope on sediment transport. It amounts of taking in consideration the direct effect of gravity on parti-cle on a sloping bed. Indeed, the gravity adds a force’s component which can encourage or discouragethe initiation of the transport, in other terms; the slope effect has an influence on the threshold shear-stress (Soulsby, 1997). The critical Shields θc parameter is therefore adjusted via the Soulsby (1997)formula. Depending on the slope angle, the angle of repose and the relative direction of the flow tothe slope direction, the threshold shear-stress value will either increase or decrease. The new criticalShields θβc parameter is calculated according to Soulsby (1997) formula (3.1) (see figure 3.3).

θβc

θc= cosψ× sinβ+ (cos2β× tan2φi − sin2ψ× sin2β)1/2

tanφi(3.1)

On the other hand, the change of the direction of solid transport is also accounted for by the use ofdeviation’s formula (Tassi and Villaret, 2014; Talmon et al., 1995):

tanα= tanδ−T∂Z f

∂n(3.2)

Where α is the direction of solid transport, δ is the direction of the bottom stress in relation to flow di-rection, Z f is the bed level and n the coordinate along the axis perpendicular to the flow. T is calculatedaccording to Talmon et al. (1995) formula:

T = 1

β2pθ

(3.3)

in which β2 an empirical coefficient taken equal to 0.85 (which is suitable for flume experiments).

Figure 3.3: Motion of sediment on a sloping bed. Whereψ is the flow angle and β the slope angle (Soulsby, 1997)


In addition, De Linares (2007) recommends the use of the bed slope effect and deviation parameterjoined. The account of only the bed slope effect may lead to the establishment of unrealistic and steepslopes. Indeed, the slope effect increases the sediment transport rate in sloped areas. However, thiseffect will “soften” the bedform only if the sediments are deviated in the descending slope direction.

Secondary currents Although the model is two dimensional, SISYPHE allows to take into accountinfluence of the secondary currents, such as helical or spiral flow effect, on sediment transport. In-deed, the bedload transported sediments are deviated from the main stream because of such effects(Tassi and Villaret, 2014; Wu, 2008). The sensitivity analysis conducted by Schuurman et al. (2013) onhis numerical model of braiding rivers highlighted the importance the consideration of these effects.Neglecting the secondary currents influence slowed the establishment of braiding and resulting barsand channels were shallower. The deviation angle δ caused secondary currents effect is implementedin the model via Engelund (1974) formula:

t anδ= 7h

r(3.4)

in which

r =−ρα U 2

g ∂Zs∂y

′ (3.5)

The coefficientα is taken equal to 1, in agreement with the recommendation to relatively smooth beds.

Z Remark: The Appendix B page 55 presents the steering files for the TELEMAC2D and SISYPHErelative to the simulation of the Run 0.

3.2 Results presentations’ plan and expected results

The following sections are the presentation of the results achieved with the 2-D modeling. First, theRun 0 and Run 00 results will be exposed in the same section. The second section will present theresults of the Run 01 and the third the results of Run 02. Also, additional simulation models will bepresented.

According to flume experiments’ observations (see chapter 2) and literature revue, the model is ex-pected to start with bar formation processes, and then to initiate the braiding pattern. Therefore, onthe one hand, once the braiding pattern is established, the increase of the sediment supply shouldlead to an aggradation phase in which the braiding should continue developing. On the other hand,the cancellation of the solid inflow will lead to a progressive narrowing of a main channel and so thetendency to a meandering pattern.

3.3 Results

3.3.1 Establishment of the braiding pattern(Run 0 and Run 00)

As a reminder, the bed’s slope is 3%, the solid inflow is 7.46×10−7 m3/s, the liquid inflow is 3.75×10−4

m3/s and the transport formula used is Meyer-Peter-Müller (1948).


3.3.1.1 Emergence of the braids

First, as the simulations starts, one can notice the changes on the central incision. Indeed, the banksare eroded and therefore the central incision’s width increases. The sediments coming from the inletboundary added to the mobilized volume from the bank erosion contribute to the increase of the bedlevel. This, added to widening of the channel, increases the width-to-depth ratio (see figure 3.4). Inother terms, the channel becomes shallow and therefore the sediment transport capacity decreases.The sediment are deposed and the first bars appear.

Figure 3.4: Bed evolution through time (Run 0)

The bar develop a curved convex shape with a central "peak" (see figure 3.5). This causes the waterflow to split and flow on the sides of the central bar. Passing the central bar, the junction of the twochannel streams (confluence) lead the increase of the transport capacity and the appearance of a pool.One can also notice the forward migration of this bars in the downstream direction.

This pool formation and migration processes are well described in literature (Leduc, 2013; Ashmoreand Parker, 1983). The confluence of channels creates a highly turbulent zone which destabilize locallythe bed and lead to the digging of a scour hole. The migration of the channels and therefore theirjunction cause then also the migration of this scour hole.

Figure 3.5: The formation of bars, a. the bed’s topography (Run 0), b. cross section of the bed, in red the crosssection of a bar and in blue the cross section of a scour hole

One can also notice that the velocity field is not always symmetrical. Indeed, the velocity vectors tendto oscillate (see figure 3.6).

This first phase lasted about 40 minutes. At a certain point, the bars are exposed and the continuousaggradation causes the elevation of the bed level. Consequently, some channels start flooding and thewater start flowing on what can be assimilated to a “flood plain”. Therefore, if the shear stress is highenough, the incision of a new channel initiates (see Appendix C). These observations suggest that thebraiding initiates by combined aggradation and erosion processes.

The forward migration of this bars toward the downstream direction is also observable on the model(Appendix C page 59).


Figure 3.6: Velocity field (Run0)

3.3.1.2 Braiding

After 1 hour, the bed morphology becomes similar to the braiding patterns observed in both in thefield and flume experiments. The braiding morphology is rather realistic and the model shows sev-eral noteworthy morphologies typical to braiding rivers. After the first hour to the end of Run 0, thebraiding develops but in a much slower motion than for it initiation. Figure 3.7 shows the resultingbed topography after 2 hours and 13 minutes (the end of Run 0). One can notice the splitting/meetingof multiple channels, the bars and the scouring holes.

Figure 3.7: Resulting bed topography at the end of Run 0 (02:13:00)

Passing the second hour to the end of Run 00, the bed seems to evolve and change. However, analyzingwater depth, water velocities and solid discharge reveals that even if the bed relief seems undulatingand varying, the water mostly flows in single channel. Consequently, one can state that the highlyrippled bed forms are only the remainings of a previously braiding stream. This issue will be discussedin more details in the next section.

3.3.1.3 Analysis of the results

This subsection will be dedicated to the analysis of the results obtained from Runs 0 and 00. Thediscussion will be based on some morphometric parameters introduced in chapter 2.


Data extraction grid The bed levels and water depth necessary to calculate the morphometric pa-rameter were extracted from the model in specific points. The whole of these points can be assimilatedto the node of a structured grid. Indeed, the spacing of these nodes is constant in the x and y direction:∆x = 0.01m and ∆y = 0.075m.

Figure 3.8: Data extraction zone with a structured grid

The use of a uniformly spaced data extraction grid is convenient, for it eases the data operating and alsofacilitate the calculation of indices which require, for instance, elevation information along a transect(such as the BRI and the braiding index). In addition, the data extraction grid doesn’t cover the entirecomputation domain (see figure 3.8). The reasons near the boundaries are avoided.

Data extraction transects For each run, the bedload discharge changes through time were extractedin four cross sections. Their locations and names are specified in the figure 3.8. Thus, these four sec-tions delimitate three zones which will be designated by upstream zone, middle zone and downstreamzone.

BRI and active-BRI As a reminder, the Bed Relief Index of Hoey and Sutherland (1991) (BRI) reflectsthe transversal variability of the bed around the average elevation and the active-BRI is the BRI withonly the account of active channels (in here the threshold value over which a channel is considered asactive is a water depths of dh = 2 mm). Both are expressed in meters.

The figure 3.9 shows the BRI and active-BRI evolution over time for Run 0-00. The active-BRI is lowerthan the standard BRI because, at the beginning, not all the flow is contained in the first incision, andtherefore a thin layer (lower than 2 mm) of water pours over the banks. During the first 30 mi n boththe indices decrease, which is due to the shallowing of the central incision. This first profile smoothingphase is followed by a renewal of the transversal irregularities of the bed which indicates bar formation.

Figure 3.9: Evolution of the BRI and active-BRI of Run 0−00

The bars emergence is also captured by the active-BRI . Indeed, a small decrease can be noticedaround the first hour, whilst the standard BRI increases. This means that the bed continued changingits transversal profile while a dry zone has emerged.

The continuous increase of the BRI means that the bed is constantly remodeled. However, passing thesixth hour, the BRI ’s evolution slows and the active-BRI becomes almost constant. This ascertainment


reflects a tendency of the system to convert to a single-thread channel: the water flow migration to asingle channel phase is shown by the decay of the Active-BRI and a slight increase of the standardBRI . Then, the single channel start incising, which increases the total horizontal variation of the bedbut leaves the active active-BRI almost constant.

It is indeed interesting to plot both these indices. As both consider the same width, the growing diver-gence between the BRI and active-BRI proves that even though the bed is remodeled, only a smallfraction conveys the water.

Slope Three average slope are calculated, the slope of the upstream half of the data extraction zone(see figure 3.8), the slope of the downstream half and the mean slope.

Figure 3.10: Evolution of the slopes of Run 0−00

First thing noticeable, is that Run 0 − 00 was characterized by three phases. The general shape ofthe bed started by becoming convex, then, after the 35 minutes, became concave, and once againbecame convex. The first phase was due to the deposition of inlet sediments at the upstream partof the flume on account of the sudden widening of the domain. Consequently, the sediment deficitcaused the erosion of the middle of flume, which sediment will be deposit in the downstream part.This observations rejoin the observation of Leopold and Wolman (1957) showed in figure 3.11. Thisschematic profile clearly shows that the upstream half has a higher mean slope value. In addition, theprofile shape seemed to translate in the downstream direction, the aggraded pile shifting will graduallyreverse the convexity (passing from convex to concave), and again, when the "sediment wave" reachesthe downstream part, the bed shape regains its convex like shape. This processes is clearly seen in thefigure 3.10. Indeed, the conveying of the sediment wave affects the partial mean slopes.

Figure 3.11: Diagrammatic profiles of the bed’s evolution (Leopold and Wolman, 1957)

However, slope decreasing indicates an adjustment of the topography in order to adapt to the bound-ary condition (or control variable). This can indicate that the system is at sediment supply limitation.


Nevertheless, at a certain point a width averaged slope accounting for the total width became some-what irrelevant. In fact, the BRI and visual analysis of the bed topography showed that after the sixthhour the stream transform to a single-thread channel. Consequently, only the topography of a smallfraction of the width reflects the hydro-morphodynamical status of the system. Calculating the slopealong the main channel showed agreement with this statement, for the slope of the main channel atthe end of Run 00 was 2.59%, which is less than the mean slope of the whole data extraction zone.

Volume Figure 3.8 shows the the domain’s fragmentation to the three subdomains considered toohereafter. The volume is supposed to be 0 at the beginning.

As figure 3.12 shows, the system is continually aggrading.The volume evolution of the three parts con-sidered separately shows how bed changes occur and how the slope changes occur. Also, the decreaseof total volume between the sixth and seventh hour of the Run 0 can be correlated to the beginning ofthe abandonment of the braiding pattern to a single channel morphology.

Other interesting remark is the rapid increase of the volume of the downstream part after the ninthhour. One can notice that the downstream aggrade (and the width averaged slope decreases see figure3.10), but the middle part volume remains practically constant. Therefore, the central part of the flumeonly conveys the sediments from the upstream to downstream in a rather stable way, which is moreakin to the behavior of single-thread channels.

Figure 3.12: Evolution of the bed’s volumes of Run 0−00

Bedload transport rate The sediment transport is monitored at 4 transects (see figure 3.8) whichdelimitate the surfaces considered in the volume analysis. The location of the transects eases the con-frontation with volume changes. Although, the sediment transport rate gives basically the same infor-mation as the volume formation, the bedload transport rate brings more insight on the inertia of thesediment transport (see figure 3.13). Indeed, one can notice for instance the high variability of sedi-ment transport and its relative stabilization after the ninth hour (except for the last transect in whichthe transport rate remains highly varying; which can also be related to the fact that the D section isclose to the outlet boundary).

Figure 3.13: Evolution of bedload rates at different transects in Run 0−00


In addition, the simulation results showed that despite the multitude of channels, only a few (one totwo in this model) are responsible for the solid transport and bed’s morphological changes (see figure3.14). This agrees with the observations of Ashmore et al. (2011).

Figure 3.14: Water’s velocity field vs. bedload transport rate. The channel’s activity is limited to a narrow bandalong one to two channels.

3.3.2 Erosion (Run 01)

This section investigates the response of a braided model (resulting from RU N 0) to the cancelling ofsediment feeding. The flow rate was kept constant and the sediment inlet was stopped.

Z Remark: As a reminder, the following runs (erosion and aggradation) start from the final stage ofthe Run 0. The new boundary conditions of each of the next runs occur after 02 : 15.

BRI and active-BRI The Bed Relief Index increases as the bed evolves in time (see figure 3.15). Theresults exposed in Appendix C show indeed the incision of channel due to the sediment deficit. Theincision of a main channel adds to previous bed variation, and therefore the BRI continues on in-creasing. However, the active-BRI only accounts of the variations of bed surfaces under water (thethreshold value is taken equal 2 mm). In fact, one can notice the relatively slow evolution of the active-BRI , which is a reflect of two phenomena: the narrowing of the main channel with the decrease ofits width-to-depth ratio and the progressive conversion to a single-thread channel, then its ongoingnarrowing, which happen from the upstream to the downstream (see Appendix C).

Figure 3.15: Evolution of the BRI and active-BRI ( Run 01 starts at 02 : 15)

In comparison to the values of Run 0−00, which were also increasing. One can notice that the Run01’s values of BRI and active-BRI are higher, which reveals that the single channel resulting from Run01 is narrower.

Here again, the increasing divergence of the two indices reflects the change of the alluvial style of themodel, which was rather expectable, since the sediment supply was stopped.


Slope The mean slope of the whole bed continuously reduces along the simulation (see figure 3.16).This result agrees with general field and flume observations and also with the Lane’s Balance principle.However, the upstream and downstream mean slope considered apart, show how the slope adjustmentprocess occurred. Indeed, the upstream slope remained lower than the downstream one for about 9hours. The width average bed profile had a concave shape during this phase. This observations are theresult of the transfer of the sediment budget from upstream to downstream, which describes the slopeadjustment process. After this adjustment period, the bed slope seemed to stabilize.

Figure 3.16: Evolution of the slopes (Run 01 starts at 02 : 15)

Considering the transformation of bed style to a single channel one. The slope of a width averagedprofile becomes quite irrelevant. In that sense, the slope of the main channel was measured. Thechannel slope was equal to 1.99%, which is less than the mean slope of the whole bed.

Volume and bedload transport rate As soon as the sediment inflow is stopped, the bed’s volumesstart declining 3.17. The observations made in the slope analysis part are verified. The upstream waseroded, the sediments passed by the middle part, and then caused aggradation of the downstreampart.

Figure 3.17: Evolution of the bed’s volumes (Run 01 starts at 02 : 15)

Sediment transport also confirms this observations (see figure 3.18) and shows a general decrease ofthe sediment dynamics at the end of Run 01. Actually, the graph represents the transport capacity ofeach transect. The transport capacity is equal to the sediment transport rate only if all the sedimentscan be mobilized. At the section A the water start flowing on the non-erodible font, which biased theresult (the dotted part of the plot).

According to this results, one can state that the model succeeded on reproducing the effect of the weak-ening (or canceling) of the sediment inflow. A single channel starts developing, incising and narrowing.Consequently, the slope adjust in order to bring the stream to the equilibrium state relative to the newboundary conditions.


Figure 3.18: Evolution of the bedload rates at different transects ( Run 01 starts at 02 : 15)

3.3.3 Aggradation (Run 02)

This section investigates the response to braiding model (resulting from Run 0) to the increase of thesediment feeding. The flow rate was kept constant and the sediment feeding was increased by 54%.

BRI and active-BRI The Hoey’s BRI continues increasing, as in the two previous runs. The bedchanges in appendix C shows indeed an incision of a main channel. In fact, the sediment feedingdidn’t maintain the braiding morphology.

Figure 3.19: Evolution of the BRI and active-BRI ( Run 02 starts at 02 : 15)

The active-BRI shows that a certain equilibrium is reached after the seventh hour. The active-BRIremained almost constant, meaning that the dominant channel didn’t incise nor flatten. However theincrease of the standard BRI combined with a constancy of the active-BRI indicated that the totalbed’s topography encountered some changes, but the average channel’s shape remained at rest. Inother terms, although it moves within the domain, the dominant channel’s shape remains almost con-stant.

Slope The slopes variations (see figure 3.20) remind the ones of Run 0−00. The profile’s convexitychanges compare well. A closer look to this slope variation showed that the shifting from the concaveprofile to a convex one happens sooner in this run than in Run 0−00. The aggradation process at theupstream part is accelerated by the abundant sediment feeding.

The peak of the total and upstream slope at 06 : 30 is characteristic of the collapse of the sedimentdeposit at the inlet and its gradual propagation through the domain.

Volume and bedload transport rate The volume and bedload transport rate increases are noticeablein the figure 3.21 and 3.22 respectively. The system’s volume increases gradually until a certain thresh-


Figure 3.20: Evolution of the slopes (Run 02 starts at 02 : 15)

old value is attained and then decreases. This diminution is due to the discharge of the sedimentscaused by the failure of the heap of sediments previously formed.

Figure 3.21: Evolution of the volumes (Run 02 starts at 02 : 15)

Figure 3.22: Evolution of the bedload rates at different transects (Run 02 starts at 02 : 15)

The transport rates seem to stabilize, which agrees with the hypothesis of the systems achievement ofequilibrium. Tough, the transport rate at the transect B remains variable, which is a result of the factthat the transect B cuts the bed in a multiple active channels section (see appendix C), the transportdynamics are therefore fluctuating.

3.4 Additional results

The following is a short presentation of other braiding streams simulations. Their aim was to broadenthe view of TELEMAC2D/SISYPHE abilities on reproducing braiding morphologies with the account ofother parameters. Besides, the analysis of these new results will provide additional bases necessary tothe assessment of the models strength and weaknesses.


Hereafter, the models’ results will be discussed briefly and mostly in a qualitative way.

3.4.1 Variation of the water inflow

Two additional model runs were done in order to investigate the influence of the variation of the waterdischarge on the maintaining of the braiding pattern. The first one accounted for the flow rate variationusing a hydrograph with a randomly oscillating discharge over time. In the second one, the directionof the flow at the inlet was changed over time in a random motion.

On the one hand, the variation of the flow rate wasn’t very conclusive. The hydrograph random varia-tion didn’t prevent the progressive transformation of the pattern to a single-thread channel.

On the other hand, the random variation of the velocity vectors direction gave rather interesting results.The braiding pattern seemed more developed (see figure 3.23) and "maintained" longer than in thecase of constant inflow direction.

Figure 3.23: Water velocity field of the after 3 hours, a. with random variation of the inflow velocity vectors, b.with a a constant direction of the inlet’s water velocity vectors

3.4.2 Ashmore and Van Rijn

Both these bedload transport formulas are presented in the chapter 1 section 1.2.3. The Van Rijnformula was already available in SISYPHE’s subroutines and the (Ashmore, 1988) formula was imple-mented in the model.

The results produced by each one of these formulas were quite different (see figure 3.24). The bedstopography seems more evolved for the Van Rijn model. Compared to the results of the previous runs,one can state that the Ashmore formula underestimates the sediment transport comparing to Meyer-Peter-Müller and Van Rijn formulas.

Figure 3.24: Elevation of the bed resulting after 3 hours with a. Van Rijn (1984) transport formula and b. Ash-more’s (1988)

3.4.3 Widening of the domain and slope change

The widening of the domain and the slope change had the expected effects on the morphodynamics.On the one hand, the widening gave caused the water to spread. With the same flow rate as the previous


simulations, the shear stresses observed in the wide domain simulation were inferior and thereforethe sediment transport low. This caused the deposition of the inflow of sediment at the entry of thedomain. Although, this behavior cannot be discussed with the principle of Lane’s Balance (the valleywidth isn’t accounted of in Lane’s representation), one could state that the sediment deposition at theinlet steepens the slope in order to increase the transport capacity to meet the sediment inflow.

On the other hand, the change of the slope showed that the braiding only occurred in the higher slopearea, whilst the upstream low slope area was gradually steepening to adapt to the sediment inflow. Thefigure 3.25 shows clearly this result, which also reminds of the figure 2.4 page 13.

Figure 3.25: Bed’s elevation. The morphological changes clearly shows the influence of the initial slope

3.4.4 Sediment grading effects

An additional run was done with consideration of bimodel sediment mixture. The material used inthis model is a mixture of two sediments classes of a mean diameters of 0.65 mm and 0.95 mm. Atthe beginning of the simulations, the volume fraction of each sediment class is 50% and both cases areuniformly distributed in the whole domain. The global mean diameter in this case is 0.8 mm, which isthe mean diameter of the uniform material considered in all the other simulations.

The classical active layer model of SISYPHE was chosen for this simulation. The active layer was con-sidered with 1 cm thickness, which is high but helped avoiding the simulation failures due to excessiveerosion in some areas. SISYPHE computes the sediment’s load, and then solves the Exner equation foreach class separately. The two separate evolution values are summed to give the global evolution.

The results presented in figure 3.26 showed a development of the braiding similar to the pattern re-sulted from uniform material model. The results also showed a rather noticeable grain sorting. Thechannels were usually lighter (which is the color of the coarse sediment class). However, this doesn’treplicated well the observations made for the flume experiment. The grain sorting at the channels canbe explained by the flushing of the fine sediments due to their high mobility. However no clear conclu-sion can be made regarding the model’s accuracy on representing the grain sorting phenomenon.

Figure 3.26: a. Bed’s elevation of the bimodal material model after 3 hours, b. the velocity field, c. the grainsorting

Chapter 4

Discussion and conclusion

In this chapter, the results previously exposed will be analyzed. Indeed, the aim of the following re-sults’ discussion is to assess the accuracy of the braiding model in light of its morphometric param-eters and dynamics. Consequently, the model’s ability to imitate braiding streams characteristics willbe discussed. Hence, conclusions regarding TELEMAC-Mascaret modeling system, or more specifi-cally TELEMAC2D and SYSIPHE modules, as tool for the numerical modeling of braiding rivers will bediscussed. These discussions will lead to the building of directions for future model’s improvementand development.

4.1 Discussion of the results

First, Run 0−00 showed how the model initiated the braiding pattern. Indeed, at the beginning of thesimulation, the bed starts evolving as a reaction of the hydraudynamics and sediment inflow. The re-sults showed realistic initiation processes in agreement with flume observation as described by Leduc(2013), (Leopold and Wolman, 1957) and Ashmore (1988, 1991, 2009). However, observations of thebed evolution after 15 minutes showed the co-occurrence of the two modes and also, to some extent,the superposition of theses said modes. This was also observed in flume experiments (Chapter 3), andtherefore gives a good appreciation of the model’s accuracy in capturing such processes.

However, the observations on the bed’s evolution, BRI , active-BRI , slopes and volumes changes agreedwith the typical initiation’s path of braiding streams. However, passing a certain time, the model failedin maintaining the braiding pattern and the flow gradually merged into a single channel. This behav-ior could be related to insufficient sediment feeding, or to inadequate representation of the processescontrolling bars and bank’s erosion.

The following runs, Run 01 and Run 02, investigated the effect of, respectively, the canceling of thesediment inflow and its intensification. On the one hand side, the model respond as expected to thecanceling of solid feeding. A single channel, with a lower slope, and conveying all the flow rate, formedprogressively from upstream to downstream. On the other hand, Run 02 didn’t respond as expected.Indeed, the increase of sediment discharge didn’t prevent the transformation of the active pattern intoa single-thread channel.

At the end, after 13 hours, the three simulations converged to a single channel stream, each of whichhad a different width, sinuosity and slope. As one can foresee, the higher the sediment inflow, thesteeper the main channel’s slope.

Besides, the comparison of the braiding indices (Ashmore, 1991) in figure 4.1, confirmed that the mod-els failed in sustaining the braided pattern for the three runs. The decrease of the braiding index wasalmost the same, and happened at the same time, regardless of the boundary conditions. This suggests

41

CHAPTER 4. DISCUSSION AND CONCLUSION 42

that, besides the boundary conditions, other causes are involved in the systems’ tendency to convergeto a single channel configuration:

Figure 4.1: Comparison of the braiding indices (Ashmore, 1991) of the three runs

• The lack of variation of the inflow discharge;

• The unvarying inlet location;

• The insufficient refinement of the mesh as it doesn’t represent well both the hydrodynamics anderosion processes near the banks.

The second part of the modeling work related to the influence of additional model’s parameters. Theresults of the widening of the domain and the changes of its slope are rather obvious, and thus, don’tneed further interpretation, yet they agree with general observations of braiding rivers morphologicalresponse to the valleys topography. However, the remaining simulations gave additional insights onthe model particularities.

First, the random variation of the velocities vectors’ direction at the inlet nodes proved to be moder-ately effective in terms of sustaining the braiding pattern. This fact underlines the importance of a sus-tained perturbation of the flow to maintain a braiding pattern. However, as the simulation forwardedin time, the braiding was abandoned in favor of a main single channel. Also, when the flow directionwas varied the braids only maintained longer, but did not evolve into another analogous braiding pat-tern. Which weighs in favor of the lack of representativeness of banks erosion processes as a limitingfactor for braids development.

Second, the changing of the transport formula influenced the formation of braids, which developedsooner when Van Rijn bedload formula was used. For a same shear stress value, different load formulaswill give different results. However, one should keep in mind the effects of the nonlinearity of sedimenttransport equations as stated by Recking (2013). The presented Ashmore formula has been developedwith the account of the active width averaged shear stress, Meyer-Peter-Müller and Van Rijn on thebasis of narrow flume experiments, whilst TELEMAC2D computes the shear stress per node. Conse-quently, the causes of these differences of results can be partially justified by the nonlinearity of theload equations (see figure 4.2).

Figure 4.2: Bedload rate for the first two hours at the section A of the model according to different formulas

Indeed, Recking (2013) showed that such effects are even greater when the exponent of the shear stressis high. The exponents of the sear stress in Ashmore, Meyer-Peter-Müller and Van Rijn formulas are


respectively 1.37, 1.4, and 2.1. This results highlight the importance of care on the choice of transportformulas depending on the dimension of the problem, for the transition from a 1D to a 2D model willnot be without consequences.

Finally, accounting of two sediments classes allowed to assess the model’s ability of reproducing sed-iment sorting effects. Tough, some other phenomena, such as, the sliding of patches of coarse sedi-ments and the alternate bars material sorting were observed. But, the results didn’t compare well withflumes experiments’ results. This might indicate a poor formulation of the grain sorting effects on the2D module.

The discussion above showed how the model succeeded on representing the braiding initiation and,in opposition, it failed on maintaining this braiding pattern. In fact, the lack of channels dynamics wasapparent and is to be attributed the models failure on sustaining dynamic and mobile braids. But, be-fore starting the discussion of the numerical effects on the braiding evolution, it would be suitable tofirst recall that during the modeling work, the setting of the boundary conditions for instance, provedto be delicate task and rather limitative. In addition, in many circumstances an unrealistic and mas-sive accumulation of sediment happened at the boundary nodes, or, exaggerated erosion/aggradationoccurred in located nodes. This model instabilities compelled additional effort in the model’s calibra-tion.

In that sense, the models lack of dynamic couldn’t be addressed by lowering the implication coefficientfor it will deteriorate the model stability. Conversely, increasing the numerical diffusion would producesmoothed results and therefore damp, to a certain extent, the morphodynamics.

Besides, the model’s stability is also conditioned by the mesh quality, which in turn impacts, not only,the CPU time, but also the results’ precision. Furthermore, in a 2-D simulation the edges’ length willforce the minimal channel width. In fact, channels narrower than twice the distance between twonodes will not form. The small channels’ (in terms of number of nodes per cross section) of evolutionsis very constrained: Figure 4.3 shows the irrepresentable (in red) channel evolution and free surfacesin the case of a 3 cross nodes channel. In addition, a very high slope in a coarse 2-D mesh will causethe relative elevation of two consecutive nodes to be high, which will yield to bad interpretation of thefree surface transversal profile (see figure 4.3e. and f.).

Figure 4.3: Possible (blue) and impossible (red) channels’ cross sections (a., b. and c.) and the free surface (d.,e.and f.)

Which brings the discussion to the last point: the impact of mesh refinement on the representativelyof the banks and therefore the impact on the bars’ erosion processes.

Yet, one could first recall the observations made on the models’ gradual transition to a single-threadchannel in Run 00 and Run 01. The bed initially braided progressively formed a relatively wide, deepand low slope channel which carries the imposed flow rate. This conversion reminds of the observationof Tal and Paola (2010) resulting of the effects of vegetation on braiding channels in flume experiments.

Indeed, the experiments results showed that the vegetation causes the previously bare braiding pat-tern to transform to a meandering like stream (see figure 4.4). This transformation of the morphologyis caused by the development of the plants and the ensuing effects, such as, the slowing the rate of


channels’ widening and definition floodplains. The figure 4.4 emphasizes the analogous aspects ofbraids’ transition to meander of braid due the numerical model’s limitations and due to floodplainvegetation.

Figure 4.4: a. Transition from a braiding pattern to a single-thread channel caused by the vegetation of thefloodplain (Tal and Paola, 2010), b. Similar transition observed in the Run 02 (the choice of colors only servesillustrative purposes)

In this sense, the constraint of the mesh’s level of refinement as a limiting factor for small channelincision and evolution can be compared to the effects of vegetation on discouraging the reactivationchannels, which is typical to braiding streams dynamics (Ashmore, 2009). This lack of braiding’s dy-namics was also observed in other numerical modeling studies (Schuurman et al., 2013).

Therefore, the two major limitations of the 2-D model can be related to the refinement of the mesh.However, as stated before, the number of nodes as a direct incidence on CPU efforts. Consequently,reducing the nodes spacing can make the simulation too much time consuming or even impossible.Besides, the constant refinement of the mesh can reveal to be inefficient for it will also increase themesh definition in low interest areas. Conversely, the adaptation of the mesh to the bed’s relief (closenodes in sloping areas like banks and bars’ edges for instance) can reveal to be only efficient in shorttime scale studies since the channels pattern changes over time. The solution is therefore to have amesh which will constantly adapt for example to the beds topography.

The figure 4.5 shows an example of an adaptive mesh. In fact, the resulting grid is refined near thebanks and left coarse in relatively flat zones. Indeed, multiplying the nodes defining a bank will in-crease the model accuracy in these high interest regions and therefore allow a better erosion processes’representation.

In this illustrative example, first, the variation areas’ detection was conducted by calculating the deriva-tive of the bed’s elevation in the transversal axis. The evolution of the bed’s along the transversal axiswas then used to create a density layer which assigns a high nodes’ density to high variation segmentsand conversely, low density to the flat ones. Finally, this density layer is used to create the new adaptedmesh. As one can notice, this process can easily be automatized and integrated to models. Though, themesh generation itself is also time consuming especially in the case of triangular unstructured meshes(which proved to be favorable for the finite volume method). One should find a compromise betweenmesh actualization frequency and mesh maximum and minimum refinement level.

Other aspect of the mesh refinement process that should be considered with care is the choice of thethreshold criterion. In the example above, the mesh refinement was linked to the variation of the to-pography along the cross section. This method will have the disadvantage of unnecessarily increasingthe resolution even for dry undulating lands for example. Many criterions can be chosen, for instance:

• 2-D variation of the bed’s elevation;

• Water depths variation;

• Velocity gradient;

• A weighted combination of this parameters;


Figure 4.5: Example of mesh adaptation process. a. the initial mesh with constant nodes’ spacing (9536 nodesand 18632 elements), b. the detection of high bed’s variation areas, c. adapted mesh to the bed’s relief with ahigh resolution in sloping zones (7626 nodes and 14987 elements)

4.2 Conclusion

The present report aimed at modeling the sediment dynamics in a braiding streams. To do so, a 2-D coupled hydro-sedimentary model (TELEMAC2D coupled with SISYPHE) was used. The braidingstream model was inspired from prior flume experiments. Three major cases were simulated in orderto investigate the braiding formation and evolution in response to different forcings. Additional runswere done so as to broaden the assessment of the model capabilities.

The choice of working with model with a flume like dimensions model was motivated by data accessi-bility and availability of benchmarks in literature.

The main conclusions of this report relate to the model’s ability to generate realistic braiding patternand representing its dynamics. In that sense, the simulation results showed that the 2-D model suc-ceeded in replicating the braiding initiation phase and the resulting pattern was presented realisticfeatures. However, the braiding pattern didn’t maintain in any of the simulations. Besides, the addi-tional runs showed that the model reacted accurately to other forcings such as variation of the initialslope, widening of the braidplain, but failed on simulating sediments grading effect in the case of bi-modal material. It also revealed that inlet perturbations improve the maintaining of braids, however,it didn’t address the issue completely.

Though, one can state that most of the model’s strengths mentioned above are not only specific toTELEMAC, but can also be associated to other 2-D physics based model. In fact, the success of TELEMACon reproducing the braiding formations for example, is mostly associated to the fact that the mathe-matical formulations of the physical phenomena are accurate and thorough. Still, TELEMAC-Mascaretmodeling, with its high flexibility and extensibility, allows benefiting from the advantages of a physicalbased model.

However, the main disadvantages (which can also be exported to other 2/3-D models) are, on the onehand, the high computation time. The time required for a simulation is linked to the model’s time scale,the space scale, the numerical scheme and its level of refinement. Indeed, compared to other models,such as branches, neural or cellular, the general 2/3-D general models are the most time consuming.On the other hand, the uncertainties of the results are even more significant in the case of complex


pattern as the braiding rivers. As stated by Jagers (2003), a single simulation with one set of boundaryconditions doesn’t give enough information to speculate on a braiding river’s future evolution. Thislast issue could be addressed by a Monte Carlo approach. Although it will multiply the computationtime, it remains a promising path for future development, especially with the continual increase ofcomputational power and the parallelization of codes.

In addition to this last TELEMAC-Mascaret modeling system development outlook, one could alsoadd the development of a vegetation module which will account of the effect of vegetation growth onthe hydro-morphodynamics. And also, the consideration of adaptive finite volume methods with adynamic mesh with an adaptation criterion based on physical assumptions and/or error posterioriestimates.

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Appendix A

DEM extraction with photogrammetrymethod

The photogrammetry method was used in order to extract the DEM of the flume experiments’ braidingbed.

In the following, a short presentation of the method will be exposed, followed by a presentation of thesoftware used and then a listing of the limitations and bias encountered.

A.1 Photogrammetry

The photogrammetry is defined as the process of precise measurements by means of photography(American Heritage Dictionary). It is used in many disciplines, such as topographic mapping, engi-neering, manufacturing, geology among other fields.

It principle relies on the calculation of an object’s 3-D co-ordinates using 2-D images of the said object.The inputs of photogrammetric methods are the camera’s orientation, the geometric parameters of theimaging process and the image co-ordinates which defines the locations of the object points’ image.Some additional inputs can be accounted for such as, scale bars (to provide a scaling of the generated3-D object), data relative to lens’ distortion, etc.

In the case of this work, the multiple images of the flume were used to create a 3-D model of the sandbed and, therefore, generate a DEM of the bed’s changes through time.

A.2 Agisoft Photoscan

The softer used in this work is Agisoft PhotoScan Professional edition. It is an advanced image-based3-D modeling solution. Image alignment and 3-D reconstruction are fully automated (Agisfot Photo-scan User Manual).

A.2.1 Principles

First, the photographs are aligned. To do so, Agisosoft Photoscan scans images to locate similar points,which will be designated by “interest points”. Then, it studies the local neighborhood of each of thesepoints (Agisoft PhotoScan – Tips and Tricks). Interest points are therefore correlates on the basis oftheir local neighborhood. The next step is to check, via an iterative process, and for each couple ofoverlapped photographs, the points’ correlation with the estimated position and angle of the camera.

51

APPENDIX A. DEM EXTRACTION WITH PHOTOGRAMMETRY METHOD 52

For instance, if two points have the same comparable neighbors (or in other terms, considered to beone same point), the camera’s position and angle will determine if this two point are indeed one samepoint. Conversely, two akin points’ matching is not validated if the camera’s position contradicts thishypothesis (for example two similar points in two different unoverlapped photographs).

Second, On the basis of cameras’ positions and the locations of matching points, a 3D polygon meshis build. Once the mesh is build, Agisoft PhotoScan perfoms some correction such as closing holes inthe mesh and removing detached elements.

The last step is consists on texturing the mesh. This step is not of interest for this work.

A.2.2 Results and Bias

Using Photogrammetry method, the 3-D models of the sand bed were generated at different stages ofthe braiding formation and evolution (see figure A.1).

Figure A.1: 3-D model of braiding bed of the flume experiment generated by Agisoft PhotoScan

However, although the results might seem highly accurate, in most cases they were biased. Due tosmall lens irregularities, differences in the conditions in which the photographs were shot and smallerrors scaling errors, the 3-D models were more or less inaccurate.

The generated models were slightly distorted (see figure A.2), and in most cases, in an irregular manner.Indeed, the irregularities in distortions made the correction of distortions a difficult task.

Figure A.2: Example of a distortion of the bed (the 3-D model is curved which doesn’t correspond to the reality)

Besides, Agisoft Photoscan provides a distortion correction module, which readjusts the shape of the3-D model according to the distortion parameter of camera’s the lenses. Although this module helpedreducing the biases, the errors remained too important. Indeed, the errors in the elevation were com-


parable to the channel depths, which made the results unsuited for mass balance analysis for instance.Even a qualitative analysis of the system evolution was tainted with these inaccuracies.

A.3 Recommendations

Digital photogrammetry is a powerful too and presents numerous advantaged compared to other DEMextraction methods. Indeed, it is relatively cheap and, to a certain extent, easy to implement.

However, as in the case of this work, the results were erroneous and couldn’t be valorized. This fact,underlines the importance of following certain guidelines while taking pictures.

The user manual of Agisoft PhotoScan provides valuable a list of rules to fallow in order to get mostappropriate data for 3-D model generation. However, in the following supplementary were added:

• Pictures must be as sharp as possible, which can be achieved by using a tripod and a stabilizedlens;

• Lighting conditions and camera positions should remain the same in for all the runs;

• Avoid reflections and shadow zones;

• Use high quality lenses with less distortion and a high quality camera to avoid noises;

• Quantify the errors on tests in order to validate the suitability of this method to the study.

Appendix B

Steering files

B.1 TELEMAC-2D steering file

/---------------------------------------------------------------------// TELEMAC 2D // 2D modeling of braiding riviers - Flume experiments //---------------------------------------------------------------------// AUTHOR : Ismail RIFAI DATE : 28/04/2014 //---------------------------------------------------------------------// // Eight-Core Intel(R) Xeaon(R) CPU E5-2620 0 @ 2.00 GHz // 4.00 Go of RAM // Windows 7 Professionnel 64 bits // Configuration : wing64mpi // Compiler : GFORTRAN 4.9.0 (GCC) // //---------------------------------------------------------------------//GEOMETRY FILE : Maillage_4.slfBOUNDARY CONDITIONS FILE : t2d.cliRESULTS FILE : res_t2d_sim0.slfFORTRAN FILE : Subroutines.f//COMPUTATION CONTINUED : YES/PREVIOUS COMPUTATION FILE : res_0.slf//---------------------------------------------------------------------// GENERAL INFORMATIONS //---------------------------------------------------------------------//PARALLEL PROCESSORS : 8/VARIABLES FOR GRAPHIC PRINTOUTS : ’H,Q,S,B,F,N’TIME STEP : 0.01GRAPHIC PRINTOUT PERIOD : 5000LISTING PRINTOUT PERIOD : 100NUMBER OF TIME STEPS : 1080000/

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APPENDIX B. STEERING FILES 56

/---------------------------------------------------------------------// INITIAL CONDITIONS //---------------------------------------------------------------------//INITIAL CONDITIONS :’CONSTANT DEPTH’INITIAL DEPTH : 0.002//---------------------------------------------------------------------// BOUNDARY CONDITIONS //---------------------------------------------------------------------//PRESCRIBED ELEVATIONS : -0.177 ; 0.00PRESCRIBED FLOWRATES : 0.0 ; 3.75E-4VELOCITY PROFILES : 1 ; 3//---------------------------------------------------------------------// PHISICAL PARAMETERS //---------------------------------------------------------------------//LAW OF BOTTOM FRICTION : 3FRICTION COEFFICIENT : 50TURBULENCE MODEL : 1//---------------------------------------------------------------------// COUPLING WITH SISYPHE/---------------------------------------------------------------------//SISYPHE STEERING FILE : sis.casCOUPLING WITH : ’SISYPHE’COUPLING PERIOD FOR SISYPHE = 2/&ETA

B.2 SISYPHE steering file

/---------------------------------------------------------------------// TELEMAC 2D // 2D modeling of braiding riviers - Flume experiments //---------------------------------------------------------------------// AUTHOR : Ismail RIFAI DATE : 28/04/2014 //---------------------------------------------------------------------// // Eight-Core Intel(R) Xeaon(R) CPU E5-2620 0 @ 2.00 GHz // 4.00 Go of RAM // Windows 7 Professionnel 64 bits // Configuration : wing64mpi // Compiler : GFORTRAN 4.9.0 (GCC) // //---------------------------------------------------------------------//


GEOMETRY FILE : Maillage_4.slfBOUNDARY CONDITIONS FILE : sis.cliRESULTS FILE : res_sis_sim0.slf//---------------------------------------------------------------------// GENERAL INFORMATIONS //---------------------------------------------------------------------//VARIABLES FOR GRAPHIC PRINTOUTS :’H,U,V,Q,B,E,QSBL,N,P,KS’MASS-BALANCE : YESZERO : 1e-12SOLVER ACCURACY : 1.E-12//---------------------------------------------------------------------// BED SEDIMENT TRANSPORT //---------------------------------------------------------------------//NON COHESIVE BED POROSITY : 0.40BED LOAD : YESSHIELDS PARAMETERS : 0.047BED-LOAD TRANSPORT FORMULA : 1 / MPMMEAN DIAMETER OF THE SEDIMENT : 0.0008//---------------------------------------------------------------------// SLOPE //---------------------------------------------------------------------//SLOPE EFFECT : YESFORMULA FOR SLOPE EFFECT : 2 / SoulsbyFRICTION ANGLE OF THE SEDIMENT : 30.FORMULA FOR DEVIATION : 2PARAMETER FOR DEVIATION : 0.85//---------------------------------------------------------------------// SECONDARY CURRENTS EFFECTS //---------------------------------------------------------------------//SECONDARY CURRENTS : YESSECONDARY CURRENTS ALPHA COEFFICIENT : 1.0E-00//---------------------------------------------------------------------// ALTERNATIVES //---------------------------------------------------------------------//TIDAL FLATS : YES/&ETA

Appendix C

Simulation results

Figure C.1: Run 0−00: Bed evolution of the bed through time

Figure C.2: Run 0−00: Flow velocity evolution through time

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APPENDIX C. SIMULATION RESULTS 60

Figure C.3: Run 01: a. Bed evolution of the bed through time, b. Flow velocity evolution through time

Figure C.4: Run 02: a. Bed evolution of the bed through time, b. Flow velocity evolution through time

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RAPPORT FINAL Action 2.5 Evaluation de la vulnérabilité des