Dimensionnement des ouvrages de protection passive contre ... · Dimensionnement des ouvrages de...
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Dimensionnement des ouvrages de protection passive contre les avalanches de neige dense Récents développements
(digues d’arrêt et de déviation, tas freineurs)
Workshop – Interaction avalanche / obstacle Gressoney La Trinité, 1er décembre 2011
Thierry Faug
Le Cemagref change de nom et va devenir l’IRSTEA…
http://www.preventionweb.net/english/professional/publications/v.php?id=10851
The design of avalanche protection dams. Recent practical
and theoretical developments
M. Barbolini1, U. Domaas2, T. Faug3, P. Gauer2, K.M. Hakonardottir4, C.B. Harbitz2, D. Issler2, T. Johannesson4, K. Lied2, M. Naaïm3, F. Naaim-Bouvet3, L. Rammer5
1-Flow-Ing (Italy) / 2-NGI (Norway) / 3-Cemagref (France) / 4-IMO (Iceland) / 5-AITAR,BFW (Austria)
(2009)
Plan de l’exposé
1. Eléments de contexte 2. Méthode traditionnelle de dimensionnement des
digues paravalanches et limites de la méthode 3. Développements théoriques récents
1. Formation de ressauts en amont des digues 2. Critère de débordement supercritique 3. Hauteur de ressaut
4. Nouveaux critères de dimensionnement et considérations spécifiques
5. Nouvelles recommandations pour les tas freineurs
6. Risque résiduel en aval d’ouvrages débordés par une avalanche
ELEMENTS DE CONTEXTE CONCERNANT LE DIMENSIONNEMENT FONCTIONNEL DES OUVRAGES PARAVALANCHES
Interaction écoulement / obstacle
Trois grandes questions scientifiques sont traitées
actuellement au Cemagref: (i) effets de l’obstacle sur l’écoulement:
mécaniques des fluides (ii) sollicitations exercées par l’écoulement sur
l’obstacle (iii) comportement de l’obstacle soumis à une
sollicitation: mécanique des structures
Interaction écoulement / obstacle
Effets de l’obstacle supposé rigide sur
l’écoulement (hydrodynamique, mécaniques des fluides): question du dimensionnement fonctionnel de
l’ouvrage: quelle taille, quelle forme pour • Dévier l’avalanche? • Freiner l’avalanche? • Stopper l’avalanche?
Interaction écoulement / obstacle
Efficacité « fonctionnelle » des ouvrages de protection paravalanche
Déviation de l’écoulement
Flateyri, Islande Courtoisie T. Johannesson
Norvège (photo Anena)
Taconnaz (photo Anena)
Neskaupstadur (photo Cemagref, T. Faug)
Freinage et arrêt de l’écoulement
Système de protection complexe
Interaction écoulement / obstacle
Flateyri (Islande) (Photo cemagref, T. Faug)
Neskaupstaður (Islande) (photo Cemagref, T. Faug)
tas freineurs + digue d’arrêt
Seydisfjorður (Islande) (photo Cemagref, P. Rognon)
Ouvrages contre les avalanches denses
Avalanches de neige dense ou partie dense d’une avalanche de neige mixte
Interaction écoulement / obstacle
Ouvrages paravalanches traités (protection permanente passive): les digues d’arrêt les digues de déviation les tas freineurs Pour chaque type d’ouvrage: (i) principe de fonctionnement (ii) dimensionnement traditionnel (iii) développements théoriques récents (iv) nouvelles recommandations concernant leur
dimensionnement
METHODE TRADITIONNELLE DE DIMENSIONNEMENT DES DIGUES PARAVALANCHES
Digue paravalanche d’arrêt - principe
Schéma de principe de fonctionnement d’une digue d’arrêt
Digue paravalanche d’arrêt – formule
Formule classique pour calculer la hauteur d’une digue d’arrêt:
uanD hhhH ++=
Digue paravalanche d’arrêt – formule
Terme de vitesse: transformation de l’énergie cinétique incidente (vitesse au carré) en énergie potentielle (hauteur) gravité g=9.81 m s-1
masse volumique ρ
Énergies par unité de masse
On introduit un coefficient λ: λg
uhu 2
2
=
ughu ρρ →2
21
guhu 2
2
=
Digue paravalanche d’arrêt - formule
Les paramètres d’entrée nécessaires: Hauteur de la neige déjà en place: hn
Hauteur incidente de l’avalanche: ha
Vitesse incidente de l’avalanche: u
Il s’agit de la définition de l’avalanche de projet (scénario de référence)
Digue paravalanche d’arrêt - formule
Les paramètres d’entrée nécessaires: Coefficient λ: il est sensé représenter des pertes
d’énergie (impact avec la digue et frottement) • perte de quantité de mouvement à l’impact, frottement
le long de la face amont de la digue • λ=1: ces pertes d’énergie sont considérées comme
nulles • λ>1: on tient compte de pertes d’énergie • Pour les avalanches de neige sèche rapides:
généralement λ=1-1,5 • Pour les avalanches plus denses de moins grande
ampleur: λ peut prendre une valeur de 2 (voire 3)
Digue paravalanche d’arrêt - volume
En plus des considérations précédentes (concernant la dynamique de l’avalanche en vitesse et hauteur incidentes), la capacité de stockage en amont de la digue doit être suffisamment large pour retenir le volume de l’avalanche de projet
Les paramètres importants pour estimer ce volume de stockage sont: La configuration géométrique (ouverte / confinée) de
la zone de stockage en amont de la digue La pente du terrain amont La pente du dépôt de neige à l’amont de la digue
Digue paravalanche d’arrêt - volume
Pente du dépôt de neige à l’amont de la digue d’arrêt 5-10° pour les avalanches de neige lentes plutôt
humide (Margreth 2004) Plus faible (jusqu’à 0°) pour les avalanches de neige
sèche rapides
On peut augmenter la capacité de stockage en creusant une excavation en amont de la digue
( )∫ +−= 1
0
)(x
x ssl dxhzzS
Digue paravalanche d’arrêt - compléments
Considérations spécifiques: Les digues d’arrêt sont généralement implantées sur
des terrains peu inclinés (10-15°) L’efficacité d’une digue d’arrêt augmente avec
l’inclinaison de la face amont (une valeur supérieure à 50° est souvent préconisée)
Attention aux sites avalancheux où il y a possibilité d’évènements multiples au cours d’un même hiver (majorer le terme hn en conséquence)
La mise en place d’ouvrages freineurs en amont de la digue est préconisée pour
• Diminuer l’énergie de l’avalanche incidente • Étaler l’avalanche afin d’augmenter la capacité de
stockage
Digue paravalanche de déviation
Formulation identique à celle utilisée pour la digue d’arrêt en considérant la vitesse normale (u.sinϕ avec ϕ angle de déviation de la digue)
λϕ
guhu 2
)sin( 2
=
uanD hhhH ++=
Digue paravalanche de déviation
Les paramètres d’entrée nécessaires (paramètres déjà considérés pour la digue d’arrêt): Hauteur de la neige déjà en place: hn
Hauteur incidente de l’avalanche: ha
Vitesse incidente de l’avalanche: u
Il s’agit la définition de l’avalanche de projet (scénario de référence)
Digue paravalanche de déviation
Les paramètres d’entrée nécessaires: Angle de déviation de la digue ϕ Selon McClung & Schaerer (1998), la déviation de
l’avalanche doit se faire progressivement; l’expérience montre qu’un angle de déviation trop grand pose des problèmes de débordement; des valeurs n’excédant pas 30° sont préconisées
Considérations spécifiques: Augmenter l’angle d’inclinaison de la face amont
augmente l’efficacité de la digue de déviation Vérifier que le débit Qa de l’avalanche de projet est
compatible avec une condition de non débordement • Qa<Qadm où Qadm=S.U est le débit maximal admissible
Digue paravalanche de déviation
Les paramètres d’entrée nécessaires: Coefficient λ: comme pour la digue d’arrêt, il est
sensé représenter des pertes d’énergie Pour les digues de déviation, on le prend
généralement égal à 1
Limites des formulations classiques
Cas de la digue d’arrêt Retour sur la formule définissant la hauteur de la digue
avec hn=0 et que l’on cherche à normaliser par la hauteur incidente:
On obtient avec le nombre de Froude:
λguhH aD 2
2
+=aa
D
hgu
hH
λ21
2
+=
λ21
2FrhH
a
D +=
aghuFr =
Limites des formulations classiques
λ21
2FrhH
a
D +=
Régimes d’écoulement en fonction du nombre de Froude (critère de similitude important)?
Pour différentes valeurs de λ:
1 ; 2 ; 3
Limites des formulations classiques
Le nombre de Froude permet de comparer les forces d’inertie (u2) aux forces de gravité (gh) Limite entre les régimes sub-critique / supercritique (Fr=1) « L’information » due à l’obstacle remonte (Fr<1) ou ne
remonte pas (Fr>1) vers l’amont de l’obstacle Formation de ressaut en amont de l’obstacle
Les formules classiquement utilisées ne prennent pas en compte la formation possible d’un ressaut (ou choc) à l’amont de l’obstacle en particulier pour les avalanches rapides Définition d’un « ressaut hydrodynamique »?
FORMATIONS DE RESSAUTS (FORTES DISCONTINUITES EN HAUTEUR ET VITESSE D’ECOULEMENT)
Formation de ressauts en amont d’obstacles
Ressaut normal (digue d’arrêt)
Ressaut oblique (digue de déviation)
Ressaut: discontinuité forte en hauteur et vitesse de l’écoulement
Ressauts obliques observés avec des écoulements de neige
Formation de ressauts en amont d’obstacles
On est capable de créer les conditions pour l’apparition de ressauts dans les écoulements
• granulaires (en modèle réduit de laboratoire) • et également neigeux dans le canal expérimental du col
du Lac Blanc
Des observations concernant le dépôt d’une
avalanche ayant interagi avec une digue de déviation en Islande (T.Jóhannesson, 2002) suggèrent qu’il y a eu formation d’un ressaut oblique
Proposition d’une méthode de calcul de la hauteur d’une digue paravalanche en tenant compte de ces phénomènes de ressaut
Formation de ressauts en amont d’obstacles
DEBORDEMENT SUPERCRITIQUE ET APPARITION DU RESSAUT: Premier critère de dimensionnement
Débordement supercritique
Hauteur de débordement supercritique
Equation de conservation de l’énergie de la base de l’obstacle à son sommet k permet de tenir compte d’une perte d’énergie locale k=1 implique qu’il n’y a aucune perte locale Remarque: k intervient dans le terme de hauteur de
l’avalanche ; prise en compte de l’épaississement local de l’écoulement (si k<1) en amont de l’obstacle, contrairement au cas de la formulation traditionnelle
3/22
1
)sin(23)sin(
211 ϕϕ FrkFr
khH cr −+=
ψcosghuFr = (ψ : pente du terrain à l’amont de la digue)
Débordement supercritique
Hauteur de débordement supercritique
Conservation de l’énergie
• Hypothèse de pression hydrostatique:
• Équation de continuité
• Écoulement critique au sommet de l’obstacle
3/22
1
)sin(23)sin(
211 ϕϕ FrkFr
khH cr −+=
Débordement supercritique
Hauteur de débordement supercritique
C’est la hauteur maximale de la digue pour laquelle un écoulement supercritique peut être maintenu au dessus de la digue En dessous de cette hauteur de digue, l’écoulement
(en régime supercritique) franchit la digue en restant en régime supercritique
Au dessus de cette hauteur de digue, l’écoulement (en régime supercritique) franchit l’obstacle alors qu’un ressaut se propage vers l’amont (passage d’un régime supercritique à un régime subcritique)
3/22
1
)sin(23)sin(
211 ϕϕ FrkFr
khH cr −+=
Apparition du ressaut
Formation d’un ressaut (discontinuité forte en hauteur et vitesse) en amont de l’obstacle (avec surverse en aval de l’obstacle): passage du régime supercritique au régime
subcritique exemple d’un écoulement granulaire
« L’information remonte en amont de l’obstacle »
Vidéo…
Apparition du ressaut
L’écoulement passe d’un régime supercritique à un régime subcritique à « l’altitude » Hcr au dessus du fond, où la hauteur d’écoulement est critique (hcr)
La surface libre de l’écoulement est ainsi à l’altitude Hcr+hcr au dessus du fond (manteau neigeux en place!).
Ecoulement critique (à l’altitude Hcr au dessus du fond) de hauteur hcr
3/2
1
)sin( ϕFrhhcr =
Apparition du ressaut
Ecoulement critique (à l’altitude Hcr au dessus du fond) de hauteur hcr
Condition d’écoulement critique (Fr =1)
3/2
1
)sin( ϕFrhhcr =
Apparition du ressaut
Si la hauteur de digue (au dessus du manteau neigeux) est: Plus faible que Hcr: l’avalanche peut surverser en
restant en régime supercritique Plus faible que Hcr+hcr: l’avalanche peut partiellement
surverser, alors qu’un ressaut se propage en amont
Recommandation: la hauteur de digue (au dessus de la neige déjà en place) doit être supérieure à hr=Hcr+hcr ⇒ PREMIER CRITERE DE DIMENSIONNEMENT
3/22
11)sin(
21)sin(
211 ϕϕ FrkFr
khhH
hh crcrr −+=
+=
Premier critère de dimensionnement
H>hr
Discussion sur ce premier critère de dimensionnement? H>Hcr H>hr=Hcr+hcr
3/22
11)sin(
21)sin(
211 ϕϕ FrkFr
khhH
hh crcrr −+=
+=
Premier critère de dimensionnement
H>hr Si le nombre de Froude normal à la digue est défini
par:
Alors on obtient:
Même expression (arrêt ou déviation) en termes de composante de la vitesse normale à l’axe de la digue uη =u1sinϕ
ψψϕ
ϕ η
coscossinsin
11
1
gh
u
ghuFrFr ===⊥
3/22
1)(
21)(
211
⊥⊥ −+= FrkFrkh
hr
Premier critère de dimensionnement
H>hr
Comparaison à la formulation classique avec les hypothèses suivantes Pour le calcul de hr: k=1; ψ=0 (courbes rouges) Pour le calcul de HD-hn: λ=1 (courbes en trait discontinu)
),)sin(1(cos2
)sin( 3/4222
11 −−−+=+= ϕψϕ Frkk
gu
khhHh crcrr
aanD hg
uhhHλϕ
2)sin( 2
+=−
Rappel: formule traditionnelle
HAUTEUR DE RESSAUT: Second critère de dimensionnement
Hauteur de ressaut à l’amont
Si la digue est assez haute pour se prémunir d’un débordement supercritique (H>hr): Un ressaut normal se propagera à l’amont de la digue
d’arrêt (« mascaret ») Un ressaut oblique quasi-stationnaire pourra
apparaître sur la digue de déviation
La vitesse et la hauteur changent de manière discontinue « à travers » le choc
Hauteur de ressaut à l’amont
Hauteur de ressaut à l’amont h2 Choc: « abstraction mathématique » traduisant
une discontinuité brutale de la surface libre de l’écoulement (forts gradients de vitesse et hauteur),
• « Abstraction mathématique » au sens où l’on ne décrit pas toute la physique du phénomène (différences entre les fluides considérés: eau, granulaire, neige?)
• On considère un volume de contrôle (par unité de largeur) de part et d’autre du ressaut (englobant le ressaut)
• On écrit les équations de conservation de la masse et de la quantité de mouvement
• Le frottement est négligé
Hauteur de ressaut à l’amont
Hauteur de ressaut à l’amont h2 Solution exacte (deux solutions: choc « faible » et
choc « fort ») – relation implicite
Solution approchée pour les ressauts obliques –digue de déviation (exacte pour les ressauts normaux – digue d’arrêt)
3
1cos)46(2 2
1
2
++
=⊥ δFr
hh
++
−−=
⊥⊥⊥
⊥−
)81316(27
89tan23
142
21
FrFrFr
Frπδ
⇒ SECOND CRITERE DE DIMENSIONNEMENT
Hauteur de ressaut à l’amont
Hauteur de ressaut à l’amont h2
COMBINAISON DES DEUX CRITERES DE DIMENSIONNEMENT
Critères de dimensionnement combinés
Synthèse: Premier critère de dimensionnement: conservation de
l’énergie pour un débordement supercritique • hauteur maximale de digue pour laquelle un
débordement supercritique est maintenu (sans formation du ressaut): H>hr
Second critère de dimensionnement: équations de conservation dans un volume de contrôle de part et d’autre de la discontinuité
• hauteur d’écoulement en aval du choc formé à l’amont de l’obstacle: H>h2
Combinaison de ces deux critères pour obtenir
la hauteur de dimensionnement de la digue
Critères de dimensionnement combinés
Cas de la digue d’arrêt: Courbe en rouge (premier critère): Courbe en vert (second critère):
11 /)(/ hhHhh crcrr +=
12 / hh
Critères de dimensionnement combinés
Cas de la digue de déviation Courbe en rouge (premier critère) Courbe en vert (second critère) Pour deux valeurs de k (faces amont plus ou moins
raides selon la technique de construction)
Critères de dimensionnement combinés
Critère de débordement supercritique (H>hr): conduit à des digues plus hautes pour les nombres de
Froude élevés et les grands angles de déviation Critère de hauteur de ressaut à l’amont (H>h2): conduit à des digues plus hautes pour les nombres de
Froude plus faibles et les petits angles de déviation
Critères de dimensionnement combinés
Résumé procédure de dimensionnement: • 1. définir l’avalanche de projet • 2. définir l’angle de déviation • 3. calcul du nombre de Froude et de la composante de
la vitesse normale à l’axe de la digue. Détermination du coefficient de perte de quantité de mouvement
• 4. calcul de la hauteur de débordement supercritique et de la hauteur critique d’écoulement correspondante
• 5. calcul de la hauteur de ressaut • 6. combinaison des deux critères (points 4 et 5), lecture
graphique • 7. déviation: angle maximal de déviation • 8. calcul de la hauteur de digue verticale • 9. digue d’arrêt: capacité de stockage • 10. déviation: évaluation de la nouvelle extension
CONSIDERATIONS PARTICULIERES
Géométrie de la digue
Prise en compte de la pente du terrain et de la pente de la face amont de la digue: relation entre HD : mesurée dans la section verticale normale à l’axe
de la digue H: mesurée dans la direction normale au terrain
HH D ψϕ
αψϕψ22 sincos1
cotsinsincos−−
=
Perte de quantité de mouvement
Prendre k=1 (perte de quantité de mouvement nulle à l’impact avec la digue) va dans le sens de la sécurité
Il n’existe pas aujourd’hui de formulation théorique pour k!
Les expériences en modèle réduit de laboratoire montrent que la raideur de la face amont de la digue (angle α) est un paramètre crucial influençant cette perte de quantité de mouvement Pour α>60°: les digues sont (pratiquement) aussi
efficaces que des murs verticaux Pour α=30°: l’efficacité des digues est sensiblement
plus faible
Perte de quantité de mouvement
Sur la base des expériences de laboratoire et des observations sur des avalanches de neige naturelles: on propose pour les avalanches de neige sèche rapides: k=0.75 pour α>60° k=0.85 pour α=30°
Formulation empirique proposée (interpolation linéaire entre les valeurs citées précédemment): α>60°: 30°<α<60°: Les digues de déviation avec un angle α<30° ne
devraient pas être construites Et les avalanches de neige humide?
30/)60(1.075.0 α−+=k
75.0=k
Angle maximal de déviation
Angle de choc
1)/(cossincos
122 −
=∆hhϕϕϕ
∆+= ϕθSolution approchée (courbe verte):
Angle maximal de déviation
Angle maximal pour que le ressaut reste « attaché » (frontière entre les chocs « faibles » et « forts ») en fonction du nombre de Froude On préconise que l’angle de déviation ϕ soir pris égal
à une valeur au moins inférieure de 10° à ϕmax
Si une digue de déviation ne satisfait pas ce critère, il est recommandé de la calculer comme une digue d’arrêt avec ϕ=90°
Capacité de stockage d’une digue d’arrêt
Prise en compte de la rhéologie du fluide en écoulement Problème de transition fluide-solide Couplage onde de ressaut – dépôt à l’amont de
l’obstacle (lorsqu’il y a formation d’un choc) Travaux de recherche actuels – thèses en cours
[CFM 2007, AG 2008] Apport de la modélisation numérique: prise en compte d’un modèle de dépôt – érosion
intégrant une loi de frottement pertinente [NAAIM et al., 2003, 2004]
COMPARAISON DES CRITERES PROPOSES A DES OBSERVATIONS DE TERRAIN
Validation par des observations de terrain
Il reste encore des incertitudes… problème du risque résiduel en aval d’un ouvrage débordé
RECOMMANDATIONS POUR LES TAS FREINEURS
1. Ce que l’on savait jusqu’à présent…
2. Modélisation du jet en aval de l’obstacle
3. Recommandations spécifiques pour estimer la longueur de jet
4. Recommandations générales sur la géométrie des tas
5. Effet freineur
1. Quelques règles dans la littérature
Les tas freineurs sont recommandés pour freiner (dissiper l’énergie de l’avalanche) avant qu’elle interagisse avec une digue placée en aval
Vu le peu de règles disponibles dans la littérature concernant le génie paravalanche, un grand nombre de tests sur des modèles réduits de laboratoire (notamment par l’IMO en Islande) a été réalisé dans le cadre des projets EU Cadzie et Satsie Ces tests ont abouti à de nouvelles recommandations
pour le dimensionnement des tas freineurs
1. Quelques règles dans la littérature
Quelques références pouvant fournir quelques règles: concernant une avalanche heurtant plusieurs obstacle - bâtiments (Salm, 1987), ou une rangée d’arbres (Voellmy, 1955) Salm 1987: bâtiment recouvrant une certaine fraction
« c » de la section de la zone d’écoulement. Selon Salm, la vitesse de l’avalanche est réduite d’un rapport c/2. Ainsi pour c=1/2, cette formulation prédit une réduction de vitesse de 25%
Voellmy 1955: expression similaire pour la réduction de la vitesse par une rangée d’arbres
Références en hydraulique pour les ouvrages dissipateurs d’énergie (Peterka 1987; US Bureau Reclamation 1987; Roberson et al. 1997)
2. Interaction écoulement / tas freineurs
Test réalisés sur des écoulements granulaires et des écoulements de neige en interaction avec une ou plusieurs rangées de tas freineurs
Weissfluhjoch (Davos)
2. Interaction écoulement / tas freineurs
Formation d’un jet en aval des tas freineurs: vue schématique du jet
2. Interaction écoulement / tas freineurs
Principales observations tirées des expériences avec des écoulements rapides Fr~10 pour les écoulements granulaires Fr~3-6 pour les écoulements de neige
Formation d’un jet: une large proportion de
matériau est projetée en aval des tas: une zone morte se forme rapidement pour former un
angle de jet quasi-stationnaire (écoulement incident très rapides), noté β (par rapport à l’horizontale)
Le jet vient ensuite impacter le sol loin en aval des tas freineurs
2. Interaction écoulement / tas freineurs
Les dissipations d’énergie ont lieu: (i) à l’impact en amont de l’obstacle (ii) lors de l’interaction du jet avec le fluide ambiant (iii) à l’impact du jet avec le sol en aval de l’obstacle
Le jet formé a des conséquences pratiques importantes pour l’utilisation de rangées de tas multiples (ou la combinaison d’une rangée de tas avec une digue en aval)
• La deuxième ouvrage doit être placé suffisamment loin en aval de la rangée de tas en amont de manière à ce que l’avalanche ne passe pas par-dessus le second ouvrage
2. Interaction écoulement / tas freineurs
Trajectoire du jet généré par les tas assimilé à un projectile F: force exercée sur le volume de masse m coefficient sans dimension f représentant la
turbulence créée par l’air ambiant hj: épaisseur moyenne du jet
L’équilibre des forces conduit à:
2. Interaction écoulement / tas freineurs
Avec les conditions initiales et aux limites appropriées
La résolution des deux équations permet d’estimer la longueur de jet L avec des valeurs appropriées pour les paramètres suivants Vitesse u1
Angle de jet β Ratio f/hj
3. Recommandations spécifiques - jet
Paramètre d’entrée u1 u0: vitesse incidente (avalanche de projet) g : gravité ψ: pente du terrain H: hauteur des tas k: coefficient de perte d’énergie
• On calculera la longueur de jet pour des valeurs de k variant de 0.7 à 0.9, et on retiendra généralement la valeur moyenne de 0.8
ψcos2201 gHuku −=
3. Recommandations spécifiques - jet
Paramètre d’entrée β Il existe une formulation théorique pour calculer β (Yih
1979) Les résultats expérimentaux montrent que la théorie
sur-estime l’angle de jet
L’écart est de plus en plus grand pour les faces amont de plus en plus raides • α=90°: réduire β de 20-25° • α=75°: réduire β de 10-20° • α=60°: réduire β de 0-10°
3. Recommandations spécifiques - jet
Paramètre d’entrée f/hj En prenant f=0, on reproduit bien les trajectoires de
jet -granulaire et aussi neige- (peu d’influence de ce paramètre à échelle réduite ou intermédiaire)
Résultats en hydraulique (Hager et Visher 1995; Novak et al. 1989; USBR 1987): entre 0 et 30% de l’énergie cinétique initiale du jet peut être dissipée
Typiquement f=0.01 (coefficient de frottement turbulent) et hj=2-3 m (épaisseur de jet) donne: f/hj = 0.0025-0.005 m-1
Afin de réduire de 30% l’énergie cinétique d’un jet hydraulique de 40 m s-1 (Novak et al. 1989), f/hj doit prendre la valeur f/hj = 0.004 m-1
4. Recommandations générales - géométrie
Résultat sur des tests de laboratoire avec des avalanches granulaires rapides
4. Recommandations générales - géométrie
La hauteur des tas H (hauteur effective au dessus du manteau neigeux en place) doit être 1.5 (voire 2) fois supérieure à l’épaisseur de l’écoulement incident pour obtenir une efficacité maximale. Augmenter la hauteur des tas au delà de ce seuil ne
conduit pas à un gain significatif en termes de réduction de la distance d’arrêt en aval des tas
La face amont des tas doit être plutôt raide Pour des inclinaisons de la face amont de l’ordre de
60°, l’efficacité est bonne. Au delà, le l’augmentation de l’inclinaison n’apporte pas de dissipations significatives d’énergie
4. Recommandations générales - géométrie
Le nombre d’aspect, ratio entre la hauteur des tas et l’aire de recouvrement au sol, H/B, doit être voisin de 1 pour une efficacité optimale
Les tas doivent être placés avec une inter-distance faible et avec des faces amont raides, de telle manière que les tas en aval interagissent effectivement avec l’écoulement. À recouvrement de surface égal, plusieurs tas étroits
sont plus efficaces que peu de tas larges.
Une seconde rangée de tas doit être placée en quinconce par rapport à la première rangée Dans le cas où il y a suffisamment d’espace pour
cette seconde rangée de tas
5. Estimation de l’effet freineur des tas
Des mesures de réduction de distance d’arrêt (pour des écoulements granulaires) ont permis d’estimer les perte de vitesses
Des mesures directes de réduction de vitesse (écoulements de neige au Weissfluhjoch) ont permis de compléter et confirmer les premiers résultats
En résumé: une réduction de vitesse relative de l’ordre de 20%
est possible pour la première rangée de tas Et une réduction plus faible, de l’ordre de 10% pour la
seconde rangée de tas (résultat similaire en hydraulique Cf. Peterka 1984)
Avalanches de neige humide Pas de cadre théorique bien établi! Quelques considérations (subjectives) particulières
basées sur l’observation
Avalanches de neige humide
une singularité, même mineure, peut engendrer une trajectoire très inattendue… doigts d’avalanche!
Avalanches de neige humide
Accumulation (pile-up) à l’amont des obstacles pendant un temps long… hauteurs de dépôt grande devant les obstacles • la hauteur de l’écoulement et sa vitesse ne sont pas
les principaux facteurs dimensionnant l’ouvrage • C’est plutôt la hauteur de dépôt (et volume) dans la
plupart des cas!
Digue du Ryggfonn
Hauteur de dépôt importante en pente forte (3 à 5 m à plus de 25°)
Avalanches de neige humide
Hauteurs de dépôt très importantes
Avalanches de neige humide
Des effets particuliers en présence d’une digue de déviation…
(Langageiti, Norvège) (Nautagrovi, Norvège)
REDUCTION DE LA DISTANCE D’ARRET EN AVAL D’UNE DIGUE DEBORDEE PAR UNE AVALANCHE (risque résiduel)
Réduction de la distance d’arrêt en aval
Modèles réduits de laboratoire / observations échelle naturelle
Mise en évidence de différents régimes d’interaction écoulement / digue Régime d’avalanche où le stockage est dominant Régime d’avalanche où les dissipations locales sont
dominantes Confrontation à des observations concernant les
avalanches du Ryggfonn Lien entre: Réduction de la distance d’arrêt et mécanismes locaux au voisinage de l’obstacle
(couplage onde de choc – dépôt à l’amont de l’obstacle)
Réduction de la distance d’arrêt
Approche multi-échelles: expériences à échelle réduite (métrique) en
laboratoire avec des matériaux granulaires expériences à échelle intermédiaire (décamétrique)
en laboratoire (granulaires) et in situ (neige) déclenchement et observation d’avalanches de neige
(échelle naturelle) dans un couloir instrumenté
Partenariat au niveau européen • laboratoires européens spécialisés dans l’étude de la
neige et des avalanches • projets EU CADZIE & SATSIE
Réduction de la distance d’arrêt
Etude de la réduction de distance d’arrêt maximale en aval d’une digue tests de laboratoire en canal et plan inclinés avec
des matériaux granulaires • Thèse T.Faug (2004) + [S. in Geophys. 2003, CRST 2004]
Bi-plan granulaire (Cemagref) Loi d’échelle?
Réduction de la distance d’arrêt
Loi d’échelle sur la réduction de distance d’arrêt Situation de référence (en l’absence de digue)
En présence d’une digue
Evaluation de λ:
Avalanches granulaires + obstacle vertical: constante ! (0.06)
Réduction de la distance d’arrêt
Etude de la réduction de distance d’arrêt maximale en aval d’une digue digue du Ryggfonn en Norvège (projet EU SATSIE)
• [JGR 2008]
Les observations sont en accord avec les lois d’échelle sur la réduction de la distance d’arrêt maximale en aval de l’obstacle
Merci pour votre attention…
… questions?