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Wikibardig:Conception des digues : sollicitations hydrauliques : milieu maritime

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Version du 7 octobre 2019 à 10:38 par Huguette Felix (discuter | contributions)

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Sommaire


Cette page est extraite de l’ouvrage « Référentiel technique digues maritimes et fluviales »

La connaissance des sollicitations hydrauliques des digues littorales ou estuariennes, implique de prendre en compte non seulement le niveau de la mer à proximité de l'ouvrage, mais aussi la houle, les mers de vent ou le clapot. Ces paramètres interviennent tant pour évaluer la protection apportée par l'ouvrage que sa sûreté. A titre d'exemple, une digue peut permettre de se prémunir d'inondations par submersion pour un niveau moyen de la mer inférieur à sa cote d'arase. Mais il est possible que des vagues concomitantes provoquent des inondations par franchissement. Ces franchissements sont de différentes natures. Il peut s'agir de projections générées par les vagues qui se brisent, sur un ouvrage vertical notamment. Les vagues peuvent aussi remonter sur un perré incliné jusqu'à le franchir. Et, quand le niveau moyen de la mer est élevé mais reste en dessous de l'arase de l'ouvrage, l'action des vagues peut prendre l'aspect d'un franchissement massif et quasi continu. Par ailleurs, la houle est un paramètre déterminant pour apprécier la sûreté, notamment pour les digues littorales. Lorsque la profondeur d'eau est importante aux abords de l'ouvrage, il n'y a pas ou très peu de dissipation, ce qui crée des vagues importantes et des sollicitations sans commune mesure avec celles des niveaux statiques. Ces sollicitations s'appliquent tant en avant de l'ouvrage qu'en arrière s'il y a des franchissements.

Pour apprécier la protection ou la sûreté d'une digue littorale pour une période de retour donnée, il faut prendre en compte des couples (niveau marin - état de mer). Un seul couple ne suffit pas en raison de l'indépendance, au moins partielle, des phénomènes. En général, seule une étude statistique sur l'ensemble de ces couples apportera une réponse, sous réserve de disposer de données sur une durée suffisamment longue.

Les sollicitations appliquées aux digues maritimes et estuariennes dépendent du niveau marin et de la houle, des mers de vents ou du clapot (voir définition ci-après) et des interactions avec l'ouvrage et la côte. Pour l'ensemble de ce chapitre si on souhaite aller plus loin, on se reportera utilement au guide enrochements partie 4 [CETMEF, 2009].

Niveau marin

Le niveau marin comprend différentes composantes :

la hauteur de la marée astronomique

La hauteur de la marée astronomique dépend essentiellement de la position de la Lune et du Soleil. Elle peut être prédite car les mouvements de la Lune et du Soleil sont bien connus.

La marée astronomique est peu sensible sur les côtes françaises en Méditerranée, mais elle présente une amplitude importante, en métropole, le long des côtes de la mer du Nord, de la Manche et de l'Atlantique. Le marnage peut atteindre plus de 15 m dans la baie du Mont Saint Michel.

Les prédictions de marée dans certains ports français sont libres d'accès sur le site du Service Hydrographique et Océanographique de la Marine (SHOM). Elles sont limitées à l'année en cours, mais le calcul de hauteurs passées est possible. D'autres informations sont aussi disponibles, comme, par exemple, les hauteurs de pleine mer et de basse mer pour les marées astronomiques d'amplitude maximale et minimale. Les prédictions pour l'année en cours et la suivante sont accessibles dans l'annuaire de marée ou avec le logiciel SHOMAR. Enfin, les prédictions à plus long terme nécessitent l'utilisation d'un logiciel spécifique ou de passer une commande auprès du SHOM.

Les prédictions de hauteur en France métropolitaine sont définies en référence au zéro hydrographique, qui est proche du niveau des plus basses mers (il peut toutefois s'en écarter de plusieurs décimètres). Le calcul des hauteurs de la marée astronomique dans le référentiel IGN 69 est possible dans les ports où il existe un raccordement entre les deux référentiels. Cette information est disponible tant sur le site que dans les annuaires de marées du SHOM.

Si l'on souhaite évaluer des hauteurs de la marée astronomique ailleurs que dans les ports de référence, la seule méthode accessible, à ce jour, est l'interpolation. Mais elle ne fournit pas toujours des résultats acceptables notamment dans les zones où la côte n'est pas rectiligne. Dans ce cas, on devrait avoir recours à une campagne de mesure. Il faudra être vigilant dans l'exploitation de plans d'ouvrages anciens car ce raccordement des deux référentiels a pu évoluer dans le temps.

Pour des informations très détaillées sur la marée astronomique, on pourra consulter l'ouvrage « La marée océanique côtière, Bernard Simon, 2007 ».


la surcote d'origine météorologique

La marée réelle est souvent différente de la marée prédite. On appelle surcote ou décote la différence de hauteur entre la marée réelle et la marée astronomique. La surcote n'est donc pas le niveau maximal atteint par la mer.

Les phénomènes météorologiques, à savoir le vent et la pression atmosphérique, peuvent générer des ondes longues de l'ordre de quelques centaines de kilomètres. Elles sont à l'origine de surcotes de hauteur variable selon la configuration de la côte et avec des durées de l'ordre de l'heure à la journée.

Les surcotes mesurées dans les ports de France métropolitaine peuvent atteindre 2 m et plus, mais elles ne se produisent pas nécessairement lors de la pleine mer d'une forte marée. Le caractère exceptionnel du niveau marin atteint à La Rochelle lors de la tempête Xynthia n'est pas lié à la hauteur maximale de la surcote (1,50 m alors que des surcotes de 2 m avaient déjà été observées) mais au fait que son maximum soit survenu au moment d'une pleine mer de fortes vives eaux.

Combinées aux marées astronomiques, les surcotes peuvent modifier sensiblement la hauteur de la mer. Une publication du SHOM et du Centre d'Études Techniques Maritimes Et Fluvial (CETMEF) permet d'évaluer les niveaux extrêmes de la mer en résultant pour la Manche et en Atlantique. Intitulé « statistique des niveaux marins extrêmes de pleine mer en Manche et en Atlantique », ce document fournit, dans le référentiel IGN69, les niveaux prévisibles tout le long du littoral pour différentes périodes de retour. Ces niveaux ne prennent pas en compte la surélévation due à la houle, les seiches, ni l'élévation du niveau de la mer due au changement climatique.

la surélévation due à la houle

Appelée « Wave set-up » en anglais, cette composante du niveau marin se développe au voisinage littoral. Elle a principalement pour origine le déferlement des vagues induit par la remontée des fonds. On peut donc l'observer par exemple entre les barres et le rivage ou sur les plages, entre autres. Sa hauteur peut dépasser 10% de celle de la houle du large. Elle ne fait pas partie des composantes bien mesurées par les marégraphes permanents du SHOM, car ils se situent essentiellement dans des ports en eau profonde et en général à l’abri des houles. Elle n'est pas non plus prise en compte dans la publication « statistique des niveaux marins extrêmes de pleine mer en Manche et en Atlantique » évoquée au précédent paragraphe.

D'autres phénomènes de surélévation existent, notamment en raison de la réflexion des vagues sur une côte réflective, devant des seuils ou des ouvrages côtiers (surélévation de clapotis).

les seiches

Ce sont des oscillations d'une durée allant de quelques minutes à quelques dizaines de minutes. Elles proviennent, entre autres, de résonnances dues à la géométrie des côtes. A titre d'exemple, des réflexions entre l'île de Groix et le continent sont à l'origine de seiches atteignant 1,50 m à Port Tudy. Elles ne sont pas prises en compte dans la publication « statistique des niveaux marins extrêmes de pleine mer en Manche et en Atlantique ».

les tsunamis

Ils se manifestent sous la forme d'une ou de quelques ondes solitaires qui sont générées par des mouvements rapides des fonds marins, voire des effondrements de falaises. D'une hauteur modeste au large, ces vagues se propagent très rapidement et sur de longues distances puis gonflent quand les fonds marins remontent, notamment lorsqu'elles atteignent le littoral. Les tsunamis n'ont pas tous l'ampleur des quelques phénomènes extrêmes qui se sont produits ces dernières années en Extrême-Orient. Il en existe de plus faible hauteur, notamment en Méditerranée, où ils pourraient atteindre, dans sa partie occidentale, de l'ordre 2 m pour une période de retour de 50 ans.

L'élévation du niveau de la mer due au réchauffement climatique

L'élévation du niveau marin est un phénomène important à l'échelle géologique. On estime que la mer se situait 120 à 130 mètres plus bas il y a 18 000 ans. La vitesse de remontée a été d'une vingtaine de centimètres au 20ième siècle avec une tendance actuelle à s’accélérer ce que l’on l'explique par l'augmentation des gaz à effet de serre dans l'atmosphère. Le Groupe d’experts intergouvernementaux sur l’évolution du climat (GIEC), dans son quatrième rapport datant de 2007, avance une élévation de 20 à 60 cm à l'échéance de 2100. Cependant nombre d'experts et de groupes de travail considèrent que cette estimation est trop basse en raison de la fonte plus rapide que prévue des glaciers.

Pour connaître l'élévation relative de la mer par rapport à la terre le long des côtes, la seule qui nous intéresse pour les digues littorales, il faut intégrer les variations d'altitude du socle terrestre. En Norvège, par exemple, le niveau relatif de la mer, aujourd'hui, baisse en raison d'une surrection des terres plus rapide que la remontée du niveau marin. A l'inverse, dans les atolls du Pacifique, le niveau relatif est bien plus élevé que la simple surélévation du niveau marin, du fait de leur enfoncement.

Pour ce qui concerne la France métropolitaine, citons la « circulaire du 27 juillet 2011 relative à la prise en compte du risque de submersion marine dans les PPRL » qui retient comme hypothèse une surélévation de 60 cm à l'horizon 2100.

Houle, mer de vent et clapot

Génération

Les vagues sont générées par le vent. Elles présentent initialement un aspect désordonné et sont cambrées, c'est ce que nous observons sur le littoral quand la dépression est voisine du continent. Il s'agit alors d'une « mer de vent » ou de « clapot » si le vent souffle sur quelques kilomètres. Lorsque que les vagues sont générées au large (à quelques centaines, voire milliers de kilomètres), elles s'organisent dans leur déplacement et forment des ondes presque régulières qui ont une forme arrondie. Il s'agit alors de « houle ». Un « état de mer » est un ensemble de vagues qu'il s'agisse de houle, de mer de vent ou de clapot, voire de leur combinaison (houles croisées, houle et mer de vent ...)

On décrit statistiquement un état de mer par des spectres de répartition de la période et de la hauteur des vagues et de leur étalement directionnel. L'état de mer dépend de la force du vent, de la durée pendant laquelle il souffle ainsi que de la longueur du plan d'eau qu'il sollicite.

Propagation

Les vagues, dans leur déplacement, lorsqu'elles s'approchent de la côte et que les fonds remontent, subissent des modifications par shoaling et réfraction. Pratiquement, ces phénomènes apparaissent lorsque la profondeur devient inférieure à la moitié de la longueur d'onde calculée en profondeur infinie. A titre d'exemple, pour une houle océanique de période 15 s, les modifications se produisent dès que la profondeur est inférieure à 175 m, alors que pour une mer de vent de période 5 s, cela se produit à partir d’une profondeur de 20 m. Ceci met en évidence la forte dépendance de cette profondeur à la période.

Le shoaling est une modification de la hauteur des vagues due à la pente des fonds. Dans un premier temps, la hauteur diminue progressivement, de 10% environ, puis augmente dans les petits fonds. Cette augmentation dépend de la période de la houle. Par 2 m de profondeur, elle est de l'ordre de 5% pour une mer de vent de période 5 s alors qu'elle dépasse 50 % pour des houles océaniques de période supérieure à 13 s.

La réfraction modifie la hauteur et la direction de propagation des vagues. Leur direction tend à s'aligner sur les lignes de plus grande pente des fonds. Ce phénomène permet d'expliquer la concentration des vagues sur les caps et leur épanouissement dans les baies. Des réfractions se produisent aussi en présence de courants.

Indépendamment de la remontée des fonds, des phénomènes de diffraction peuvent se produire sous la forme d'un étalement latéral des vagues là où elles sont de moindre hauteur. Ce phénomène intervient notamment autour des rochers, des îlots, des îles, des presqu'îles, des digues et jetées portuaires etc...

Les vagues se réfléchissent aussi sur les obstacles comme les hauts fonds, toutes les formes émergentes, la côte, et les ouvrages. Il se produit alors en avant des obstacles un clapotis dont la hauteur est supérieure à celle de la vague incidente (le double sur un obstacle parfaitement réfléchissant). Le clapotis s'accompagne d'une surélévation du niveau moyen du plan d'eau.

Enfin, elles déferlent dès que leur cambrure est trop élevée (vagues dont la crête est trop pointue).

Des codes de calcul permettent de modéliser la propagation de la houle. Ils reproduisent bien les effets du shoaling et de la réfraction. En revanche, la réflexion n'est pas prise en compte. Certains codes modélisent le déferlement mais l'effet de la diffraction ne donne pas souvent des résultats satisfaisants. Les limites apparaissent notamment en présence d'îles et surtout de groupes d'îlots. Il peut alors être utile de mettre en œuvre des mesures in situ.

Pour réaliser un modèle fiable, certaines précautions sont à prendre. L'emprise du modèle doit s'étendre, si possible, jusqu'aux profondeurs supérieures à la moitié de la longueur d'onde au large. Les états de mer doivent aussi être évalués pour ces profondeurs. La collecte des données bathymétriques sur toute l'emprise du modèle est à rechercher. Les propagations sont à réaliser en faisant varier la direction, la période, la hauteur des états de mer et le niveau du plan d'eau dans les mers à marée.

Les états de mer au droit de la digue

Les vagues en approchant l'ouvrage peuvent déferler. Pour une plage de pente faible, on peut considérer que le déferlement se produit lorsque la hauteur de la vague est de l'ordre de la profondeur d'eau. Pour des pentes plus importantes, le déferlement sera plus tardif. Il dépendra alors de la pente et de la période des vagues. La profondeur en avant de l'ouvrage va donc limiter la hauteur des vagues qui l'atteignent. L'altitude des petits fonds et de l'estran pour les mers à marée est donc un paramètre essentiel à l'évaluation de l'état de mer au droit de l'ouvrage. Il faudra être très vigilant lorsque les fonds en avant de l'ouvrage sont constitués de sédiments mobiles ou de roches tendres susceptibles d'être érodées, car tout abaissement conduit à une augmentation de la hauteur des vagues.

Le niveau moyen du plan d'eau remonte devant l'ouvrage du fait de la surcote de déferlement (voir plus haut).

Enfin une réflexion se produit sur la digue entraînant la formation d'un clapotis, dont les conséquences sont une augmentation de l'agitation devant l'ouvrage comme une surélévation du niveau moyen du plan d'eau.

La complexité du sujet est telle qu'une modélisation numérique de tous ces phénomènes physiques n'est quasiment pas envisageable à des prix raisonnables aujourd'hui. Par contre, des essais physiques ont été réalisés sur des configurations type. Ils ont permis de dégager des règles de l'art dans certains domaines. On peut citer par exemple la stabilité des blocs de carapace d'une digue sous l'effet des vagues. En revanche, des sujets ont été moins explorés, comme l'évaluation des volumes d'eau franchissant les ouvrages de haut de plage sous l'effet des vagues. On doit cependant citer un travail récent sur le sujet, mais il ne traite qu'un nombre limité de cas, notamment pour ce qui concerne la géométrie des fonds en avant de l'ouvrage. Le lien http://overtopping-manual.com/index.html permet d'avoir accès aux conclusions de ce travail. N'oublions pas que les observations in situ voire les essais en modèles physiques restent bien souvent la méthode la plus précise.

Sollicitations hydrauliques maritimes

Les sollicitations hydrauliques peuvent provenir du courant, comme en fluvial, nous n'insisterons donc pas sur ce sujet. En revanche, les effets des marées et de la houle sont plus spécifiques.

La marée applique une charge hydraulique variable devant la digue. Si elle est construite en terre, l'effet des écoulements alternés devra être pris en compte non seulement pour la stabilité d'ensemble mais aussi pour la stabilité de surface. Si elle est constituée d'un remblai recouvert d'enrochements, il faudra vérifier la non percolation des particules fines sous l'effet du pompage exercé par l'eau au travers de la carapace. Enfin, si le remblai est recouvert d'un perré ou si la digue est constituée d'un soutènement, le niveau de la nappe en arrière est un paramètre essentiel du dimensionnement de l'écran. Une démarche pragmatique consiste à retenir un niveau de nappe en arrière correspondant à l'arase du parement sauf à démontrer le contraire. L'efficacité des barbacanes n'est pas acquise en raison des charges hydrauliques alternées, du temps de réponse de la nappe en arrière et du colmatage. L'étanchéité de l'ensemble du parement doit être soignée pour éviter la formation d'une cavité en arrière due au départ des matériaux de remblai.

La houle exerce aussi des forces hydrauliques variables sur la digue mais le cycle est de l'ordre de quelques secondes à comparer à 12 heures environ pour la marée en métropole. Cette variation rapide produit des effets dynamiques spécifiques, comme le franchissement des vagues et les efforts dynamiques. Ces deux effets dépendent fortement de la hauteur des vagues au pied de l'ouvrage (les efforts surfaciques et volumiques sont par exemple proportionnels respectivement au carré et au cube de la hauteur de la houle). Comme la hauteur de la houle résiduelle dépend de la profondeur d'eau au pied de l'ouvrage, on comprend que le niveau de l'estran est un paramètre essentiel tant pour évaluer les franchissements que les efforts appliqués. En présence de houle, la digue doit obligatoirement être recouverte d'une carapace en enrochements ou protégée d'un écran, voire d'une structure hybride. Le dimensionnement des enrochements se fait suivant des méthodes bien décrites dans la littérature. En revanche celui des écrans reste très empirique, il est souvent réalisé par un calcul quasi-statique de soutènement. Les effets de pompage dus à la houle sont plus conséquents que ceux de la marée. Ils sont pris en compte dans les méthodes de dimensionnement des enrochements. Pour ce qui concerne les écrans, les dispositions d'étanchéité décrites au paragraphe précédent s'appliquent de la même manière, voire plus strictement.

Influence de l’hydrogéologie

L’hydrogéologie c’est la partie de la géologie qui s'occupe des processus de circulation de l'eau dans le sol et les roches, de la recherche des eaux souterraines, ainsi que de leur captage et de leur protection.


Références

Dictionnaire langue française Larousse

CETMEF, (2009). Guide enrochements : l’utilisation des enrochements dans les ouvrages hydrauliques – version française du Rock Manual- 2ème édition, http://www.cetmef.developpement-durable.gouv.fr/guide-enrochement-a130.html

Ministère de l’écologie, du développement durable et de l’énergie (MEDDE), 2015. Référentiel technique digues maritimes et fluviales, 190 p. Le téléchargement est disponible ici.

SIMON B., (2007). La mare océanique côtière, édité par l’Institut Océanographique, 433 p.


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