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Wikibardig:Sollicitations hydrauliques sur les digues : influence de la géomorphologie

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Version du 14 janvier 2019 à 13:19 par Huguette Felix (discuter | contributions)

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Sommaire


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

En géologie, la géomorphologie est la science qui étudie les formes d'un relief ainsi que leurs évolutions, le domaine qui étudie la morphologie de la terre, les caractéristiques morphométriques, la configuration et l'évolution de formes de terrains et de roches.

Selon l'étymologie même du mot, cela consiste en l'étude scientifique des formes du terrains (reliefs) mais aussi les processus telluriques qui les façonnent. (Source : https://www.aquaportail.com/definition-11629-geomorphologie.html)

Une digue de protection contre les inondations fluviales ou les submersions marines est implantée dans un environnement susceptible d’évoluer.

L’approche géomorphologique vise à fournir au concepteur de l’ouvrage les informations nécessaires pour définir les évolutions prévisibles de l’environnement de l’ouvrage.

Le processus d’étude doit être itératif. En effet, l’évolution morphologique de l’environnement de l’ouvrage peut conduire à des pathologies de l’ouvrage, voire à sa rupture. Réciproquement, la présence de l’ouvrage peut avoir une influence plus ou moins marquée sur l’environnement de l’ouvrage et qui s’en trouve ainsi modifié.

Par ailleurs, les évolutions morphologiques peuvent aussi avoir un impact en termes de modification des sollicitations hydrauliques, de la même manière que la création ou la modification d'un système de digues peut avoir des conséquences en termes de morphodynamique ou de modification des sollicitations hydrauliques.

Les évolutions morphodynamiques s'étudient à différentes échelles de temps :

  • Courte, pendant les événements crue ou tempête,
  • Moyenne et longue pour des actions non exceptionnelles, à la durée d'un cycle de maintenance/diagnostic (10 ans par exemple pour respecter la réglementation française actuelle),
  • Durée de vie prévisible de l'ouvrage (100 ans en toute vraisemblance).

Géomorphologie fluviale

En préambule, il convient de rappeler que la logique de la morphologie fluviale est liée à la logique des écoulements liquides, à la logique du transport solide et à l’influence de la végétation. Seule une approche globale peut éviter des échecs. Toute intervention doit être précédée d’une phase de diagnostic du comportement de la rivière sur un tronçon bien plus long que celui sur lequel on compte intervenir.

Le guide traitant de l’hydraulique et de la morphologie fluviale [Degoutte, 2006] constitue un ouvrage de référence dans ce domaine.

Transport solide

Pour définir les sollicitations géomorphologiques, il faut s’intéresser au transport solide du cours d’eau et de ses affluents. Deux modes caractérisent le transport solide :

  • Le charriage (mouvement de roulement ou de saltation [1]. près du fond) concerne plus particulièrement les sables, les graviers, les galets et les blocs ;
  • La suspension, concernant plus particulièrement les sables et les limons, est due à la turbulence s’opposant à la chute du sédiment.

En règle générale, la pente d’un cours d’eau décroît de l’amont vers l’aval plus ou moins régulièrement. Les dépôts les plus grossiers se situent alors dans le cours amont, alors que les plus fins continuent leur transit vers l’aval. Ainsi, l’étendue granulométrique est large dans les parties amont et se resserre à l’aval. Les affluents dont les pentes sont plus fortes peuvent apporter à nouveau des matériaux plus grossiers. Dans les rivières à pente forte ou moyenne, certains gros grains peuvent avoir un rôle structurant en organisant une armature de surface, appelée pavage, que seule une forte crue pourra détruire. Dans les rivières pavées, le transport solide peut être très inférieur de ce qu’il aurait été sans cette protection. Si le pavage est emporté à l’occasion d’une forte crue, le substratum peut être découvert et le transport solide peut s’en trouver grandement modifié en fonction à la résistance à l’érosion du substratum. Il n’y a pas de formule universelle de transport solide. Toutes les formules de transport solide doivent être utilisées avec prudence car elles ont été établies à partir de mesures dans des conditions particulières notamment en terme de topographie, granulométrie et d’hydraulique. Dans les torrents (pente supérieure à 6%), le charriage a un rôle prédominant et influe fortement sur l’écoulement liquide. La hauteur d’écoulement est significativement supérieure à ce qu’elle serait en présence d’eau seule. La hauteur d’écoulement est encore plus importante lorsqu’il s’agit de laves torrentielles.

  1. processus de transport de sédiment par l'eau ou par le vent. Entraîné par le fluide, les particules, de la taille des sables ou des graviers, se déplacent par sauts. Source: https://www.aquaportail.com/definition-7623-saltation.html

Morphologie des cours d’eau

Dans une rivière, l’écoulement n’est jamais uniforme en raison des variations géométriques (largeur, pente) et de la présence de singularités naturelles ou artificielles (méandres, obstacles, ouvrages, végétation, …). Les zones de fortes vitesses sont les zones privilégiées d’érosion, a contrario les zones de faibles vitesses sont propices aux dépôts.

Le lit des cours d’eau est façonné par le transport solide et le transport liquide. Au-delà d’un certain débit, le lit va évoluer : ce sont les crues morphogènes. L’évolution du lit peut concerner la largeur, la profondeur et la pente. Ces évolutions dues à la discontinuité des apports (solide et liquide) sont appelées « respiration » mais le lit maintient en général sur le long terme un équilibre entre la pente, la granulométrie des matériaux du fond et le régime hydraulique.

Un tronçon de rivière considéré est à l’équilibre si le taux d’érosion est égal au taux de dépôts. Cet équilibre général n’est en rien contradictoire avec des processus localisés alternant des zones d’érosion et des zones de dépôt, notamment dans les coudes.

Les affluents les plus importants peuvent modifier les apports solides et liquides. Le cours d’eau s’adapte en modifiant sa pente.

L’érosion, si le lit s’approfondit, et l’exhaussement, dans le cas contraire peuvent être régressifs, s’ils se développent de l’aval vers l’amont, ou progressifs, de l’amont vers l’aval.

L’érosion régressive est la conséquence d’un abaissement du fond alors que l’érosion progressive est due à un déficit en matériaux transportés par charriage.

Les processus d’évolution concernent aussi le tracé en plan de la rivière. Le plus souvent, la forme du lit évolue de l’amont vers l’aval d’un cours d’eau :

  • tracé rectiligne et vallée étroite, à l’amont,
  • puis tracé en tresses large et plat, composés de plusieurs chenaux séparés par des bancs,
  • suivi d’un style divagant, le nombre de tresses diminue et un tracé principal sinueux s’organise,
  • lit unique à méandres nettement calibré, à l’aval.

Dans le cas des rivières à méandres, des évolutions de tracé conduisent à un déplacement des méandres (reptation, déplacement latérale, coupure). Dans le cas des rivières en tresses, les évolutions concernent les bras (déplacement, création et comblement).

Sollicitations du cours d’eau sur la digue

Les évolutions géomorphologiques peuvent avoir un impact sur la sécurité des digues d’autant plus que celles-ci sont proches du lit mineur. La présence ou l’absence d’un espace entre le lit mineur et l’ouvrage ainsi que la plus ou moins forte mobilité naturelle du lit conditionnent la nécessité d’une étude morphologique plus ou moins approfondie.

Divers processus sont susceptibles d’être rencontrés :

  • érosion des berges par le courant pouvant déstabiliser la digue ;
  • évolution du tracé du cours d’eau qui peut augmenter la vitesse d’écoulement au droit de la digue et donc provoquer une érosion du talus ou saper le pied de la digue;
  • réactivation d’un ancien bras sur lequel ou à proximité duquel la digue est implantée ;
  • évolution du profil en long par enfoncement localisé ou généralisé modifiant les conditions de surverse ;
  • évolution du profil en long par exhaussement localisé ou généralisé modifiant les conditions de surverse ;
  • Formation d’embâcles qui peuvent être, d’une part, des agresseurs pour les berges voire les digues, et, d’autre part, à l’origine de surverses.

L’étude géomorphologique peut comporter plusieurs volets.

Elle peut viser à définir le fuseau de mobilité du cours d’eau et à estimer les vitesses d’évolution dans ce fuseau, très rapides à l’échelle d’une crue, ou lentes. Pour cela peuvent être utilisés :

  • des documents cartographiques historiques :
    • cartes de Cassini,
    • cadastres napoléoniens ;
    • campagne de topographie spécifique (ex : Loire 1850, Rhône 1856) ;
  • des documents plus récents :
    • cartes IGN,
    • plans cadastraux,
    • cartes géologiques,
    • photographies aériennes,
    • profils en long du fil d’eau de la rivière,
    • levés bathymétriques.

En complément, il est utile de faire une analyse à une échelle plus fine. Sur le terrain le géomorphologue recherchera la présence de pavage, d’anciens chenaux, de zones d’érosions et de dépôts… Une analyse granulométrique des alluvions permet d’apprécier la composante sédimentologique. La profondeur et la nature du substratum des matériaux de recouvrement (y compris les berges) conditionnent la possibilité que les mécanismes d’érosion se développent plutôt en profondeur ou au contraire latéralement.

La végétation joue un rôle généralement positif sur la résistance des berges car elle limite l’érosion et le glissement. Cependant son action peut aussi être inverse : turbulences érosives, basculement d’arbres… La végétation ligneuse est source de dangers pour la digue si elle est implantée dessus ou à proximité de ses pieds [Zanetti et al, 2008]. L’étude de la végétation, utile pour apprécier l’impact de celle-ci sur l’ouvrage et sur la berge environnante, peut être étendue plus en amont pour évaluer le risque d’embâcles : arbres arrachés, présence de pièges potentiels (ponts, seuils, coudes prononcés). La présence d’îles ou d’atterrissements implique un rétrécissement local, une divergence des lignes de courant et un mouvement hélicoïdal des masses d’eau. Les forces tractrices sur les berges sont donc augmentées.

Impact de la digue sur le lit de la rivière

La réalisation d’une digue ou le déplacement d’une digue peuvent modifier l’équilibre morphologique de la rivière en créant une discontinuité du transport des matériaux grossiers. Le rétrécissement du lit peut conduire à l’apparition d’érosions et, a contrario un élargissement peut favoriser des dépôts. Si la perturbation est suffisamment longue, le cours d’eau retrouvera un équilibre en modifiant sa pente et son tracé (méandrage). Les conséquences ne sont pas limitées au tronçon endigué : en général, on constatera une érosion régressive à l’amont de l’endiguement et à un dépôt à l’aval (ré-élargissement). Si l’aménagement est court, une variation locale du fond est à attendre.

En cas d’érosion d’une couche alluviale de faible épaisseur, le substratum peut être découvert. Dans ce cas et si celui-ci est tendre ou peut se déliter, l’érosion peut être considérable. A l’inverse, selon la granulométrie du lit, l’érosion peut être limitée par la formation d’un pavage.

Un nouvel endiguement sur un cours d’eau à l’équilibre aura pour conséquences morphologiques de provoquer :

  • l’incision d’un cours d’eau, d’autant plus forte que les digues sont hautes et que l’espace inter digues est réduit (augmentation du tirant d’eau, des vitesses d’écoulement et donc des forces tractrices),
  • un dépôt des matériaux transportés en suspension dans l’espace inter-digues, d’autant plus épais que cet espace est réduit et que la phase en suspension et la fréquence des débordements sont importantes.


Geomorphologie-Schéma1.jpgGeomorphologie-Schéma2.jpg

Dépôt dans l'espace inter-digues et approfondissement du lit mineur consécutif à l’élévation du niveau d’eau due à la suppression des débordements dans le lit majeur

Selon Ramette (guide d’hydraulique fluviale), les fonds évoluent sensiblement parallèlement aux fonds initiaux. L’approfondissement est de l’ordre de :

ΔH = H0 ((Q/Qm)2/3-1)

Avec :

Q : débit du lit endigué,

Qm : débit du lit mineur avant endiguement (Qm < Q),

H0 : profondeur du lit mineur avant endiguement

L’approfondissement du lit mineur et l’exhaussement de l’espace inter-digues modifient la capacité du lit endigué. A plus ou moins long terme, la fréquence des débordements dans le lit majeur en arrière des digues est modifiée.

Par ailleurs, l’implantation d’un déversoir sur un endiguement a des effets en termes de transports solides. On se reportera à ce sujet sur le guide « déversoirs sur les digues fluviales de protection contre les inondations fluviales » [Degoutte, 2012]. En quelques mots, on notera que la présence d’un déversoir entraîne un exhaussement du lit (régressif à l’amont et progressif à l’aval) et un dépôt localisé à son voisinage. Ces effets sont toutefois limités si le déversoir déverse rarement ou des faibles débits.

Géomorphologie maritime

Transport solide

Comme en fluvial, deux modes de transport caractérisent le transport solide : la suspension et le charriage. Les sollicitations hydrauliques qui en sont à l'origine sont les courants et la houle. Un mode de transport spécifique est la projection des matériaux en haut d'estran sous l’effet des vagues, qui si elles sont obliques entraînent un transport longitudinal (parallèle à la plage). Ce mode de transport est caractéristique des plages de galets.

Les courants peuvent résulter des marées, notamment en Mer du Nord, en Manche et en Atlantique pour ce qui concerne la métropole. Leur action est particulièrement marquée dans les estuaires ou les baies comme celle du Mont Saint Michel. Ils mettent et maintiennent en suspension les particules fines principalement les vases, les limons puis les transportent jusque dans les zones abritées où elles se déposent. Les particules les plus fines restent longtemps en suspension avant de se déposer. Ce phénomène est particulièrement marqué dans certains estuaires où les eaux sont très turbides et où il peut se former un bouchon vaseux, constitué de volumes considérables de matière en suspension, qui se déplace au gré des marées et des courants du fleuve.

Les vagues produisent sur les fonds des courants alternés à leur passage ainsi qu'une composante résiduelle suivant leur direction de propagation. Pour simplifier, les courants alternés mettent en suspension les matériaux du fond qui ensuite sont transportés sous l'action des courants résiduels. Les matériaux mis en suspension et transportés peuvent être de granulométrie plus grossière que ceux soulevés par les courants seuls évoqués au paragraphe précédent, notamment dans les zones exposées et de faible profondeur. Des sables grossiers peuvent ainsi être mis en suspension et transportés lors des tempêtes. A proximité du rivage des courants puissants peuvent se former et générer des transports conséquents (transport longitudinal ou cross shore, transport transversal ou long shore).

L'action de la houle et des courants peuvent aussi se compléter. Il en résulte des transports plus importants. Le transport par charriage, sans suspension, est aussi possible sous l'action du courant, de la houle, voire des deux. Dans ce cas, les matériaux roulent ou sautent.

Morphologie des fonds marins, des plages et du trait de côte

La morphologie des fonds marins des plages et du trait de côte est évolutive notamment en présence de matériaux mobiles comme la vase, les limons, les sables, les graviers et les galets. Les échelles de temps de ces évolutions sont également très variables : pendant une marée, pendant une tempête, suivant les saisons et à l'échelle interannuelle, voire séculaire. Ces évolutions peuvent être considérables. Nous allons en donner quelques exemples.

  • Une plage de galet sur le littoral Normando-Picard peut s'exhausser ou baisser de deux mètres le long d'un épi à l'occasion d'une tempête. Lors de la tempête Xynthia on a pu constater que le pied d'une dune avait reculé de 15 mètres environ.
  • Les plages de sable et de galets n'ont pas la même forme pendant l'été et l'hiver. En été on note un engraissement de la plage et du haut de l'estran. Les tempêtes d'hiver vont démaigrir le haut de plage et le pied de dune et transporter ces matériaux vers le large. A Fécamp la plage de galets s'est déjà abaissée de plus de 3 mètres pendant un hiver.
  • A l'échelle inter-annuelle et séculaire le trait de côte peut avancer et reculer. A l'Île Tudy, la dune a avancé et reculé plusieurs fois au XXième siècle. L'amplitude de ces mouvements atteint 100 m. L'altitude des plages peut aussi varier. Sur le site de Wissant la plage de sable a baissé de plus de 5 mètres en 20 ans environ et on a vu son altitude varier de plusieurs mètres plusieurs fois en un siècle.
  • Enfin la forme des côtes et des estuaires à l'échelle pluriséculaire peut être complètement transformée. Des mouvements de plusieurs kilomètres, voire dizaines de kilomètres en quelques siècles existent.

Les évolutions du littoral et des plages sont très sensibles au transit long shore. Ce dernier peut être important et atteindre plusieurs dizaines de milliers voir centaines de milliers de m3 par an. L'interruption de ce transit par la construction d'ouvrages perpendiculaires à la côte, comme des digues ou jetées portuaires, peut se faire ressentir à plusieurs dizaines de kilomètres en aval voire plus. A une moindre échelle, un épi génère une érosion en l'aval.

Sollicitations maritimes sur la digue

Comme pour les digues fluviales, les évolutions morphologiques, comme les sollicitations hydrauliques doivent être prises en compte.

Nous avons évoqué au chapitre précédent des évolutions morphologiques observées. Il faut appréhender les tendances pluriannuelles pour l'implantation de la digue. Si la tendance est au recul du trait de côte, il faudra implanter la digue suffisamment en retrait de ce dernier sauf à devoir considérablement renforcer l'ouvrage, voire risquer sa destruction. Si une avancée du littoral est possible, il peut être judicieux d'attendre avant de réaliser une digue dont l'utilité n'est pas immédiatement acquise, et de mettre en œuvre des travaux provisoires. Il arrive que des travaux conséquents soient réalisés après une tempête alors qu'il ne s'agit que de la vie naturelle de la plage et du littoral. Partout où il sera possible de le faire, on doit éviter d'implanter un ouvrage en haut de plage car celle-ci a une résilience que ne présente pas l'ouvrage.

Les études morphologiques à mener doivent s'appuyer, comme en fluvial, sur tout document historique, cartographique et photographique anciens ou contemporains. En raison de la grande sensibilité du dimensionnement d'une digue maritime aux évolutions des petits fonds, il faut notamment rechercher toutes les bathymétries et les levés d'estran anciens.

Impact de la digue sur le littoral et la plage

La construction d'une digue modifie l'équilibre de l'estran et des petits fonds lorsqu'ils sont constitués de matériaux mobiles ou érodables, notamment lorsque le site est exposé à la houle. En effet la digue constitue un obstacle réfléchissant pour la houle, qui de ce fait va croître au pied de l'ouvrage et provoquer des départs de matériaux. Ce processus est itératif, car l'approfondissement produit permet à des houles plus fortes, qui auraient déferlé auparavant, lorsque la plage était plus haute, d'atteindre l'ouvrage et donc d'augmenter l'érosion etc... Aucun ouvrage ne sera moins réfléchissant que la plage elle-même ; la baisse du niveau de la plage suite à la construction d'un ouvrage en haut de plage ne peut donc être évitée. En Méditerranée, de nombreux ouvrages ont provoqué la disparition de la plage. Sur les mers à marée, des plages se sont tant amaigries qu'elles ne sont plus visibles à marée haute. Pour éviter ces effets négatifs, la meilleure solution est de construire la digue suffisamment en arrière lorsque c'est possible. Des solutions palliatives consistent à essayer de contrôler le niveau de la plage en avant de la digue soit par la réalisation d'ouvrages comme des épis, des brise-lames ou mieux par des rechargements, voire une combinaison des deux.

La digue a aussi un impact en présence d'un transit littoral, notamment lorsque des ouvrages ont été réalisés pour stabiliser la plage en avant de celle-ci. Le transit littoral peut être bloqué ou diminué, ce qui entraîne une érosion en aval des ouvrages et peut provoquer une accumulation en amont (l'amont et l'aval vis à vis du transport littoral).


Références

DEGOUTTE, (2006). Diagnostic, aménagement et gestion des rivières : hydraulique et morphologie fluviales appliquées, éditions Tec & Doc Lavoisier, 394p.

DEGOUTTE G., (2012). Les déversoirs sur digues fluviales, QUAE éditions, 184 p.

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.

Zanetti et al, (2008). L'enracinement des arbres dans les digues en remblai : étude des systèmes racinaires et impacts sur la sécurité des ouvrages. Ingénierie EAT n°53, p. 49 à 67.

RAMETTE M., (1981). Guide d'hydraulique fluviale - Rapport HE/40/81/04 du Laboratoire National d'Hydraulique (Chatou), 172 p


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