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

thierry.faug@cemagref.fr

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?