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Manuel pour l’etude

de l’interaction de l’ecoulement

d’une avalanche avec un obstacle

Projet DynAval

Regione Autonoma Valle d’Aosta – Region Autonome Vallee d’Aoste

Responsables du projet :

– Direction Amenagement Hydrogeologique des Bassins Versants - Region Autonome Vallee d’Aoste :Valerio Segor, Luca Pitet

– UR Erosion torrentielle, neige et avalanches – IRSTEA (Cemagref) – Grenoble (F) :Florence Naaim-Bouvet

Avec la collaboration de :

– Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Edile e Geotecnica (DISEG) – Politecnico di Torino :Bernardino Chiaia, Monica Barbero, Fabrizio Barpi, Mauro Borri-Brunetto, EloıseBovet, Valerio De Biagi, Barbara Frigo, Oronzo Pallara

– Dipartimento di Valorizzazione e Protezione delle Risorse Agroforestali (DIVAPRA), CentroInterdipartimentale sui rischi ambientali in ambiente montano e collinare (NatRisk) – Univer-sita degli Studi di Torino :Ermanno Zanini, Antoine Brulpont, Enrico Bruno, Elisabetta Ceaglio, MicheleFreppaz, Danilo Godone, Margherita Maggioni, Davide Viglietti

– UR Erosion torrentielle, neige et avalanches – IRSTEA (Cemagref) – Grenoble (F) :Mohamed Naaim,Herve Bellot,Paolo Caccamo,Guillaume Chambon,Nicolas Eckert,Thierry Faug, Alexandra Fitzgerald, Johan Gaume, Frederic Ousset, Xavier Rava-nat, Emmanuel Thibert

– Ad Hoc 3D Solutions s.r.l. – Aoste :Leandro Bornaz

Nous remercionsMonterosaSki pour la disponibilite et la collaboration offertes durant le deroulementdu projet.

Reference bibliographiqueAA.VV. (2012). Manuel pour l’etude de l’interaction de l’ecoulement d’une avalanche avec unobstacle, Region Autonome Vallee d’Aoste.

Fini d’imprimer au mois de mars 2012Disponible au format PDF sur le site www.risknat-alcotra.org

ISBN 978-88-XXXX-XXX-X

Les noms et les marques cites sont generalement deposes ou enregistres par leurs maisons deproduction.

c© 2012 Region Autonome Vallee d’Aoste - Regione Autonoma Valle d’Aosta

978-88-907104-5-2

Table des matieres

Avant-propos iii

Introduction v

1 Conception et fonctionnement d’un site-test pour l’analyse de la dyna-mique des avalanches et de l’interaction ecoulement-obstacle 11.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Objectifs scientifiques : interaction avalanche-obstacle . . . . . . . . 21.3 Avalanche de neige declenchees artificiellement . . . . . . . . . . . . 3

1.3.1 Le choix du site d’etude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.3.2 Instrumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101.3.3 Definition des zones d’erosion et de depot . . . . . . . . . . . 241.3.4 Operations sur site . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

1.4 Sites test de declenchement naturel : exemple de Taconnaz . . . . . . 301.4.1 Choix du site-test, historique de l’activite avalanche . . . . . 301.4.2 Methode de caracterisation de l’avalanche de reference a prendre

en compte pour le dimensionnement . . . . . . . . . . . . . . 311.4.3 Operation de fonctionnement du site et fortes contraintes as-

sociees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311.4.4 Process de mesure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321.4.5 Systeme d’acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2 Principaux resultats scientifiques relatifs a la force d’impact des ava-lanches 352.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352.2 Notions generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2.2.1 Nombres sans dimension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362.2.2 Influence du regime d’avalanche . . . . . . . . . . . . . . . . . 362.2.3 Influence de la taille de l’obstacle . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2.3 Calcul de la pression d’impact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382.3.1 Formules classiques pour la protection avalanche . . . . . . . 392.3.2 Un modele visqueux non-newtonien pour les petits obstacles 402.3.3 Un modele granulaire pour les obstacles de grande taille a

face plane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412.3.4 Quelques recommandations specifiques . . . . . . . . . . . . . 42

2.4 Cas d’etude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442.4.1 Differents regimes d’avalanche incidente . . . . . . . . . . . . 44

i

Table des matieres

2.4.2 Obstacle de type pylone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462.4.3 Obstacle de type mur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

3 Dimensionnement de la hauteur des digues de protection : exemples 493.1 Resume de la nouvelle procedure europeennee . . . . . . . . . . . . . 49

3.1.1 Regime rapide (inertiel) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493.1.2 Regime lent (gravitaire) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503.1.3 Dissipation locale d’energie cinetique due aux digues . . . . . 51

3.2 Exemples en Italie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523.2.1 Une digue d’arret . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523.2.2 Une digue de deviation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

3.3 Exemples en France . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553.3.1 Une digue d’arret . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553.3.2 Une digue de deviation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

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Avant-propos

V. Segor

Le projet Dynamique des avalanches : depart et interaction ecoule-ment/obstacles n◦ 048 appele DynAval s’inscrit dans le cadre du ProgrammeOperationnel de Cooperation territoriale europeenne transfrontaliere, Italie/France(Alpes) 2007/2013, Mesure 2.2 Prevention des risques.

Le projet, ne en 2009, en collaboration entre la Region Autonome Vallee d’Aosteet le Cemagref (aujourd’hui IRSTEA), avait pour objectif de faire progresser lesconnaissances dans ces deux domaines cles :

1. Definition de la zone de depart et des volumes de declenchement pour mieuxcomprendre les phenomenes physiques qui generent le declenchement et ob-tenir des donnees d’entree pour les modeles numeriques de propagation quipourront etre utilises pour l’etablissement des cartes d’aleas ;

2. Definition des pressions d’impact resultantes dans la zone d’arret, y compris enconsiderant l’interaction avec des obstacles, dans le but d’ameliorer le zonage,et etude du comportement des ouvrages face aux evenements (influence desobstacles sur le flux d’avalanche) dans le but d’optimiser la conception desouvrages paravalanches.

Apres trois ans de travail, nous presentons un des resultats prevus, c’est-a-dire lemanuel pour l’etude de l’interaction de l’ecoulement d’une avalanche avecun obstacle.

Ce manuel a une “connotation” tres pratique et nat donc de la volonte princi-pale des partenaires de se doter d’outils a appliquer pour faire face aux exigencesquotidiennes de bonne gestion du territoire.

Le manuel aborde donc la problematique de la conception, realisation et du fonc-tionnement de sites pilotes, opportunement instrumentes, afin d’obtenir les donneesnecessaires au developpement de methodologies innovatrices et a l’application debonnes pratiques de gestion du territoire. En effet, la realisation de sites pilotes n’estjamais une fin en soi, car l’analyse des donnees obtenues des activites sur les sitespilotes contribue au bon dimensionnement des batiments soumis au risque d’ava-lanche ou bien des ouvrages de protection passive, comme indique au chapitre troisdu present manuel, ou les possibilites d’application ont ete prises en considerationdans les procedures de planification de barrages de protection, et notamment en cequi concerne les etudes de cas reels dans la Vallee d’Aoste et en France.

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Introduction

Le present document donne un resume des principaux resultats techniques etscientifiques du projet DYNAVAL relatifs aux questions liees a l’interaction entreles ecoulements d’avalanche et les obstacles.

– Le chapitre 1 decrit comment un couloir d’avalanche (ou plusieurs ava-lanches sont declenchees artificiellement ou naturellement) peut etre ins-trumente pour investiguer les questions scientifiques relatives a ladynamique des avalanches et a l’interaction avalanches-structures.L’attention est portee sur le nouveau site experimental developpe au Seehore(Italie), la nouvelle instrumentation installee sur le site existant du Lautaret(France) et sur le couloir d’avalanche de Taconnaz (France) ;

– Le chapitre 2 resume les principaux resultats associes aux projet Dy-naval dans le cadre de l’interaction ecoulement-obstacle. Ces resultatstraitent principalement de la pression d’impact des avalanches de neige sur lesobstacles de type (i) pylones et (ii) murs. Les nouveaux modeles, susceptiblesde predire la force d’impact, sont appliques a des cas d’etude dans differentsregimes d’avalanche (gravitaire, intermediaire et inertiel), ce qui permet desouligner les limites des methodes (classiques) existantes pour certains de cesregimes d’ecoulement.

– Le chapitre 3 explique comment la procedure europeenne recente pourle dimensionnement des digues de protection en terme de hauteurpeut etre appliquee a des sites d’avalanche en Italie et en France. Lasection 3.1 de ce chapitre est specifiquement dediee a un resume de la procedurequi a ete proposee dans le cadre des projets europeens PCRD CADZIE etSATSIE (voir details dans [43] et les references associees).

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1 Conception et fonctionnement d’unsite-test pour l’analyse de ladynamique des avalanches et del’interaction ecoulement-obstacle

H. Bellot, M. Barbero, F. Barpi, M. Borri-Brunetto, E. Bovet, B. Chiaia, V. DeBiagi, T. Faug, M. Freppaz, B. Frigo, M. Maggioni, M. Naaim, F. Naaim-Bouvet,O. Pallara, X. Ravanat, E. Thibert

1.1 Introduction

L’objectif de ce chapitre est d’expliquer les differentes etapes dans le but d’instru-menter un site-test pour l’etude de la dynamique des avalanches et de l’interactionentre avalanches et structures. Ces objectifs concernent principalement trois su-jets : l’identification du site, le choix de l’obstacle a instrumenter et les proceduresa suivre durant les experimentations. Afin de choisir le site-test (section 1.3.1), ilest d’abord necessaire de repondre a deux questions :

– est-ce que la pente constitue un site adequat pour l’etude des avalanches ?– quelles sont les etudes preliminaires a conduire ?

Les aspects a considerer, aussi bien la logistique que les analyses nivologique etgeotechnique, sont par consequent a prendre a compte. Dans un second temps, pourpouvoir etudier la dynamique et l’interaction avalanche-structure, il est necessairede construire un obstacle instrumente (section 1.3.2). Pour repondre a cet objectif,les reponses aux questions suivantes sont necessaires :

– quelles sont les chargements et les actions a prendre en consideration ?– quelle instrumentation est adequate pour mesurer le comportement de la struc-

ture et son interaction avec l’avalanche ? En particulier, l’attention est porteesur les systemes de mesure de pression, de vitesse et de hauteur.

Enfin, la section 1.3.4 repond a la question (v) du comportement des equipes tech-niques sur le site en lien avec la securite.

Les “directives theoriques” sont alors appliquees, pour chacun des aspects danschaque section, aux sites du projet Dynaval : les sites italien du Seehore et francaisdu Col du Lautaret et de Taconnaz. Cependant, il est important de souligner l’exis-tence d’autres analyses globales en relation avec d’autres sites test en Europe, telsque celui de la Vallee de la Sionne en Suisse ou encore celui de la digue du Ryggfonn

1

Site-test : dynamique et interaction avalanche-obstacle

en Norvege. Pour plus details concernant ces sites, on pourra se referer a [41] et labibliographie s’y trouvant.

1.2 Objectifs scientifiques : interactionavalanche-obstacle

La definition des objectifs scientifiques relatifs aux sites test permet de determinerla methode a developper pour l’instrumentation du site en question. On peut sou-ligner deux objectifs principaux dans le cadre des questions scientifiques relativesa l’interaction avalanche–obstacle :

– l’etude de la rheologie des ecoulements de neige. La structure interne desecoulements, i.e. les profils de vitesse et de contrainte, doit etre caracterisee. Lahauteur instantannee de l’ecoulement est aussi de grande importance (condi-tion aux limites liee a la surface libre), ainsi que la masse volumique de laneige en ecoulement. Le probleme des processus d’erosion/depot joue un rolecrucial dans la dynamique des avalanches. En lien avec cette question, un bi-lan de masse peut etre mis en place (tel que planifie sur le couloir 2 au Col duLautarel) ;

– L’etude de l’interaction entre une avalanche et une structure (de grande taille).La pression d’impact doit etre mesuree, ainsi que la vitesse incidente et lesdepots autour de la structure (tels que les mesures mises en place sur le couloir1 au Lautaret, sur le site du Seehore et celui de Taconnaz).

Les effets potentiels d’echelle (site-test de petite, moyenne et grande dimension)peuvent etre consideres. Les avalanches sont declenchees artificiellement (Lautaret,Seehore) ou naturellement (Taconnaz).

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1.3 Avalanche de neige declenchees artificiellement


1.3.1 Le choix du site d’etude

Comme illustre a la section precedente, le choix du site pour la constructiond’une structure instrumentee doit prendre en compte plusieurs aspects. Bien quela recherche permette d’evaluer les proprietes de la neige et de l’avalanche, lescaracteristiques geologiques et geotechniques du versant, ainsi que les questionslogistiques, jouent un role essentiel dans le choix du site.

La bonne position de l’obstacle instrumente pour l’analyse de l’interaction entrel’avalanche et la structure doit etre choisie parmi une multitude de propositionsdifferentes de sites experimentaux. En particulier, certains aspects doivent etre prisen compte : le parcours de l’avalanche, la possibilite qu’un meme obstacle soitconcerne par des phenomenes s’etant produits dans des zones differentes du versant,l’importance des evenements, l’interaction avec d’autres activites (voies de commu-nication, infrastructures sportives) et, dernier aspect aussi important, le budgetdisponible pour chaque declenchement artificiel. Avant toute analyse numerique etde calcul, il est necessaire de recuperer tout le materiel pour pouvoir effectuer unchoix soigne parmi les possibles sites experimentaux, comme precise dans la listesuivante :

– l’inventaire cartographique disponible pour le site, par exemple les cartes topo-graphiques et les cartes geologiques (a des echelles differentes), la cartographiehistorique, le cadastre des evenements geologiques (eboulements, mouvementsgravitationnels,...), la cartographie des avalanches, le modele numerique de ter-rain, toute la cartographie thematique sur les services, les infrastructures et lessous-services de la zone (lignes electriques, connexion a Internet,...) ;

– donnees historiques sur les avalanches precedentes sur le versant (en raison dunombre d’evenements par saison, de l’importance de l’evenement,...) ;

– conditions nivologiques et meteorologiques du site (temperatures, precipita-tions,...) et la presence d’effets locaux dus a la topographie (vents dominants,transport de neige,...) ;

– la presence ou l’absence de contraintes dans l’emploi de l’explosif pour ledeclenchement des avalanches ;

– autre materiel considere comme important pour la caracterisation du site.Une fois tout le materiel collecte et apres s’etre fait une idee generale du site, des

analyses specifiques doivent etre effectuees, comme illustre par la suite.

Analyse nivologique du site. Il est d’abord necessaire de determiner les zones dedeclenchement, de fluage et d’accumulation de maniere a definir les volumesconcernes par l’avalanche et effectuer les simulations numeriques de l’ava-lanche. Consulter le cadastre des avalanches pourrait se reveler interessantpour avoir des informations sur les simulations deja effectuees et realiser desdeclenchements artificiels ad-hoc pour evaluer la position optimale de l’obs-tacle.

Si l’avalanche se dirige vers differents parcours, il est necessaire de faire deschoix ; ceux-ci peuvent/doivent etre supportes par des simulations numeriques,

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par l’experience des operateurs et par les personnes preposees au declenche-ment.

Vu la grande variabilite, les parametres caracterisant le manteau neigeux, lesdimensions de la zone de declenchement, ainsi que la profondeur de declenche-ment et la densite du manteau ne sont pas des quantites connues a l’avance.Il est donc necessaire de mener une analyse parametrique en faisant varier lalargeur et la longueur de la zone de declenchement, ainsi que la profondeuret la densite de la neige. Le volume maximum implique dans le phenomenedoit etre evalue pour chaque periode de retour (qui correspond a differentesprofondeurs de declenchement). Une fois la position de l’obstacle definie, lesmodeles numeriques fournissent une estimation de la vitesse de l’avalancheet, a travers l’expression de Bernoulli, de la pression d’impact. Pour parvenira une estimation de la pression d’impact relative a une avalanche considereecomme significative et pour laquelle l’obstacle doit etre concu, toutes les si-tuations doivent etre prises en compte.

Parallelement, il est necessaire de rechercher la meilleure technique pourle declenchement artificiel. Cela depend de l’habilete des operateurs et dessystemes utilises pour le declenchement (DaisyBellr, Carica Vassaler, Cat-Exr, Gas-Exr, etc.). Une recherche detaillee est necessaire avant le projetet la construction de l’obstacle.

Analyses geotechniques sur le site. Les analyses geotechniques doivent etre me-nees pour verifier la stabilite de l’obstacle et de sa fondation. En particu-lier, il est necessaire de concentrer l’attention sur le fait que les operateurspeuvent aller sur le site pour des operations de maintenance et de mesure, pasforcement pendant l’hiver, quand le sol est couvert de neige. Dans ce genre desituations, meme dans la phase de realisation de l’ouvrage, le personnel doitetre protege de chutes de pierres et de coulees de boue.

Pour pouvoir repondre a ces exigences, il est d’abord necessaire de caracteriserle site au moyen d’enquetes geotechniques et geomorphologiques. Ces dernieressont importantes pour localiser non seulement la presence de mouvements deversant, comme les eboulements et le chutes de pierres, mais egalement pourevaluer la presence de rock-glaciers, tres frequents a des altitudes elevees.Une enquete hydrogeologique sert a evaluer la presence d’eau dans le solet fournit les valeurs de permeabilite du sol, necessaires pour les verificationsgeotechniques de la fondation. Une enquete geologique technique est necessairepour la determination des principaux horizons lithologiques du versant sur les-quels la structure sera construite. Enfin, les classes de discontinuite de l’amasrocheux doivent etre opportunement determinees et caracterisees de manierea pouvoir evaluer la stabilite de l’amas. Cette enquete peut etre menee par desenquetes geophysiques (tomographie electrique, prospections geosismiques).

Une fois les tests sur place effectues, il est necessaire d’interpreter les donneesobtenues. On doit d’abord creer un profil stratigraphique du sol le long du par-cours de l’avalanche, en precisant en particulier la position de l’obstacle et safondation. Les parametres geotechniques doivent etre determines, a travers les

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resultats des tests sur place et la litterature, pour chaque horizon lithologique.La pente du versant doit etre analysee en portant une attention toute par-ticuliere aux instabilites qui peuvent etre presentes. Le modele geotechniquedu terrain (continu equivalent ou discontinu) et la methode d’evaluation de lastabilite doivent etre choisis. Nous suggerons la methode de l’equilibre limiteen tant qu’approche a l’analyse du mouvement de versant.

On peut facilement remarquer que, si un versant est caracterise par une mor-phologie favorable a la presence d’avalanches de neige, des phenomenes dechute et de roulement de pierres peuvent alors etre presents. Pour cette raison,les chutes de pierres doivent etre prises en compte aussi bien pendant les tra-vaux de construction, que pendant les travaux de maintenance. Les operateursscientifiques, ainsi que les constructeurs, travailleront dans une zone a risquepotentiel de chute de pierres ; il est donc necessaire de prendre des contre-mesures appropriees. Elles peuvent etre tout simplement representees par desdispositifs de protection individuelle ; dans d’autres cas, il peut etre necessaired’installer des barrieres pare-pierres temporaires. L’analyse des trajectoiresdes blocs doit etre realisee par des modeles ponctuels bidimensionnels ettridimensionnels. Les parametres mecaniques d’entree sont tires d’enquetesgeologiques et geomorphologiques sur des blocs instables. Vu que l’ana-lyse des trajectoires des blocs est necessairement probabiliste, ilfaut d’abord une analyse en retour pour pouvoir ensuite menerune bonne analyse. Les points de declenchement peuvent etre determinesaussi bien par l’observation d’evenements precedents que par la morpholo-gie de l’amas rocheux (pente des parois, presence de niches de declenchementprecedentes, etc.). Le volume caracteristique des blocs peut etre determine surla base de la structure de l’amas rocheux et des dimensions des blocs de rocheprecedemment tombes et encore sur place. L’attention doit etre concentreeaussi bien sur des chutes primaires et secondaires, que sur l’energie d’impact.Lorsque cela est possible, nous conseillons de proceder au declenchement deblocs potentiellement dangereux pour l’installation a placer dans le site.

Logistique. Le projet du site doit tenir compte d’importants aspects lies aux ope-rations et aux mesures qui devront ensuite etre effectuees au cours de l’hiver.Les aspects primaires lies a la logistique sont presentes par la suite.

– Acces au site : l’acces au site, tout particulierement pour pouvoir effectuerla maintenance ordinaire a la fin de chaque evenement et pour surveillerl’operation de declenchement artificiel, doit etre sur. A cause de cela, ilfaut preferer les situations ou la zone est dotee de voies de communica-tion (routes goudronnees ou chemins de terre) ou d’infrastructures spor-tives (remonte-pentes). A eviter tous les sites avec des difficultes d’accesevidentes a cause des couts eleves en phase de realisation (helicoptere...) etdurant les experiences (necessite de guides de haute montagne,...)

– Reseau electrique : toute l’instrumentation fonctionne electriquement. Il estdonc necessaire d’installer un reseau electrique reliant la structure instru-mentee a la cabine de distribution la plus proche. Dans le cas contraire, des

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batteries ou d’autres systemes d’alimentation seraient necessaires. L’auteurdu projet doit en outre se souvenir que les etudes sur les avalanches serontrealisees pendant l’hiver ; il faudra donc faire face a des temperatures ri-goureuses et a une presence d’eau considerable. Des degres adequats deprotection IP sont donc necessaires en ce qui concerne l’instrumentationinstallee et pour les cabines, ainsi que des systemes de protection de laligne et des sectionneurs pour l’installation electrique.

– Salle des commandes : toutes les donnees enregistrees par les capteurs sontsauvegardees dans la memoire d’un ordinateur. Pour cette raison, il estnecessaire de prevoir, en phase de planification, un endroit avec surveillanceclimatique pour y installer le PC et ses supports de memorisation. Deuxsolutions sont possibles : la premiere prevoit l’installation d’une cabineetanche a la base de l’obstacle, pres des capteurs des signaux de l’instru-mentation, la deuxieme necessite une veritable salle ou installer l’ordina-teur. Ce local ne doit pas forcement se trouver dans la zone d’etude : ilest possible qu’il existe une connexion rapide permettant de transmettreles donnees a un autre endroit a val. Des avantages et des inconvenientsexistent pour les deux solutions proposees : la necessite de deblayer la neigedeposee par l’avalanche a la base de l’obstacle pour pouvoir acceder auxcabines, l’impossibilite d’acceder a l’obstacle avant l’execution des tests(vu que le danger d’avalanches est trop eleve), la necessite d’un reseau afibres optiques ou sans fil vers le site, la possibilite de pouvoir elaborer lesdonnees juste apres le test, au lieu d’attendre le degel pour pouvoir repererles donnees, etc. Le choix de la meilleure solution depend du budget prevuet des necessites experimentales remarquees durant la phase preliminairedu projet.

– Securite : tous le operateurs qui accederont au site pendant les operationsexperimentales devront etre informes de la possibilite d’enterrement due ades avalanches spontanees (il ne faut pas oublier que la pente est enneigee).En effet, il est possible que , suite a un declenchement artificiel, le risqueresiduel ne soit pas si bas et que des avalanches spontanees se produisent(par exemple a cause de l’augmentation de la temperature). Pour cetteraison, tous les operateurs doivent, pour pouvoir acceder au versant, etreobligatoirement equipes de tous les dispositifs de protection individuellepour la progression sur la neige (ARTVA, pelle et sonde) et etre entranesa les utiliser. L’equipement de securite (cordes, mousquetons, casque, bau-drier,...) devra egalement etre fourni a tous ceux qui pensent travailler surl’obstacle, notamment pour les travaux en hauteur.

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Exemples

Site experimental du Seehore (Vallee d’Aoste, IT). D’abord, l’analyse nivologi-que a ete effectuee au moyen de tests de declenchement artificiel. Ils sont ser-vis a determiner correctement les parcours de l’avalanche les plus frequents.En outre, une analyse parametrique constituee de 72 situations possibles a etemenee en variant les dimensions de la zone et la profondeur de declenchementen fonction de la periode de retour. L’utilisation d’un logiciel specifique (AVAL-1D) a permis d’obtenir, pour chaque situation, les valeurs de la vitesse d’ecou-lement et des pressions d’impact. a partir de celles-ci, les valeurs des actionssur la structure ont ete estimees. En ce qui concerne les analyses geotechniques,suite a une campagne de relevements geologiques et geomorphologiques surle versant, des enquetes detaillees ont ete menees, en particulier dans la zoneou la construction de l’obstacle avait ete supposee. En outre, des relevementsgeostructurels ont ete realises sur l’amas rocheux pour en estimer la discon-tinuite ; ensuite des enquetes geophysiques (sismiques et electriques) ont etemenees pour evaluer le degre d’homogeneite de l’amas rocheux et l’epaisseurde la couche superficielle de terrain. Le volume des blocs declenches a etemesure dans le detail. Toutes les donnees ont ete collectees et traitees afin derealiser les analyses de stabilite necessaires et definir les parametres geotech-niques pour les tests de stabilite du versant et de la fondation de la structure.La question concernant la logistique a ete prise en compte : la presence d’in-frastructures sportives (remonte-pentes), avec la possibilite d’avoir une sallede controle (dans la station en amont de la telecabine Staffal-Gabiet), lapresence d’un reseau electrique et l’acces facilite des remonte-pentes, ont etedes facteurs essentiels dans le choix du site. La connexion a Internet pour lecontrole distant est assuree par un modem GPRS [1, 70]

Site-test du Col du Lautaret (Hautes-Alpes, FR). En France, Le Cemagref uti-lise depuis 1972 un site qui se trouve dans le departement des Hautes-Alpesentre le col du Lautaret et le col du Galibier. Initialement consacre a l’etudede la dynamique des avalanches [52] et a la mise au point de dispositifs dedeclenchement [19], le site est egalement utilise aujourd’hui pour evaluer lasollicitation des avalanches sur les ouvrages de genie civil [78, 80]. Le choix dece site s’est effectue a l’origine en raison de plusieurs facteurs : sa proximitede Grenoble (90 km), le deneigement permanent de la route departementale1091 (anciennement RN91) Grenoble-Briancon malgre l’altitude elevee duCol du Lautaret (2058 m), les fortes chutes de neige et les forts vents ob-serves sur ce site susceptibles de provoquer de fortes accumulations, et bienevidemment la presence de couloirs d’avalanches bien marques dans la facesud-est de la Montagne de Chaillol 1.1 (haut). Celle-ci est en effet sillonneepar sept couloirs rectilignes et prononc’es, sujets a de nombreux ecoulementsnaturels coupant la route du Galibier fermee en hiver. Les altitudes de departdes avalanches sont comprises entre 2300 et 2600 m et les zones d’arret setrouvent vers 2100 m. Les pentes sont voisines de 45◦ dans la zone de d’epart,de 30◦ dans la zone d’ecoulement et d’une vingtaine de deges dans les zones

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d’arret. Les avalanches mettent en jeu des volumes de neige compris entre 500et 2000 m3 pour des parcours allant de 300 a 800 m [56]. Deux couloirs dansla face Sud-Est (couloirs 1 et 2, figure 1.1 (haut)) sont utilises regulierementpour realiser des mesures (vitesse, pression d’impact) depuis plus de 10 ans.La face Nord-Est de la montagne de Chaillol presente egalement un couloirbeaucoup plus large (500 m de long, 100 m de large) dont la mise en exploi-tation est operationnelle depuis 2006. Les differents types d’avalanches vontde l’avalanche humide a l’avalanche poudreuse avec une composante dense.Elles resultent le plus souvent de neige recente deposee sous les cretes par levent. La hauteur de cassure varie de 0.20 a 1.50 m, la hauteur du depot de0.5 a 2 m, des vitesses de plus de 100 km/h peuvent etre atteintes a l’em-placement des structures de mesure implantees dans les couloirs. Les condi-tions meteorologiques et nivologiques sont renseignees a l’aide d’une stationmeteo permanente (temperature, humidite relative) et des profils (sondages)effectues dans le manteau neigeux. La figure 1.1 (milieu) donne l’evolutionde la temperature et de l’humidite relative enregistree par la station auto-matique lors de 2 journees qui ont precede un tir de declenchement (le 15fevrier 2007). On distingue nettement l’episode de precipitation (14 Fevrierapres-midi) marque par une forte augmentation de l’humidite relative de l’air.L’augmentation de la temperature est tres marquee lors de la matinee du jourchoisi pour proceder au tir pour lequel on doit toujours disposer de conditionsmeteorologiques favorables (bonne visibilite notamment). La figure 1.1 (bas)donne l’exemple d’une stratigraphie realisee a l’occasion du tir du 15 fevrier2007. L’epaisseur totale de neige au sol est de 1.25 m. Les 50 premiers cen-timetres sont constitues de particules reconnaissables (+) et de grains fins(•) dont la taille est d’environ 0.3 mm et dont la temperature est de -2◦C.La densite de cette couche a ete mesuree entre 80 et 160 kg.m−3. Sa dureteest comprise entre 1 et 2 (neige tres tendre a tendre, penetration du poingou des 4 doigts d’une main). C’est cette couche qui a ete destabilisee lors dutir. Elle correspond a la neige deposee lors de la precipitation intervenue dansl’apres midi et la nuit du 14 Fevrier. Elle repose sur une neige plus dense (230kg.m−3) et dure (durete 3 : penetration d’un doigt), composee de grains finsplus froids (entre -3◦C et -4◦C).

Le site de Taconnaz (Haute-Savoie, FR). Les avalanche de neige a Taconnaz sontdeclenchees naturellement. Cinq grandes aires de departs ont ete identifiees(voir details dans [58] et Fig.1.10 en section 1.4). L’acces aux aires de depart etles mesures sont rendues difficiles par la haute altitude, les conditions extremeset dangereuses avec la presence de glaciers et seracs. Les donnees de Meteo-France (hauteur d’ecoulement et conditions meteo) sont analysees en retourpour estimer les hauteur de depart des avalanches. L’instrumentation a etemise en place sur les nouveaux tas freineurs existant : les aspects geotechniquesont pris en consideration durant la construction des ces tas freineurs. On peutnoter la presence d’un torrent dans le systeme de protection qui a du etre prisen compte pour le dimensionnement des structures de protection avalanche.

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Figure 1.1: Situation des couloirs utilises lors des tirs de declenchement sur le sitedu col du Lautaret (haut). Evolution de la temperature et de l’hu-midite relative de l’air sur le site du Lautaret au cours des 2 joursprecedant le tir du 15 fevrier 2007 (centre). Stratigraphie du man-teau neigeux dans la zone de depart. La couche destabilisee par le tircorrespond aux 50 premiers cm de neige de surface (bas).

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Seules la forme, la taille et l’emplacement des structures ont ete dimensionneespar l’Irstea (Cemagref). Les aspects logistiques sont decrits dans la section1.4.

1.3.2 Instrumentation

Le choix de l’instrumentation a installer sur l’obstacle doit etre effectue en fonc-tion des mesures qu’on voudra realiser et en fonction du type d’avalanches quipourraient concerner potentiellement le site. Pour mesurer la pression d’impact demaniere directe, il est necessaire de disposer d’une surface instrumentee sur laquellel’avalanche puisse exercer la pression. Dans ce sens, il est possible de realiser unchassis solide ou installer des plaques instrumentees, ou bien preparer une consoletres rigide ou fixer des entretoises. La mesure des caracteristiques de l’ecoulement,comme la vitesse, exige la presence de formes tres sveltes permettant de limiterl’interaction avec l’ecoulement lui-meme, c’est-a-dire que la typologie de structureportante de l’obstacle doit etre adaptee aux mesures qui seront effectuees.

La conception structurelle de l’obstacle, y compris la fondation, doit tenir comptedes aspects suivants :

– Securite structurelle : la composante structurelle doit etre concue en fonctionde la forme necessaire pour l’analyse scientifique du phenomene. Des cartersmetalliques (toles courbes ou d’autres surfaces) peuvent etre installes sur lastructure pour lui donner la forme necessaire pour l’experience en cours. Toutesles forces agissant sur la structure doivent etre soigneusement evaluees.

– Securite geotechnique : toutes les forces agissant sur la structure sont trans-mises a la fondation. a cause de cela, le projet de la fondation doit tenir comptede tous les cas de charge et des combinaisons possibles de maniere a garantirla securite de l’obstacle et prevenir les possibles translations et/ou rotations.Il est possible d’installer un systeme a affaissement preetabli pouvant limiterles forces agissant sur la fondation et controler le collapse de la structure del’obstacle.

– Maintenance ordinaire et extraordinaire : la structure doit etre concue demaniere a supporter les forces d’impact. Toutefois, le sujet de la rechercheetant l’interaction entre l’ecoulement d’une avalanche et la structure, les ac-tions maximales exercees pourraient ne pas etre connues durant la phase deprojet. Pour cette raison, une avalanche plus grande que prevu pourrait heur-ter la structure. Pour obvier a cette situation, il est necessaire que celle-ci soitconcue de maniere que les effets d’une action si forte soient moindres ; parexemple, il est possible de declencher des parties de structure pour reduire lasurface d’impact. Les couts de maintenance dans le cas de ruptures localiseesdoivent etre limites.

Caracterisation de la dynamique de l’ecoulement

– La vitesse d’ecoulement de la neige est une mesure indispensable pour la ca-racterisation des avalanches. Pour ce faire, nous avons developpe un capteur

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specifique en s’inspirant du travail de Dent et al. [16] sur la correlation de deuxsignaux produits par des capteurs a retrodiffusion infrarouge alignes dans lesens de l’ecoulement. Le principe est d’emettre un signal infrarouge en directionde la neige en ecoulement a l’aide d’une photodiode emettrice et de mesurer lesignal retrodiffuse par la neige a l’aide d’un recepteur. Cette mesure est repeteea une distance fixee, d, a l’aval dans le sens de l’ecoulement. Si la neige n’estpas trop cisaillee par l’ecoulement, l’orientation des grains, leur arrangementspatial ne sont alors pas trop modifies et les 2 signaux sont alors tres ressem-blants, simplement decales dans le temps en raison de la vitesse de l’ecoulementet de la distance separant les deux mesures. La mise en correlation des signauxpermet d’obtenir la duree de decalage δt dont on tire la vitesse simplement parv = d/δt (figure 1.2, a gauche). Cette technique instrumentale a ete adapteepour etre utilisee dans un premier temps sur le site experimental du col duLac Blanc afin d’etudier les ecoulements permanent de neige dense [7, 67]. Envue de mettre en oeuvre le meme dispositif de mesure au Col du Lautaretpour travailler cette fois-ci sur un ecoulement transitoire, outre une insertionmecanique adaptee, nous avons etabli un nouveau protocole de determinationdes parametres metrologiques (frequence d’acquisition, fenetre de correlation,etc.).

– Sur le tripode installe au couloir n◦2 du Lautaret, une serie de 10 capteursont ete installes tous les 20 centimetres pour acceder au profil vertical de vi-tesse au sein de l’ecoulement (figure 1.2, au centre). Associee a ces mesuresde vitesse, la mesure de pression a ete developpee sur la base de capteurs ducommerce. Il s’agit de capteurs de force a jauge de contrainte (mesure typepont complet avec alimentation base tension). Ils ont ete equipes d’une pla-tine de reprise de chargement et d’une jupe d’insertion pour s’integrer a laface amont du tripode et proteger le cablage (figure 1.2, a droite). La surfaceconnue de la platine permet de convertir la force mesuree par le capteur enpression generee par l’ecoulement. Une etude dynamique permet de recalculerla bande passante du capteur a partir de la masse de l’equipage mobile (platine,visserie et partie active de mesure sur le capteur). Le principe est de calculer lapremiere frequence de resonnance, fr, de cet assemblage et de limiter la bandepassante a la fenetre [0− 0.01fr] afin de s’assurer de la linearite de la reponseen frequence et de conserver la sensibilite indiquee par le fabricant. Le profilvertical de pression mesure a l’occasion du tir du 9 Fevrier 2009 est egalementreporte.

– Les avalanches declenchees artificiellement permettent de fournir des mesuresutiles a la validation des modeles d’ecoulement d’avalanche, comme, par ex-emple, la distance d’arret. Au Lautaret, nous avons entrepris de mesurer laposition et la vitesse du front de l’avalanche pendant l’ecoulement pour four-nir un jeu de donnees de type dynamique pour la calibration des modeles. Leprincipe est d’obtenir des Modeles Numeriques de Terrain (MNT) pendant ledeclenchement par un outil de teledetection. La grande distance (environ 1km) et la vitesse d’acquisition (1 a 4 images par seconde) ne nous ont paspermis d’utiliser le laser-scan. Nous avons fait le choix de prises de vue photo-

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Figure 1.2: Dispositif de mesure de vitesse de l’ecoulement par correlation de si-gnaux infrarouge retrodiffuses par la neige (gauche). Dispositif de me-sure des profils verticaux de pression et de vitesse installes sur le tri-pode au couloir n◦2 du site du Lautaret (centre). Profils verticaux depression mesures a l’occasion du tir du 9 Fevrier 2009 (droite).

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grammetriques a partir de botiers de type reflex numeriques (Nikon c©D2Xs)equipes d’objectifs a focale fixe et faible distorsion (85 mm, f/1.4) operant endeclenchement automatique (1 une image par seconde). L’obturation est fixeeau diaphragme de f/8 et la sensibilite a 100 ISO. Le format d’image est nondematrice (raw) sur une dynamique numerique de 12 bits en couleur RVB. Laresolution est de 4288×2848 pixels (12.2 Million pixels). Les images en formatraw de 20 Mo sont enregistrees sur une carte flash en environ 8 secondes parimage. Pour une vitesse de prise de vue de 1 image/seconde, la sequence d’ac-quisition se limite a 30 vues en raison de la taille de la memoire vive du botier(buffer) entre le capteur CMOS et la carte memoire flash. Les 2 cameras sontinstallees juste avant le declenchement a environ 800 m de distance des 2 cou-loirs du Lautaret. La taille moyenne des pixels au sol dans la zone d’ecoulementest d’environ 5 cm, ce qui en considerant la base stereoscopique (distance entreles 2 cameras) de 230 m, conduit a une erreur de positionnement de 20 cmd’apres les erreurs theoriques photogrammetriques [47]. Ces dispositifs n’etantpas des systemes photogrammetriques (concus pour realiser des mesures), unecalibration a ete entreprise. La distance focale a ainsi ete estimee a 85, 51 mm,juste 0, 6% de plus que la valeur fournie par le fabricant, mais cette correctionest indispensable pour une juste mise a l’echelle des cliches. La position du pointprincipal et la distorsion radiale obtenues par calibration indiquent une treslegere distorsion en coussinet en bord d’image de −9 microns, c’est a dire 1, 6pixels a peine. Le decentrement de l’axe optique n’est par contre pas negligeableavec 55 microns, soit environ 10 pixels. L’orientation des images s’appuie sur7 points de controle au sol mesures par GPS differentiel a quelques cm (figure1.3, haut). Le modele de camera obtenu par calibration permet d’orienter lescouples d’image avec un residu de l’ordre de 8 cm, ce qui se traduit par unresidu de 8 microns dans le systeme de coordonnees image, soit 2 pixels, ce quiest tres satisfaisant pour ce systeme photographique non metrique. La restitu-tion est effectuee manuellement en vision anaglyphe sous ArcGis c©9.3 et sonmodule d’extension Stereo Analyst developpe par ERDAS c©. Pour validation,un modele numerique de terrain a ete restitue sur une zone de terrain ou unleve par laser-scan etait disponible. Cette comparaison n’a revele aucune erreursystematique et un ecart quadratique moyen de ±11 cm entre les 2 MNT. Avecce dispositif, les positions successives du front d’une avalanche declenchee le2 mars 2010 ont pu etre cartographiees a partir d’une sequence de 30 couplesd’images. Les 2 cameras ont ete synchronisees par liaison radio a ±10 ms. Lafigure 1.3 (bas) indique les positions successives de l’avalanche reportees sur leMNT du site. L’erreur de positionnement peut etre quantifiee a 20 cm.

L’obstacle instrumente

Dimensionnement La structure doit etre concue et projetee pour pouvoir soute-nir l’impact de l’avalanche. Le projet doit d’abord tenir compte des actions sur lastructure et de ses resistances. L’auteur du projet doit prendre en consideration,autant que possible, les indications contenues dans les Eurocodes et dans les ap-

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Figure 1.3: Couple d’images pris avant le declenchement de l’avalanche du 2 mars2010. Les cercles en rouge indiquent les points d’orientation au sol(en haut). Positions successives du front de l’avalanche declenchee le2 mars 2010 obtenues avec le systeme photogrammetrique (en bas).

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pendices nationales correspondantes, ainsi que dans les normes nationales. En cequi concerne un obstacle en forme de portail installe sur une pente, les typologiesd’actions suivantes sont a prendre en consideration :

– charge statique de la neige : l’Eurocode 1 fournit les expressions pour le calculde cette action. Dans le cas ou ces indications ne soient pas suivies, il estnecessaire d’obtenir cette valeur d’une analyse statistique des observations etdes mesures effectuees sur place ;

– charge due au fluage de la neige : l’evaluation est possible grace aux LignesDirectrices suisses sur les structures de protection des avalanches dans la zonede declenchement. Ce document contient les expressions pour la quantificationde cette action ;

– pression d’impact de l’avalanche : comme precedemment indique, la pressiond’impact doit etre definie en fonction (i) des resultats des simulations effectuees,(ii) des donnees de la litterature et (iii) de l’experience de l’auteur du projet ;

– pression du vent : calculee selon l’Eurocode 1, les appendices nationales et lareglementation en vigueur ;

– action sismique : calculee selon l’Eurocode 6, les appendices nationales et lareglementation en vigueur ;

– actions geotechniques : sont definies sur la base des caracteristiques mecaniquesdu terrain et de la topographie du site, en utilisant les relations geotechniquesdisponibles en litterature.

Le choix du materiel avec lequel realiser la structure et sa fondation dependessentiellement du degre de resistance exige par la construction. Il vaut certainementmieux utiliser des produits certifies (donc commerciaux) au lieu d’elements/mate-riaux sur mesure pour lesquels aucune ligne directrice de projet n’est disponible etpour lesquels plus d’experience est necessaire.

En ce qui concerne la resistance de l’obstacle, il est d’abord important d’evaluerla presence d’une force horizontale de type impulsif. La verification de resistancedoit etre realisee aussi bien du cote de la capacite portante du sol, qu’en referenceaux possibles mecanismes de rupture (glissement, rotation). La structure doit etreverifiee pour chaque composante. Une attention toute particuliere doit etre accordeeaux connexions et aux composantes de resistance plus faible, dans une optique dehierarchie des resistances. Toutes les verifications doivent etre realisees aux etatsLimites Ultimes et aux etats Limites de Service en fonction des normes en vigueuret conformement aux Eurocodes.

Une attention toute particuliere doit egalement etre accordee aux phases derealisation de l’obstacle. Il est necessaire de garantir des tolerances adequates et deprevoir des procedures de montage pouvant etre effectuees a l’aide d’un helicoptere(avec une charge au crochet limitee).

Statique et dynamique de l’obstacle Pour pouvoir analyser les effets des ava-lanches de neige sur l’obstacle, il est necessaire de developper un modele numeriquede la structure pouvant simuler l’impact de l’avalanche (pour pouvoir realiser lesback-analysis des experiences). Le choix du logiciel a utiliser et la qualite du modele

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Figure 1.4: Tests realises au MASTRLAB de l’ecole Polytechnique de Turin dansla phase de determination structurelle de l’obstacle du site du See-hore. a gauche, les tests dynamiques pour l’evaluation de la reponseen frequence. a droite, vue du mecanisme de rupture controle. a noterles plaques des deux parties formant l’obstacle espacees de 110 mm.

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dependent du degre de precision exige. Independamment de cela, il est opportun derealiser une operation de determination structurelle avant le montage de la struc-ture sur le versant. a cet effet, on peut effectuer des tests statiques et dynamiquessur la structure avec des conditions de contour connues et bien definies. Les memessimulations peuvent etre realisees, parallelement, sur le modele numerique et lesresultats des tests reels et des simulations peuvent etre compares ; cela permet-tra d’etalonner le modele numerique qui servira ensuite pour l’interpretation desexperiences. Les principaux parametres a analyser sont donc les suivants :

– modes et frequences de vibration : mesures a l’aide de l’installation d’accele-rometres dans des positions preetablies de la structure et en imprimant unesollicitation impulsive par un marteau instrumente ;

– coefficient d’amortissement dynamique : meme procedure ;– resistance des composantes les plus faibles : ces tests sont realises au moyen

d’essais de charge sur les composantes. En utilisant un actionneur oleo-dynami-que, on imprime une force apte a simuler l’effet de l’avalanche et, parallelement,on mesure les deplacements de points preetablis consideres comme significatifs.

Concernant les tests dynamiques, il est necessaire de monitorer la structure sansexcitation avant de conduire les tests prevus afin d’evaluer le bruit de base ambiant(typiquement 20 minutes). Concernant les tests statiques, ils devraients etre repetespour prendre en compte la variabilite de la resistance du materiau.

Instruments de mesure Le choix des appareils de mesure doit etre conforme auxobjectifs scientifiques et au financement disponible. Le systeme d’acquisition doitetre concu selon des modules, sur la base des instruments de mesure choisis. Tousles instruments doivent etre en mesure de fonctionner a de basses temperatures etavoir une protection des intemperies adequate. Vu que toute l’instrumentation n’estpas accessible avant le declenchement de l’avalanche, elle doit pouvoir etre allumeeet activee a distance.

Le dispositif d’acquisition doit etre le plus proche possible du pied de l’obstaclede maniere que les mesures des signaux ne soient pas atteintes de la resistancedes cables. Il est conseille d’utiliser une instrumentation de haute qualite, c’est-a-dire avec microprocesseur interne programmable et dispositifs input/output confi-gurables. Le systeme d’acquisition doit etre en mesure de memoriser les donneesprovenant de l’instrumentation durant l’evenement, ainsi que d’envoyer toutes lesquantites memorisees via reseau Ethernet ou sans fil a l’ordinateur installe dans lasalle de controle. Normalement, c’est le module d’acquisition lui-meme qui alimentetoute l’instrumentation.

Les capteurs sont relies au module d’acquisition. La typologie de capteur, sonintervalle de mesure et sa precision dependent des exigences experimentales. Voiciquelques considerations sur le choix de l’instrumentation :

– Transducteurs de force : le capteur doit mesurer les forces de traction et decompression, dans des conditions statiques et dynamiques. Si une mesure deforce axiale est exigee, le capteur doit immediatement etre compense pour l’ac-tion flechissante. Normalement, les capteurs sont thermiquement compenses.

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Figure 1.5: Donnees de pression du declenchement artificiel du 5 mars 2011 ausite experimental du Seehore. Les mesures de chaque cellule de chargesont additionnees et leur moyenne est calculee dans le temps.

– Capteurs d’acceleration : le capteur doit posseder une forte sensibilite et lerapport signal/bruit et la bande passante doivent etre suffisamment grandsetant donne les dimensions de la structure a surveiller.

– Capteurs de pression atmospherique : l’etancheite des soudures entre l’interieuret l’exterieur du capteur est importante.

– Capteur de temperature : attention a la sensibilite de l’instrumentation.– Capteurs de vitesse : il est opportun de remarquer que ces capteurs ne sont

pas actuellement en vente, mais qu’ils ont ete developpes au Cemagref. Leurposition, la protection contre l’impact de l’avalanche, etc., dependent de latypologie de parcours de l’avalanche. Voir le paragraphe caracterisation de ladynamique de l’ecoulement de ce chapitre concernant la caracterisation dyna-mique de l’ecoulement (a propos du site experimental du Col du Lautaret) etla section 1.4 pour le site de Taconnaz.

Le systeme de connexions electriques entre les capteurs et le dispositif d’acqui-sition doit tenir compte de toutes les situations possibles de la structure durantsa vie utile. Dans ce sens, s’il a ete prevu que l’obstacle peut se declencher de lafondation, il est necessaire que les connexions electriques puissent automatiquementse declencher.

Toute l’installation electrique doit etre mise a la terre et protegee de la foudre.

Exemples

Site-test du Seehore (Vallee d’Aoste, IT). La structure de l’obstacle est compo-

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see d’un plinthe de fondation (3 x 3 m, epaisseur 0, 60 m) qui representela plate-forme sur laquelle toutes les composantes sont installees. L’obstacle,de 4.20 m de haut, est constitue de deux poutres HEB zinguees, divise endeux parties, chacune desquelles forme un chassis de 0, 90 m de large : lapartie inferieure, de 1, 20 m de haut, est reliee a la fondation par une liaisonboulonnee, la partie superieure, de 2, 80 m de haut, est celle ou toute l’ins-trumentation est installee. Les deux parties sont reliees par une discontinuitestructurelle : un systeme dote d’une charge de collapse preetablie et reglabledans certaines limites de maniere que les deux parties se declenchent lorsquela force exercee par l’avalanche depasse une valeur predeterminee, c’est-a-direla valeur limite pour la structure de fondation. Tous les appareils electriqueset les systemes d’acquisition du signal se trouvent dans une cabine etanche,placee a la base de l’obstacle a l’abri d’un appentis.

L’obstacle soutient jusqu’a cinq plaques instrumentees qui mesurent les forcesd’impact. Les plaques peuvent etre placees a des hauteurs differentes et re-groupees de maniere a former une surface maximale d’impact de 1 m2. Enparticulier, les forces sont mesurees par 10 transducteurs, les accelerationspar 4 accelerometres, les temperatures par 4 thermocouples et la pression at-mospherique par un capteur de pression. Afin d’analyser la reponse de l’obs-tacle sous l’action de l’avalanche et remonter a la valeur des actions, un modelenumerique de la structure a ete developpe.

L’analyse a ete realisee au moyen d’un modele numerique a elements finispouvant evaluer la reponse de la structure sous plusieurs actions statiqueset dynamiques. Celle-ci a tenu compte de la non-linearite du materiel. Ensuivant cette approche, l’obstacle instrumente a ete considere comme un corpstridimensionnel encastre a la base, essentiellement le meme schema statiquequi existe dans la realite.

Pour confirmer les resultats des modeles mathematiques sur le comportementde l’obstacle et pour verifier le fonctionnement du systeme d’acquisition desdonnees, avant l’installation sur le versant, la structure a ete soumise a uneserie d’experiences au laboratoire Materiaux et Structures (MASTRLAB) duDepartement d’Ingenierie Structurelle, Civile et Geotechnique de l’ecole Po-lytechnique de Turin (fig. 1.5).

Le but des tests statiques etait de comparer le comportement theorique de lastructure avec le comportement reel. La reponse de la discontinuite structu-relle a ete verifiee en appliquant une charge quasi statique a l’aide d’un ac-tionneur oleo-dynamique au cours des tests de controle de deplacement. Lescourbes force-deplacement mesurees ont fourni les informations necessairesa calibrer le modele FEM de la structure. En ce qui concerne les essais dy-namiques sur la structure, deux types de tests ont ete realises pour pouvoirobtenir les modes de vibration (a travers l’excitation de la structure et lamesure de la reponse) et pour evaluer la reponse du systeme a des chargesvariables rapidement (c’est-a-dire pour simuler l’impact d’une avalanche).

Site-test du Col du Lautaret (Haute Savoie, FR). L’ouvrage capteur installe au

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Figure 1.6: A gauche, vue des cellules de charge installees sur le pylone du siteexperimental du Seehore. Une plaque en aluminium est installee surchaque paire de capteurs. a droite, une vue hivernale de l’obstacle estpresentee. Pour pouvoir evaluer la hauteur d’ecoulement, la structurea ete marquee tous les 25 cm.

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Lautaret permet, comme celui de Seehore, de mesurer la force d’impact nor-male (frontale) d’une avalanche. L’ouvrage reprenant la poussee de l’avalancheest une plaque de 1 m2 montee sur une poutre de 3.5 m de hauteur encastreedans le sol (figure 1.7, gauche). Elle est disposee dans le couloir d’avalanchen◦1 a environ 150 m sous la zone de depart des avalanches, a l’endroit ou lesecoulements atteignent leur vitesse maximale. Cette structure represente unobstacle relativement grand par rapport aux dimensions de l’ecoulement (1 mde hauteur environ) et sa surface de 1 m2 integre egalement les heterogeneitesde la neige (agregats, fragments de corniches ou de plaques de neige). La po-sition de plaque peut etre adaptee a la hauteur de neige dans le couloir avantle declenchement. L’effort normal susceptible d’etre repris par le capteur a etecalcule a partir d’une hypothese d’avalanche type pour le couloir n◦1 du sitedu Lautaret, soit une densite, ρ, de 250 kg.m−3, une vitesse, v, de 20 m.s−1

[56]. Avec ces elements, il est possible d’estimer l’effort normal, P , a partirde la pression cinetique et un coefficient de trainee, C, voisin de 2 [68] :

P =1

2Cρv2, (1.1)

ce qui donne une pression type de 100 kPa. Pour un acier standard de typeconstruction (S235 JRG2) de limite d’elasticite 235 N.mm−2, et de moduled’Young E = 210 GPa, l’utilisation d’un profil HEB de section ` = 0.24 m(HEB-240), et de moment d’inertie I = 1.2910−4 m4, cette pression exerceesur la plaque de 1 m2 positionnee a une hauteur Lp = 2.5 m de l’encastrementinduit une deformation maximum, ε, donnee par [81] :

ε =LP `

2EI, (1.2)

soit ε = 1.0510−3 m/m juste inferieure a la deformation plastique (1.1210−3

m/m). Comme l’indique l’equation precedente, une pression superieure peutetre envisagee avec une hauteur de la plaque Lp inferieure puisque c’est leproduit PLp qui controle la deformation. Cependant, la hauteur de la plaqueest conditionnee experimentalement par l’enneigement present autour de lastructure avant le declenchement de l’avalanche et n’est pas un parametrechoisi a priori. Afin d’eviter tout endommagement plastique dans le cas d’unesollicitation exceptionnelle, il est prevu que la poutre vienne s’appuyer sur lastructure arriere en beton arme (figure 1.7, a gauche). La garde est donneepar le deplacement maximum tolere au bout libre de la poutre, δ [81] :

δ =1

3PL3p

EI, (1.3)

soit 1.9 cm a la limite elastique et la plaque positionnee a 2.5 m de haut.Cette eventuelle reprise d’appui se fait par l’intermediaire d’un capteur deforce (Honeywell-Sensotecr type 43) de charge maximale 200 kN afin depouvoir assurer une mesure du maximum de pression.

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Figure 1.7: Dispositif de mesure de la pression normale integree sur 1m 2. Laplaque peut coulisser sur la poutre support pour s’adapter a la hauteurde neige. Afin d’eviter tout endommagement plastique en cas de fortesollicitation, la poutre peut s’appuyer sur la structure arriere en beton(gauche). Fonction de transfert en frequence dans la configuration dutir realise le 26 mars 2008 (centre). La frequence propre de 15 Hzcorrespond au 1er mode de flexion axiale de la poutre. Sur la plusgrande partie de la bande passante, la reponse en frequence s’ecartenotablement du comportement statique (plus de 3 dB) (a droite).

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Dans le domaine elastique de flexion de la poutre, le principe metrologiqueconsiste a mesurer les deformations (par jauges de contrainte) et les acce-lerations de la structure, et a remonter aux sollicitations par une analyseinverse de ces 2 types de signaux [64]. Les deformations sont mesurees al’aide de jauges de deformation de precision (de type CEA-06-125UN de Vi-shay rMicro-Measurements r) placees dans la zone de flexion maximum(figure 1.7, a gauche). Un accelerometre (± 500 m.s−2 de type 736 WilcoxonResearch r) est egalement place sur la poutre pour mesurer les vibrationshautes frequences (jusqu’a 1000 Hz) dans la direction de l’impact de l’ava-lanche. Les donnees de deformation sont utilisees pour reconstruire la pressiongeneree par l’avalanche sur l’ouvrage par une methode d’analyse inverse. Lesdonnees de vibrations sont utilisees en validation dans le cadre d’une etudemodale de la structure.

La methode de traitement des donnees de deformation utilisee pour remon-ter a la pression est basee sur l’analyse inverse. On peut brievement indiquerqu’un modele direct permet de calculer les deformations (les effets) a partird’une pression sur l’ouvrage (la cause). Une methode d’analyse inverse permetde remonter a la pression a partir des effets mesures sur l’ouvrage en inversantle modele. La fonction de transfert (modele direct) qui relie les deformationsmesurees localement a la pression appliquee sur la plaque, peut resulter d’unmodele analytique de poutre de type Euler-Bernoulli. La fonction de transfertpeut egalement etre mesuree par un essai de choc a l’aide d’un marteau dy-namometrique au court duquel on mesure simultanement force appliquee etreponse de la structure. Un modele element fini permet egalement de valider lareponse spectrale theorique de l’ouvrage en la confrontant aux mesures vibra-toires realisees in-situ. Enfin, une etape de regularisation permet de stabiliserle signal dans l’etape d’inversion.

Nous avons generalement utilise le modele d’Euler-Bernoulli pour simuler lapoutre de la structure. La position de la plaque sur la poutre etant variabled’un declenchement d’avalanche a l’autre selon les conditions d’enneigement,le modele est donc calcule cas par cas. La regularisation utilisee lors de l’ana-lyse inverse est un filtrage passe-bas dont la frequence de coupure, voisine de20 Hz, est obtenue par le principe de Morosov [33]. La fonction de transferten frequence ainsi obtenue est presentee a la figure 1.7 (a droite) dans le casou le centre de la plaque est situe a 2.08 m de l’encastrement (conditions dutir realise le 26 mars 2008). On distingue la frequence propre de resonancede la structure (15 Hz) correspondant au premier mode de flexion axiale dela poutre supportant la plaque (dans le sens de l’avalanche). La fonction detransfert a frequence nulle, correspondant a une charge statique appliqueesur la structure est notee h(0). La dependance en frequence de la fonction detransfert H(ω) montre bien que, sur la bande passant utilisee (0 − 20 Hz),on ne peut pas la considerer comme independant de la frequence et l’assi-miler a une constante. L’ecart entre la reponse en frequence et la reponse afrequence nulle depasse en effet 3 dB sur la plus grande partie de la bande

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passante (pourtant reduite par le filtre de regularisation impose par l’analyseinverse). Le traitement dynamique des donnees de deformation necessite doncle recourt a l’analyse inverse, et il n’est pas possible d’utiliser la formulationstatique pour calculer la pression a partir des deformations mesurees. Pourillustrer les pressions mesurees par ce dispositif, nous reportons les resultatsdu tir du 15 Fevrier 2007. L’avalanche est declenchee au sommet du couloirpar une charge glissee (tir electrique). La couche de surface d’environ 50 cmd’epaisseur est destabilisee et forme un ecoulement dense accompagne d’unaerosol de neige bien canalise dans l’axe du couloir. Lorsqu’elle arrive sur lastructure, elle la recouvre sur a peu pres toute sa hauteur (1 m). La vitesse del’ecoulement deduite du systeme de prise de vue video est a l’emplacement dela structure de l’ordre de 17 m.s−1 lors de l’impact puis diminue rapidementpour atteindre environ 5− 6 m.s−1 dans les 6 secondes qui suivent. La figure1.8 (a gauche) montre l’avalanche quelques secondes apres l’impact sur l’ou-vrage. Les mesures de pression realisees lors du tir du sont indiquees a la figure1.8 (a droite) et illustrent comment evolue la pression sur la structure en fonc-tion du temps. L’avalanche impacte la plaque a t=18 s. La pression augmenterapidement et atteint 35 kPa (3.5 tonnes par m2). Au dela de t = 21 s la pres-sion diminue en relation avec la diminution de la vitesse de l’ecoulement quiconserve malgre tout une hauteur constante de 1 m sur la structure. Au-delade t = 28 s, l’ecoulement de neige se termine progressivement, et, la vitesseet la hauteur de neige diminuent pour s’annuler a t = 33 s.

Le site de Taconnaz (Haute-Savoie, FR). Des voiles en beton renforce ont eteconstruits sur la face amont des tas freineurs a Taconnaz pour supporterl’instrumentation (capteurs de pression et vitesse), comme cela est decrit ensection 1.4.4.

1.3.3 Definition des zones d’erosion et de depot

Les releves par laser-scan permettent d’obtenir une mesure de l’epaisseur du man-teau neigeux sur le versant avant et apres le passage de l’avalanche. En prenant enconsideration les differences d’epaisseur de la couche de neige dans les deux situa-tions precedentes, il est possible d’evaluer les differences geometriques du versantsuite a l’avalanche. En outre, a partir d’une analyse correcte des donnees mesurees,il est possible de parvenir a une estimation des zones d’erosion et de depot et, enfin,realiser un bilan de masse sur la quantite de masse de neige effectivement mouve-mentee durant l’evenement. Avant toute operation sur le sol enneige, il est opportund’effectuer des relevements du versant sans neige pour pouvoir ensuite comparer lesdonnees. La repetitivite des mesures et la possibilite de les comparer est un aspectfondamental dans toutes les operations topographiques. Il est donc necessaire dematerialiser des points de repere sur le terrain pour l’encadrement. Par exemple,au site experimental du Seehore, trois petits piliers en beton, sur lesquels ont eteinstallees des bases fixes pour l’instrumentation, ont ete realises. La presence debases fixes (avec fondation) permet de reduire les oscillations instrumentales auminimum durant les operations de relevement.

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Figure 1.8: Avalanche declenchee le 15 Fevrier 2007 au couloir n◦1. Le cliche estpris alors que l’ecoulement vient d’atteindre la structure de mesure ettraverse la route du Galibier. On distingue a gauche l’abri hebergeantles operateurs et le systeme d’acquisition (gauche). Pression d’impactde l’avalanche du 15 fevrier 2007 reconstruite par analyse inverse dessignaux des 2 jauges de deformation (droite).

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La definition du releve par laser-scan depend des exigences de la recherche scien-tifique. Nous rappelons qu’il est possible d’accoupler des prises de vues numeriquesavec les mesures par laser-scanneur pour pouvoir creer un modele tridimensionneldu site avec les textures du sol [1].

1.3.4 Operations sur site

Une question importante relative aux operations sur site est celle de la securitedes personnes en charges du declenchement de l’avalanche et des personnes quipourraient se trouver dans une zone proche du couloir d’avalanche. Les principalescontre-mesures en lien avec la securite sont donnees ci-dessous, pour chaque site(Lautaret, Seehore, Taconnaz).

Site experimental du Seehore (Vallee d’Aoste, IT) Le site du Seehore fait partiede la station de ski Monterosa Ski et est traverse par la piste de ski de descenteappelee “Collegamento Gabiet”. a cause de cela, il est necessaire, apres unechute de neige suffisamment intense, de reduire le risque d’avalanche le long duversant pour garantir un niveau de securite adequat pour les gens frequentantla piste de ski. Pour cette raison, le nombre de tests effectues au cours d’unesaison d’hiver peut etre significatif. Par contre, la taille de l’avalanche artifi-ciellement declenchee est normalement reduite (etant donne que de grandesaccumulations ne sont pas possibles dans la zone de declenchement).

Vu que les operations de declenchement concernent une zone frequentee parles skieurs, il est necessaire d’effectuer toutes les operations d’assainissementavant l’ouverture des remonte-pentes. Le declenchement est realise par Daisy-bellr, un dispositif transporte par helicoptere produisant l’explosion d’unmelange d’hydrogene et d’oxygene. Le cone du Daisybellr est place pres dumanteau neigeux et la surpression engendree provoque le declenchement del’avalanche. Cependant dans certains cas l’emploi de l’explosif traditionnelest necessaire. Dans cette situation, on prefere descendre de l’ helicoptere laCarica Vassaler, c’est-a-dire un systeme de securite pour l’emploi de l’explosifdans le cadre des avalanches de neige (dote d’un cordeau etalonne permettantl’eloignement de l’ helicoptere).

Un protocole d’acces au site a ete developpe. En particulier, etant donne quebeaucoup de gens sont presents durant les experiences, une bonne coordina-tion est necessaire dans leur planification. Trois differents niveaux d’alerte sontetablis : dans le premier, le responsable de la securite de la station de ski etun responsable scientifique discutent la probabilite d’effectuer une experience(consultation de donnees meteorologiques, cartes et previsions). Apres cela, uncourriel est envoye a tous les membres du comite scientifique pour verifier lapresence du personnel a l’evenement. Deux jours avant la date de l’evenement,une pre-alerte est donnee aux personnes disponibles avec possibilite de confir-mer la date. La veille de l’evenement, les informations logistiques pour l’accesau site sont fournies. Une fois que le personnel est sur place, une communi-cation constante a lieu via radio avec le responsable du declenchement pour

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confirmer l’activation et l’etalonnage (initial) de l’instrumentation.

Suite au declenchement, l’acces au versant est effectue en prenant des mesuresde securite appropriees : chacun doit etre equipe d’un appareil ARTVA (etavoir la pelle et la sonde). Les personnes ne peuvent pas se deplacer indi-viduellement et doivent communiquer leur position et leurs deplacements lelong du versant au responsable. Ce dernier doit etre informe de la situationdu versant en cas d’avalanche spontanee inattendue.

Dans une experience-type, le personnel se donne rendez-vous a Staffal a 7h30et a 8h15 il est a proximite du site (au lieu sur). Le declenchement a habituel-lement lieu a 8h45 et les operations de relevement sur le versant se terminenta midi environ [1].

Site experimental du Lautaret (Hautes-Alpes, FR). Le site d’etude experimentaldes avalanches du Lautaret est utilise par le Cemagref depuis 1972 [52]. Ondispose donc d’une bonne trentaine d’annees de pratique des operations detir [79]. Une premiere periode de declenchement au Lautaret a ete assureepar declencheur de type Catex (cable transporteur d’explosif, le premier ins-talle en France ; figure 1.9, haut). Il s’agit d’un dispositif de mise a feu parcable porteur, materiel semblable a un teleski simplifie. Le perimetre du Ca-tex constitue un trace de cable, supporte par des pylones equipes de poulies.Le Catex survole la zone de depart de l’avalanche. Le cable mis en rotationpar une station motrice qui permet d’acheminer a vue ou automatiquementune charge explosive au-dessus de la surface de neige a destabiliser. L’explosiftransporte est declenche depuis la gare de depart et provoque une onde de chocqui destabilise la neige et provoque l’avalanche. Les declenchements ont en-suite ete effectues manuellement au moyen de charge explosive lancee/glisseemise a feu par meche lente ou plus generalement au moyen de detonateurselectriques (tirs electriques, figure 1.9, centre). Ce type de declenchement estencore utilise actuellement. En 1997, un Gazex r(exploseur commercial dela societe TAS) a ete installe et teste avec succes au couloir n◦2. Il s’agit d’undispositif de declenchement a distance (liaison radio) commande depuis unordinateur portable (figure 1.9, centre). L’explosion par detonation (regimesupersonique) d’un melange gazeux oxygene industriel/propane a l’interieurd’un exploseur specifiquement etudie (bouche a feu) et positionne dans lazone de depart de l’avalanche provoque le declenchement. Les exploseurs sontrelies a la centrale a gaz dans laquelle sont stockees les reserves d’oxygeneet de propane. L’energie de l’explosion produit une poussee directe sur laneige sous la bouche de l’exploseur par une onde de pression provoquant unesurpression puis une depression. L’efficacite du tir porte jusqu’a environ 80metres de l’exploseur. Le couloir n◦1 a ete equipe en 2001 d’un prototype dedeclencheur Avalhex rdans la phase pre-commerciale de ce produit. Il s’agitd’un exploseur hydrogene-oxygene atmospherique, commande a distance parliaison radio, objet d’un brevet Cemagref-CEA [6]. Le melange de gaz souspression gonfle un ballon en latex de 2 m de diametre en haut d’un mat de4 m de hauteur. Le melange explose en detonation et genere une onde de

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pression spherique qui arrive au sol dans un rayon efficace de 30 − 40 m.Ce dispositif a ete valide jusqu’en 2004 sur le couloir n◦1 du site du Lauta-ret avant sa commercialisation par la societe ITS. Le couloir n◦1 est main-tenant declenche manuellement par charge explosive (figure 1.9, haut). Lecouloir Nord-Est a ete equipe durant l’hiver 2005 d’un declencheur autonomeAvalhexr(version commerciale du produit) permettant de declencher sur ceversant des avalanches de plus grande ampleur. En complement des disposi-tifs techniques du declenchement d’avalanche sur le site d’etude, l’ensembledu travail experimental sur ce site s’effectue dans les cadres juridiques etreglementaires habituels des declenchements d’avalanche (entre autre circu-laire interministerielle n◦ 80−268 du 24 juillet 1980) qui exigent un arrete mu-nicipal comportant un Plan d’Intervention et de Declenchement d’Avalanches(PIDA). De plus, pour assurer la securite des usagers circulant sur la RD 1091(route Grenoble-Briancon) face aux risques lies aux avalanches declenchees(zone de depot de l’avalanche pouvant couper la route, aerosol de neige li-mitant soudainement la visibilite), il y a lieu d’interdire temporairement lacirculation des vehicules et des pietons. Le conseil General des Hautes-Alpesa donc etablit, a la demande du Cemagref, un arrete permanant permettantde couper la circulation lors des tirs des couloirs 1 et 2. Independammentdes usagers de la route, le site est aussi frequente par des randonneurs, desskieurs et des kite-surfers. Il faut donc en plus assurer l’evacuation des zonesou la presence de toute personne est interdite par le PIDA. La direction dudeclenchement est assuree par un chef d’operation responsable de la confor-mite des procedures et de la securite. Afin de s’assurer de la plus grandeneutralite et objectivite, le Cemagref a fait le choix de deleguer cette respon-sabilite a un professionnel exterieur faisant egalement fonction de directeurdes operations pour d’autres PIDA. Il faut ainsi une equipe d’environ 10personnes pour une operation complete de declenchement des 3 couloirs (fi-gure 1.9, bas) : un directeur des operations (au point PC), un artificier etsont aide en haut du couloir 1, un operateur Gazexret Avalhexr(au PC), 2operateurs s’occupant des mesures, 3 vigies (1 au couloir N-E, 2 a la fermeturede la route RD 1091), et un a deux operateurs camera realisant les images etles vues stereoscopiques. Il y a en moyenne 2 a 3 journees de tir par hiver.

Site experimental de Taconnaz (Haute-Savoie, FR). Les avalanches a Taconnazsont declenchees artificiellement (voir section 1.4). En conditions normalesde fonctionnement en hiver (mesures experimentales automatiques), les per-sonnes en charge de l’instrumentation installee sur les tas freineurs de Ta-connaz ne rentrent pas dans le systeme de protection de Taconnaz. En casde necessite urgente d’intervenir, une decision d’entrer ou non dans le siteest prise au regard du risque d’avalanche annonce par Meteo-France a Cha-monix. Toutes les operations de maintenance sont conduites durant la fin duprintemps, l’ete et le debut de l’automne.

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Figure 1.9: Declenchement par charge explosive lancee et systeme Catex (haut).Dispositifs de declenchement utilises sur site d’etude du Col du Lau-taret : declencheur Gazexr(a gauche) installe au couloir n◦2 etAvalhexr(a droite) installe au couloir nord-est (centre). Photographieaerienne du site de declenchement du Lautaret avec la localisation despostes operationnels (bas).

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Figure 1.10: Zones de depart du couloir d’avalanhce de Taconnaz (gauche) et cou-loir d’avalanche de Taconnaz (droite).

1.4 Sites test de declenchement naturel : exemple deTaconnaz

1.4.1 Choix du site-test, historique de l’activite avalanche

Le couloir de Taconnaz est un couloir hors norme recouvert du glacier du memenom et situe dans la vallee de Chamonix. D’une longueur superieure a 7500 mpour une pente moyenne de 46%, sa largeur varie entre 300 et 400 m. Pouvant etredeclenche par des chutes de seracs, le couloir dispose de differentes zones de departpotentielles dont la plus haute se situe a 4000 m avec une zone d’arret aux alentoursde 1100 m. Le volume de l’avalanche centennale est ainsi estime a 1.8 millions dem3. Dans la zone d’arret se trouve un dispositif paravalanche alliant tas freineurs,zones de depot, digues laterales et frontales. Le choix du site s’est impose par lefait que l’on disposait deja d’ouvrages pouvant nous servir de support pour nosdispositifs de mesures. Nous avons choisi d’equiper trois tas freineurs de capteursde pression et de vitesse situes en amont du dispositif paravalanche. C’est danscette zone que la probabilite d’impact par une avalanche est la plus forte. La pentemoyenne d’ecoulement autour de la zone de mesure est d’environ 11◦. Sous cettecondition, la queue de l’avalanche atteint des vitesses faibles. Via ce dispositif nousesperons collecter des mesures de vitesse et de pression en regime proche de l’arret,et ainsi quantifier la valeur du coefficient de trainee Cd dans ce regime particulier.

L’Enquete Permanente sur les Avalanches (EPA) est organisee par les servicesforestiers en France depuis le debut du siecle dernier. La Base de Donnees EPA (dis-

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1.4 Sites test de declenchement naturel : exemple de Taconnaz

ponible sur http ://www.avalanches.fr/) contient les dates des evenements avalan-cheux observes, des informations quantitatives sur les evenements (principalementles altitudes de depart et d’arret et les trois dimensions du depot -longueur, largeuret hauteur- permettant d’estimer le volume de depot), ainsi que des informationsqualitatives (caracteristiques des avalanches, meteo, degats, causes, etc....). Sur lesite de Taconnaz, de 1900 a 2000, 75 evenements ont ete enregistres. Dans 21% descas, l’avalanche de Taconnaz se declenche seule (chute de seracs), dans 33% descas lors d’une crue avalancheuse, dans 46% en meme temps que quelques autrescouloirs. Dans 61% des cas, l’avalanche atteint ou depasse l’altitude d’arrivee de1130 m et dans 22% des cas, l’altitude d’arrivee est meme inferieure ou egale a 1080m. La possibilite d’arrivee de l’avalanche au niveau des habitations de Vers-le-Nantet de Taconnaz se revele donc en moyenne tous les 5 ans (sans tenir compte dudispositif de protection). On peut egalement observer a partir de ces donnees quel’avalanche s’est produite jusqu’a 4 fois le meme hiver a des altitudes inferieures ouegales a 1100 m en 1937 et en 1984.

1.4.2 Methode de caracterisation de l’avalanche de reference aprendre en compte pour le dimensionnement

Irstea (anciennement Cemagref) a ete charge par le SIVOM de la Haute-Valleede l’Arve (devenu depuis Communaute des Communes de la Vallee de Chamo-nix) d’ameliorer le dispositif de protection de Taconnaz [58] sur la base de la ca-racterisation d’une avalanche de projet. Suite a l’analyse morphologique du site,l’etude pour definir l’avalanche de reference s’est realisee en deux temps : (i) retro-analyse des evenements recueillis dans la base de donnees EPA a l’aide d’un modelenumerique d’ecoulements, denses, et definition des parametres d’entree dans lazone d’arret en amont des structures de protection, (ii) analyse statistique desprecedents parametres pour caracteriser les scenarii centennaux : les valeurs rete-nues pour l’evenement centennal sont 4.29 pour le nombre de Froude et 1.6 Mm3

pour le volume. Plus de details sont fournis dans [58]. Les vitesses et pressionsmaximales envisagees, calculees lors de l’expertise sont, respectivement, 60 m.s−1

et 100 tonnes/m2.

1.4.3 Operation de fonctionnement du site et fortes contraintesassociees

Durant tout l’hiver nous ne pouvons pas avoir acces au parc d’instrument installedans le bassin pour des raisons de securite. Durant cette periode, les systemes d’ac-quisitions ne seront accessibles que via une liaison Ethernet etablie entre l’integralitedu dispositif de mesure et une chambre souterraine situee a l’exterieur du dispositifparavalanche. Ce point deporte nous permet de consulter le dispositif de mesure, dele configurer et de decharger les donnees acquises. Cette liaison est relayee sur inter-net via un routeur GPRS/3G qui nous permet de veiller a son bon fonctionnementa distance.

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1.4.4 Process de mesure

Le point d’entree de l’etude technique du dispositif a ete de trouver les processusde mesures les mieux adaptes au mesurande. Les pressions et vitesses maximalesretenues que devra pouvoir mesurer le dispositif sont de 100 kPa et de 60 m.s−1. Lesconsiderations metrologique prises en compte pour la conception des capteurs ontete les memes que celles decrites pour le couloir n◦2 du col du Lautaret (voir section1.3.2). L’integration mecanique a due etre adaptee car dans le cas de Taconnaz, ily a generalement presence de blocs de glace et de pierre dans l’ecoulement. De fait,nous avons du reduire au maximum l’exposition des capteurs au detriment de laqualite des signaux obtenus en particulier pour les mesures de vitesse. Sur chaquetas, 2 points de mesure de vitesse sur la hauteur ont ete installes et, en parallele, 2points de mesure de pression. Le point de mesure du bas etant a environ un tiersde la hauteur du tas et le deuxieme point aux deux tiers. L’integration mecaniquedes capteurs se fait sur des platines en acier qui ont ete noyees dans un voile betonferraille et coule sur les faces amont des tas. Les capteurs de pression ont ete placesface a l’ecoulement. Les capteurs de vitesse quant a eux ont ete places selon unangle de 30◦ par rapport a la direction de l’arrivee presumee de l’ecoulement.

1.4.5 Systeme d’acquisition

L’acquisition des signaux se fait pour chaque tas par une centrale Compact RIOenterree au pied de chacun d’eux. Les trois centrales sont connectees entre ellesvia un reseau Ethernet comme cela a ete decrit precedemment. Etant donne quenous ne maitrisons pas le declenchement de l’evenement, nous avons du adopterune strategie d’acquisition des signaux differente des autres sites experimentauxpresents en Europe. Les centrales enregistrent en permanence les signaux de pres-sion et de vitesse dans une boucle d’une duree de 60 secondes. Chaque signal depression est filtre via une passe-bande et c’est ce signal qui est utilise pour identifierla presence d’un evenement lorsqu’il depasse un certain seuil. L’interet de ce filtrageest d’eviter des enregistrements intempestifs lies a des artefacts numeriques ou ades derives du signal liees a des variations de temperature. Lors de l’identificationde la presence d’un evenement les centrales cessent d’enregistrer les donnees dansla boucle de 60 secondes et elles enregistrent les 120 secondes suivantes. Les signauxsont ensuite remis en ordre par la centrale d’acquisition et stockes sur le disque durde l’ordinateur ainsi que sur une memoire de stockage externe. Par ailleurs lors dela detection d’un evenement par l’une des centrales, celle-ci fait une requete via lereseau Ethernet a la centrale enterree au pied du tas 5 pour que celle-ci genere unsignal “tout ou rien”. Ce signal recu par les trois centrales nous permet de resyn-chroniser au centieme de millisecondes les differents enregistrements effectues parchacune d’elles. Les signaux sont analyses en post-traitement a partir des donneesbrutes. Les signaux de pression sont calibres pour etre delires en kPa a partir desdimensions de la platine qui transmet les efforts au capteur et de sa fiche de calibra-tion. Quant aux signaux de vitesses, etant donne que le signal n’est pas exploitablependant toute la duree de l’ecoulement, on identifie manuellement des periodes ou

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1.4 Sites test de declenchement naturel : exemple de Taconnaz

Figure 1.11: Emplacement des points de mesure (en haut). Centrale d’acquisitionet chambre au pied des tas freineurs (en bas, a gauche). Tas freineur(7,5 m de haut) avec les capteurs de pression et de vitesse.

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celui-ci est exploitable et on vient traiter automatiquement le signal sur ces periodesde la meme maniere que cela se fait avec les donnees du col du Lautaret.

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2 Principaux resultats scientifiquesrelatifs a la force d’impact desavalanches

E. Bovet, T. Faug, M. Naaim

2.1 Introduction

L’objectif principal de ce chapitre est de repondre a la question : comment peut-on evaluer la pression d’impact d’une avalanche sur un obstacle ? Cette question estfondamentale pour le dimensionnement correct des structures situees dans les zonessoumises aux avalanches, et par consequence, pour la securite des personnes, desanimaux et objets. Pour atteindre cet objectif, differents concepts de base serontintroduits, tels que les nombres sans dimension utiles pour caracteriser les differentsregimes d’avalanche, ainsi que le role de la taille de l’obstacle, le type d’avalanche(dense ou poudreuse) et le type de regime (gravitaire ou inertiel). Cependant, avantd’introduire ces concepts et les differentes lois decrivant la pression sur les obstacles,on doit rappeler brievement les methodes utilisees par les chercheurs pour l’etudede ce probleme tres complexe :

analyse en retour de cas reels : sur la base des degats des evenements reels [53],a l’aide d’une analyse de la structure impactee, la pression d’impact peut etreestimee [31, 8]. Cette analyse doit etre poursuivie en tenant compte que lameme magnitude d’une avalanche dense ou poudreuse peut avoir des effetsdifferents sur les dommages [66].

approche experimentale : qui peut etre divisee en [27] :

– observations a echelle 1 sur les sites test [41], comme ceux impliques dansle projet Dynaval (Taconnaz, Col du Lautaret, Punta Seehore), ou celuide la Vallee de la Sionne [74] en Suisse ou encore la digue du Ryggfonn[39, 49, 50, 51] en Norvege. D’autres cas d’etude sont d’un grand interetaussi [42].

– tests de laboratoire a petite echelle avec des materiaux granulaires [15, 24,26, 28, 37, 38, 40], des suspensions ou des ecoulements de neige [27, 36, 65],

approche analytique : les lois analytiques proposees sont basees sur l’analogie avecles fluides classiques [44], les materiaux granulaires [12, 21, 22] ou les projec-tiles.

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Principali risultati scientifici

approche numerique : l’interaction entre avalanches et structures est modelisee al’aide de techniques numeriques, telles que la methode aux elements finis (Fi-nite Element Method) [5, 9] ou les methodes VOF (Volume Of Fluid) [14, 57].La methode DEM (Discrete Element Method) peut etre utilisee pour investi-guer des processus physiques elementaires a petite echelle [21]. Les resultatspeuvent etre combines avec des observations de terrain a l’echelle du terrain[10, 17, 39, 59] ou avec des tests de laboratoire [22, 29, 32, 59, 61, 76, 77].

2.2 Notions generales

La notation suivante est utilisee : u est la vitesse (vitesse moyennee dans l’epais-seur) ; p la pression ; ρ la masse volumique (masse volumique moyennee dans l’epais-seur) ; g l’acceleration de la gravite ; h et H l’epaisseur d’ecoulement et la hauteurd’obstacle, respectivement ; l et D la largeur de l’avalanche et de l’obstacle, respec-tivement ; ϕ et ψ les angles de deviation et de pente, respectivement.

2.2.1 Nombres sans dimension

Afin de decrire les differents regimes d’ecoulement d’une avalanche autour d’unobstacle, on definit les nombres sans dimension suivant [25] :

Fr : le nombre de Froude defini par Fr = u/√gh, qui est la racine carree du ratio

entre l’energie cinetique et l’energie potentielle.

Frobs : le nombre de Froude de l’obstacle defini par Frobs = u/√gH.

H/h : le ratio entre la hauteur d’obstacle H et l’epaisseur de l’avalanche h, dans lecas des obstacles larges, pour lesquels l’epaisseur de l’obstacle est negligeabledevant sa hauteur et la largeur de l’avalanche l est du meme ordre que lalargeur de l’obstacle D.

D/l or D/h : ratio entre la largeur d’obstacle D et la largeur/epaisseur de l’ava-lanche, dans le cas des petits obstacles (etroits).

La relation suivante relie, pour les obstacles larges, les nombres sans dimension :

Fr2obs = Fr21

H/h(2.1)

2.2.2 Influence du regime d’avalanche

Si l’on considere l’avalanche comme un fluide homogene, l’equation de conserva-tion de la quantite de mouvement dans sa forme integrale permet de deriver la forceexercee sur l’obstacle [3] et fait apparaitre un terme cinetique (ρu2), un terme depression (p) et les contraintes generees a l’interieur du fluide (τ). Il est possible dedistinguer, a l’aide du nombre de Froude, trois regimes differents [3] :

le regime inertiel : Fr � 1 : ρu2 � −p+τ , ce qui signifie que le terme cinetique estdominant, par exemple, comparativement au frottement avec le sol. Pour ce

36

2.2 Notions generales

type de regime, l’avalanche est assimilee a un fluide parfait. Les avalanches enaerosol et les avalanches de neige dense tres rapides peuvent etre considereesdans cette classe. L’obstacle peut etre facilement franchi par l’ecoulement pardessus ou par les cotes. La pression depend essentiellement de la vitesse et dela masse volumique (Pdyn ∝ ρu2). Les pressions generees ne sont pas toujoursextremes [3]. Puisque la vitesse depend de la hauteur d’ecoulement et de lapente, le nombre de Froude est independant de la vitesse et de la hauteurd’ecoulement mais depend seulement de la pente, de la rheologie du fluide etdes conditions aux limites [20].

le regime gravitaire : Fr � 1 : ρu2 � −p+ τ , ce qui signifie que la rheologie de laneige et les conditions aux limites (par exemple les conditions de glissementou de non glissement le long de l’obstacle) jouent un role important [3]. Dansce regime, l’ecoulement est tres lent et quasi-statique. Puisque, dans cettesituation, l’avalanche est similaire a un fluide tres visqueux, les avalanches deneige humide en zone d’arret peuvent etre considerees dans cette classe, maisaussi, sous certaines conditions (vitesse faible), la queue des avalanches deneige seche. L’obstacle peut stopper la neige, ainsi que conduire a la creationd’une zone morte en amont de l’obstacle, ou alors peut etre submerge parune succession de “vagues” de neige. L’effet destructeur est lie a la masse enmouvement (plusieurs metres de depot peuvent etre observes) : Pdyn ∝ ρgh.La force de frottement est proportionnelle au poids de l’avalanche et, parconsequence, a la hauteur de l’ecoulement.

le regime intermediaire [20] : Fr ' 1 : le frottement a la base peut etre decritcomme la somme d’un terme dependant du carre de la vitesse, typique duregime inertiel, et d’un terme lie a une contrainte dependant de la hauteurd’ecoulement, typique du regime gravitaire. Le nombre de Froude depend dela hauteur de l’ecoulement.

2.2.3 Influence de la taille de l’obstacle

La taille de l’obstacle peut influencer la pression d’impact. Par exemple, un obs-tacle de petite taille (tel qu’un pylone ou un tas freineur de petite dimension) nemodifie pas significativement la vitesse d’ecoulement, sa direction et sa hauteur.La pression d’impact, si l’ecoulement est inertiel, peut etre calculee par la pres-sion cinetique p ∝ ρu2/2. Au contraire, un obstacle de grande taille (tel qu’unmur, une maison, une digue, un tas freineur de grande dimension) peut modifiersignificativement la hauteur (voire stopper l’ecoulement) et, par consequence, lechamp de vitesse (par exemple la direction d’ecoulement) et la pression [3]. Parexemple, pour une digue de deviation et des grandes valeurs du nombre de Froude(Fr ≥

√2/ cosϕ) [3], l’avalanche peut deborder la digue. Au contraire, pour des

valeurs de Fr plus faibles, l’avalanche est deviee. Par consequence, la pression d’im-pact devrait etre calculee a minima en deux temps : l’impact (i) avec l’ecoulementnon perturbe du front d’avalanche et (ii) avec l’ecoulement devie, pour lequel lesforces centrifuges creees par la courbure des lignes de courant, ainsi que l’influence

37


de l’angle de deviation, devraient etre prises en compte.

Les coefficients sans dimension C (coefficient de trainee dans le regime inertiel) etK (coefficient de poussee des terres dans le regime gravitaire) dependent egalementde la taille de l’obstacle. Par exemple, dans le regime inertiel, C, decrit plus endetail dans la section 2.3.1, decroit quand l/D decroit [83] et depend de H/h.Dans le regime gravitaire, K est lie a la largeur [84], aux proprietes de surface,a la morphologie et a l’arrangement des grains [2] ou a la largeur, l’epaisseur ducanal [13]. En outre, K depend de h/D, du frottement interne et de la cohesion dumateriau en ecoulement et du frottement lie aux effets de bord eventuels. En fonc-tion du regime d’ecoulement et de la dimension de l’obstacle, le dimensionnementdes structures est donc different. Or, de nos jours, la methode classique ne prendpas en compte tous ces aspects, qui sont decrits plus en detail dans les sectionssuivantes.

Il est important de noter que l’equation classique (P = 1/2Cρu2) fonctionnebien pour les avalanches de neige poudreuse qui sont des ecoulements turbulentspour lesquels l’inertie predomine. Une attention particuliere doit etre portee surles pressions verticales qui peuvent etre tres grandes (du fait des vitesses verticalesimportantes) et sur les fluctuations de force (dues a la turbulenece et aux impactsisoles des aggregats/clusters de neige transportes par la couche poudreuse). Seulesles forces dues aux avalanches de neige dense (ou de la couche dense d’une avalancheen aerosol dans le cas des avalanches de neige mixte) sont considerees dans la suitedu present document.

2.3 Calcul de la pression d’impact

La pression d’une avalanche est, par nature, fortement dependante du temps(phenomene transitoire) [4, 69, 74, 75, 78] avec (i) des fluctuations d’amplitudeplus ou moins elevee a hautes frequences σp autour d’une valeur moyenne 〈p〉 , (ii)la presence d’un maximum de pression moyenne pmax, (iii) la presence eventuelle–dans certaines circonstances– de plusieurs pics de pression (ppeak) avant le maxi-mum pmax pouvant correspondre a plusieurs vagues, (iv) la presence possible d’unepression residuelle pres (generalement pour les obstacles larges comparativementa la dimension de l’ecoulement). Les larges fluctuations dans le regime inertielpeuvent etre associees aux impacts de particules ou d’aggregats isoles [69]. Dans leregime gravitaire, les oscillations sont plutot expliquees par la formation et la rup-ture intermittente de chaines de force presentes dans le milieu granulaire et par lesprocessus de stick-slip entre grains et entre les grains et l’obstacle [4, 72]. Enfin, desfluctuations spatiales sont observees sur les obstacles de grande taille [46]. Dans lasuite, nous ne considerons pas les fluctuations spatio-temporelles. Ce rapport traitede la pression moyennee dans le temps.

38


2.3.1 Formules classiques pour la protection avalanche

C’est generalement, pour le dimensionnement pratique des protections contre lesavalanches, l’analogie avec la mecanique des fluides parfaits qui est utilisee pourcalculer la pression d’impact comme le produit de la pression cinetique par uncoefficient de trainee C [68] :

p =1

2Cρu2 (2.2)

C depend de la dimension de l’obstacle et de sa forme, ainsi que du type de neige.Par exemple, les mats percutes par une avalanche aerosol ou une couche tres fluidiseeont un C variant entre 1, 1.5 et 2 en fonction de la forme geometrique (circulaire,triangulaire et carree, respectivement). Pour des avalanches de neige seche, pourune forme circulaire, on considere C = 1.5. Les valeurs de C augmentent pour lesavalanches de neige dense humide : 3 − 5 pour une forme circulaire, 3 − 6 pourune forme triangulaire et 4− 6 pour une forme carree, comme cela est recommandedans [43]. Differentes etudes ont ete realisees experimentalement (i.e. [54, 63, 71])et conduisent a des resultats similaires. Par exemple, [62] indique une valeur de 2.5pour des avalanches de neige seche et 6.3 pour des avalanches de neige humide. Uneapproche differente est poursuivie par [34] qui ne fait pas de distinction sur la basedes regimes d’ecoulement, mais seulement sur la base de la forme des mats (1 sicirculaire, 1.5 si triangulaire et 2 pour les formes carrees). Concernant les obstaclesde grande taille, la pression normale pn est calculee avec C = 2 [68] :

pn =1

2Cρu2 sin2 ϕ (2.3)

ou ϕ est l’angle de deviation et, en particulier, ϕ = 90◦ dans le cas d’un impactperpendiculaire. Notons qu’une valeur minimale de ϕ = 20◦ doit etre consideree.La pression tangentielle (pt) est obtenue par

pt = µpn (2.4)

avec µ = 0.3 − 0.4 [68]. L’impact contre un mur peut creer une pression verticaleegale a 0.4 · pn. La neige deposee sur les structures cree une pression verticale egalea (h − H)ρg. Enfin, la deviation dans un plan vertical doit aussi etre prise encompte [18]. La hauteur impliquee Htot dans l’impact est calculee comme la sommedu manteau neigeux en place (Hs), l’epaisseur de l’avalanche (h) et la hauteur derun-up (Hr) :

Htot = Hs + h+Hr (2.5)

La definition de la hauteur de run-up, utilisee en pratique par les ingenieurs,est derivee de la transformation de l’energie cinetique en energie potentielle [18] :

Hr = u2

2gλf(Dh ). Cette expression est caracterisee par la presence d’un coefficient de

dissipation empirique λ (1.5 < λ < 3 dependant du type de neige) et du facteurf (0.1 < f(Dh ) < 1) associe au ratio entre la largeur de l’obstacle D et la hauteurde l’avalanche [68] : plus l’obstacle est petit plus la possibilite de debordement

39


lateral est importante. Cependant, et malheureusement, pour les petits obstacles,ce dernier terme montre ses limites.

2.3.2 Un modele visqueux non-newtonien pour les petitsobstacles

Des mesures recentes sur des avalanches de neige grandeur nature ont mis enevidence le fait que la pression peut rester haute malgre une vitesse incidente faible[72, 74, 78]. Un cadre theorique a ete propose pour prendre en compte ce com-portement, que l’on attribue par hypothese au role dominant de la rheologie dufluide s’ecoulant dans un regime a faible vitesse [60]. Ce cadre theorique est basesur l’analogie avec les fluides visqueux : la collecte d’un grand nombre de donneesexperimentales sur des coefficients de trainee –concernant des fluides newtonienset non-newtoniens a des valeurs du nombre de Reynolds faibles et intermediaires–combinee a une approche theorique –dans le cadre des equations moyennees dansl’epaisseur– ont permis de deriver une viscosite macroscopique η, et un nombre deReynolds construit sur la vitesse moyennee dans l’epaisseur et la largeur de l’obs-tacle, < = uD/η. Avec l’hypothese de la similitude de Reynolds, la formule obtenuepour les fluides simples a ete etendue pour deriver une formulation generale, reliantle coefficient de trainee C a l’angle de pente ψ, au nombre de Froude Fr et al’epaisseur de l’ecoulement relative a la largeur de l’obstacle h/D [30, 60] :

C(<, n) = 271(3 + log<)−3.37f(n)<n−15 (2.6)

ou :

f(n) =n3

3− 5n2

4+

7n

6+

3

4(2.7a)

<(n) =

[(2n+ 1

n

)D

h

]nFr2

tanψ(cosψ)n(2.7b)

Fr =u√

gh cosψ(2.7c)

n est l’exposant de la loi puissance constitutive qui caracterise la rheologie dufluide. Avec cette description, le coefficient de trainee est relie a un nombre de Rey-nolds equivalent qui depend du type de regime (laminaire ou turbulent, gravitaireou inertiel). Quantifier la valeur de n pour la neige en ecoulement reste un challengeimportant. Cependant, avec une valeur adequate de n pour la neige en ecoulement,on peut calculer la pression des avalanches de neige sur les petits obstacles :

p = C(<, n)1

2ρu2 (2.8)

L’exposant n refere au comportement rheologique de la neige en ecoulement :n = 1 pour les fluides newtoniens, n < 1 pour les fluides rheo-fluidifiant et n > 1pour les fluides rheo-epaississant. La neige en ecoulement a un comportement trescomplexe. Si l’on considere un modele de Voellmy pour la neige en ecoulement [82]

40


avec des valeurs typiques des parametres de frottement (ξ = 750 m·s−2 et µ0 = 0.3),la neige en ecoulement se comporte comme un fluide rheo-fluidifiant si le nombrede Froude est inferieur a une valeur critique autour de 4 pour une hauteur typiqueh = 3 m (voir Figure 3.2 dans [30]). Dans les exemples donnes en section 2.4.2,nous utilisons systematiquement n = 0.8 (neige en ecoulement rheo-fludifiante) parsouci de simplicite.

2.3.3 Un modele granulaire pour les obstacles de grande taille aface plane

Dans le cas des obstacles de grande dimension qui modifient fortement l’ecou-lement (forte deviration des lignes de courant internes et a la surface libre), l’ap-proche basee sur un coefficient de trainee n’est theoriquement plus valide. Des effetsspecifiques en lien avec la modification de la geometrie de l’ecoulement au voisinagede l’obstacle devraient etre pris en compte. Par exemple, une equation generale don-nant la force subie par un mur soumis a un ecoulement gravitaire a surface libre aete recemment derivee pour les ecoulements granulaires [12, 21, 22]. Cette equationprend en compte la formation d’une zone quasi-statique, dite “zone morte“, quico-existe avec une zone inertielle au dessus capable de deborder le mur. La force(par unite de largeur) est alors exprimee comme la somme de trois contributionsprincipales :

F = FNu + Fh + FNw − µzm[FTw + FTu

](2.9a)

FNu /L = ρu2h[1− (1− κϕ) cosϕ] (2.9b)

Fh/L =1

2ρgh2 cosψ (2.9c)

FNw /L = ρ0V0Lg sinψ (2.9d)

FTw /L = ρ0V0Lg cosψ (2.9e)

FTu /L = −ρu2h(1− κϕ) sinϕ (2.9f)

ou FNu est la force cinetique normale associee a la deviation de l’ecoulement, Fhest la force hydrostatique reliee a l’ecoulement incident et FNw − µzm

[FTw + FTu

]est

le poids apparent du volume perturbe par le mur (composante du poids parallele ala pente, FNw , diminue du frottement basal entre la zone morte et le fond, qui prenden compte la force cinetique tangentielle generee par la deviation de l’ecoulement).Notons qu’il a ete demontre que les effets associes au processus de zone mortepeuvent egalement etre importants en presence de petits obstacles [4]. Nous avonsdefini les variables suivantes : κ = (1 − e)/(π/2) est le coefficient de reductionde vitesse ou e est le coefficient de restitution des particules, L est la largeur dumur voisine de la largeur de l’ecoulement incident (cette equation n’est pas validesi L/` << 1 : les flux lateraux devraient alors etre considerees, comme cela estdiscute dans [23]), V0 est le volume de fluide perturbe par le mur en amont du

41


mur, et ϕ (rad.) est l’angle de deviation moyen en haut de l’obstacle. En premiereapproximation, ϕ peut etre estime avec l’equation suivante sur la base des anglesde frottement minimum (ψmin) et maximum (ψmax) :

ϕ =1

2

(ψmax

ψmax − ψmin

)(ψ − ψmin) (2.10)

Une solution exacte est fournie pour V0/` dans [12, 22]. Cependant, en premiereapproximation, V0/` peut s’exprimer comme suit :

V0`

=hH

2 tanϕ

(2 +

H

h

)(2.11)

ou H est la hauteur du mur. ρ est la masse volumique du fluide en dehors de lazone d’ecoulement perturbe (= φρP pour un fluide granulaire ou φ est la fractionvolumique et ρP est la masse volumique des particules) et ρ0 est une masse volu-mique moyenne tenant compte de la compaction du materiau dans la zone morte(ρmax etant la masse volumique du materiau a l’interieur de la zone morte) :

ρ0V0 = ρ

(V0 −

H2`

2 tanϕ

)+ ρmax

H2`

2 tanϕ(2.12)

2.3.4 Quelques recommandations specifiques

Impacts de corps solides

Dans une avalanche, differents debris (blocs de pierre, troncs d’arbre, blocs deglace . . .) peuvent etre presents et causer, lors de l’impact avec une structure, uneforce locale durant 1−100 ms avec des degats consequents. Differentes theories sontproposees [43] :

– la formule d’Hertz [45] donne la force d’impact dependant de la geometrie etdes caracteristiques du materiau :

FI =4

3R1/2E∗δ3/2 (2.13)

avec 1/R = 1/Rb+1/Rw, 1/E∗ = (1−ν2b )/Eb+(1−ν2w)/Ew, Rb, Rw les rayonsde l’impactant et du mur, Eb, Ew les modules elastiques, νb, νw les coefficientsde Poisson et δ la compression durant l’impact. En particulier, si le mur estplat : Rw = ∞. La pression de contact maximum, pour un point de contactcirculaire, est :

p =3

2π

(4E∗

3R3/4

)4/5(5

4mu2

)1/5

(2.14)

ou 1/m = 1/mb + 1/mw est la masse effective et u est la vitesse d’impact. Larupture plastique arrive quand p0 atteint une valeur critique d’environ 1.6Y ,ou Y est la contrainte seuil du corps le plus mou.

42


Pour une sphere impactant un mur, la vitesse d’impact necessaire a l’initiationd’une rupture peut etre deduite de la simplification de l’Eq. (2.14) (valide siρbu

2/Y < 10−1) :

ρbu2

Y= 26(Y/E∗)4 (2.15)

ou ρb = m/((4/3)πR3b) est la masse volumique du corps impactant. Puisque

l’intensite de la pression de contact est reduite, du fait de l’apparition d’unedeformation plastique, la formule d’Hertz donne une valeur haute de la pressionde contact maximum. La pression de contact moyenne, croit jusqu’a la ruptureplastique totale d’environ 1.1Y a 3Y .

– en Suisse [35], quand les vitesses sont plus faibles que 10 m.s−1, il est faitl’hypothese qu’un impactant peut percuter l’obstacle avec la meme vitesse quel’avalanche dense, ce qui donne une force d’impact :

FI = 3.3ρu2 (2.16)

donnant une pression d’impact locale sur un disque de diametre 0.25 m de :

pI = 66.6ρu2 (2.17)

Cette charge est typiquement consideree comme une charge accidentelle avecla consequence typique qu’un facteur de securite egal a 1 soit generalementutilise. Notons qu’aucune recommandation formelle n’existe concernant les va-leurs correctes des coefficients quand la vitesse est superieure a 10 ms−1

– dans [18], la charge concentree causee par l’impact des debris est similaire acelle des chutes de blocs. La force statique est remplacee par :

Q′e = (Qe2.5Ih)/(0.3Is) (2.18)

ou Qe est une valeur tabulee [18] dependant de la masse de l’impactact, de lavitesse de l’avalanche, de la surface d’impact et du mode de rupture (ductile oufragile), Ih et Is sont l’epaisseur et la largeur du mur. Cette force agit seulementsur l’aire d’impact et simultanement avec l’impact de l’avalanche elle-meme.

La seconde approche donne une estimation plus faible que la charge d’impact deriveedu cas d’Hertz et plastique. Elle peut etre utilisee quand les debris impactent demaniere rare la structure sans etre freines par l’avalanche. Sinon, pour des structuressensibles, la premiere approche doit etre utilisee.

Compressibilite de la neige

Les mesures de terrain sur des obstacles impactes par une avalanche montre quela neige peut etre fortement comprimee. Voellmy [82] a propose la relation suivantliant la masse volumique ρ a la surpression dynamique p :

ρ

ρ0=

1 + pp0

1 + ρ0ρF

pp0

(2.19)

43


ou ρ0 est la masse volumique initiale, p0 ≈ 105 Pa est la pression atmospherique, etρF est la limite haute de masse volumique, dependant du type de neige (ρF = 600kg·m−3 pour une avalanche de neige seche a gros grains, ρF = 800 kg·m−3 pour uneavalanche de neige seche a grains fins, ρF = 1000 kg·m−3 pour une avalanche deneige saturee en eau). Generalement la masse volumique est 1.5− 3 fois superieurea ρ0. Cependant, la masse volumique mesuree peut etre plus haute puisque la com-pression de la neige se realise de maniere instantannee avec la consequence que l’airpiege n’a pas le temps de s’echapper durant la compression, mais seulement durantla phase de consolidation. [46] ont trouve une relation similaire (avec un facteur de2) reliant la masse volumique avant et apres impact de l’avalanche coulante. [48]ont trouve que l’accroissement maximal de masse volumique depend de la vitesseet peut atteindre un facteur 2 − 3. Enfin, la masse volumique finale ρf , avec unemaximum de ρf = 600 kg·m3 peut etre lie a un maximum de pression pmax via larelation suivante [55] :

ρf = ρ0

(pmax

pmax − u2ρ0

)(2.20)

2.4 Cas d’etude

Cette partie decrit quelques exemples pour estimer la pression d’impact. Oncompare les methodes classiques aux nouveaux modeles proposes pour les obstaclesetroits (pylones) d’une part [voir Eq.(2.8)] et pour les obstacles plus larges (murs,digues) d’autre part [voir Eq.(2.8)]. Cette analyse illustre clairement l’importancede ces nouveaux modeles afin d’eviter de sous-estimer la pression d’impact desavalanches dans les regimes a faible vitesse.

2.4.1 Differents regimes d’avalanche incidente

La figure 2.1 donne les profils temporels typiques pour la hauteur d’avalanche,sa vitesse et son nombre de Froude resultant dans differents regimes d’avalanche :

– une avalanche de neige seche rapide dans le regime inertiel a ψ = 33◦ (Fig.2.1,haut),

– une avalanche de neige en regime intermediaire a ψ = 27◦, pour laquelleFr ∼ 1 (Fig.2.1, milieu),

– et une avalanche tres lente a ψ = 21◦ dans le regime gravitaire –ce quiest typique d’une avalanche de neige humide, mais aussi, de la queue d’uneavalanche de neige seche dans la zone d’arret (Fig.2.1, bas).

Les profils temporels presentes ici correspondent a des cas d’etude fictifs derivesde tests en laboratoire a echelle reduite sur des avalanches granulaires pour les-quelles les trois regimes ont ete clairement identifies [11]. Pour chaque type d’ava-lanche de neige simulee, la masse volumique est supposee constante et egale a 300kg·m−3.

44

2.4 Cas d’etude

Figure 2.1: Changement typique dans le temps, a une position donnee, del’epaisseur h (m), de la vitesse u (m.s−1) et du nombre de FroudeFr pour une avalanche de neige rapide (haut), a Froude intermediaire(centre), tres lente (bas).

45


2.4.2 Obstacle de type pylone

La figure 2.2 montre la pression d’impact en fonction du temps exercee sur unpylone dans chaque type de regime d’avalanche defini dans la section precedente. Lepylone a un diametre de 1 m. Le coefficient n a ete pris egal a 0.8, ce qui est typiquedu comportement d’un materiau rheo-fluidifiant. Cette analyse revele que la formuleclassique [Eq.(2.2)] avec C = 1 (typique d’un obstacle etroit arrondi, comme cela estrecommande dans [68]) tend a sous-estimer la pression d’impact quand la vitesse del’avalanche decroit (d’un regime inertiel a un regime lent gravitaire). A tres bassevitesse, l’ecart entre l’Eq.(2.2) avec C = 1 et le nouveau modele [Eq.(2.8)], qui tientcompte du role predominant des effets visqueux, est tres important. Dans l’exempletraite ici, une valeur de C = 35 dans la formulation classique est necessaire pourtrouver une valeur de pression d’impact egale (maximum en pression et decroissancedans la queue) a celle derivee du nouveau modele.

2.4.3 Obstacle de type mur

La figure 2.3 montre la pression d’impact sur un mur en fonction du temps pourchaque type de regime d’avalanche (inertiel, intermediaire, gravitaire) illustre sur lafigure 2.1. Le mur est haut de 5 m et large de 10 m. Le coefficient de restitution desaggregats de neige est pris egal a 0.1, ce qui donne κ = 0.57. La masse volumiquemaximale est ρmax = 550kg·m−3. Les angles de frottement minimum et maximumsont fixes a θmin = 20◦ et θmax = 30◦, conformement a des resultats recents [73].Cette analyse revele que l’equation classique [Eq.(2.2)] avec C = 2 (qui est unevaleur typique pour des obstacles larges a face plane, comme cela est recommandedans [68]) tend a sous-estimer la pression d’impact quand la vitesse de l’avalanchedecroit (d’un regime inertiel a un regime gravitaire). A tres basse vitesse, l’ecartentre l’Eq.(2.2) avec C = 2 et le nouveau modele [Eq.(2.9)], qui tient compte durole dominant de la zone morte formee a l’amont du mur, est important. Dansl’exemple fourni ici, une valeur de C = 55 dans l’equation classique est necessairepour s’ajuster sur la pression maximale derivee du nouveau modele. Cependant,la pression residuelle causee par la presence du depot de neige laisse par la zonemorte n’est pas predite par l’equation classique ajustee par une valeur accrue ducoefficient C. Ce resultat demontre l’importance du nouveau modele [Eq.(2.9)] quipermet de considerer cet effet. Il est remarquable que, dans le regime d’avalancherapide, C = 2 dans l’equation classique donne un resultat similaire a la predictiondu modele granulaire frictionnel.

46

2.4 Cas d’etude

Figure 2.2: Pression d’impact sur un pylone exercee par une avalanche rapidede neige seche (haut), une avalanche a Froude intermediaire (centre),une avalanche tres lente (bas) : comparaison entre l’equation classique[(2.2)] avec C = 1, le nouveau modele [Eq.(2.8)] et l’equation classique[Eq. (2.2)] avec une valeur de C qui permet de s’ajuster sur la pressionmaximale derivee du nouveau modele. 47


Figure 2.3: Pression d’impact sur un mur exercee par une avalanche rapide deneige seche (haut), une avalanche a Froude intermediaire (centre),une avalanche tres lente (bas) : comparaison entre l’equation classique[(2.2)] avec C = 2, le nouveau modele [Eq.(2.8)] et l’equation classique[Eq. (2.2)] avec une valeur de C qui permet de s’ajuster sur la pressionmaximale derivee du nouveau modele.48

3 Dimensionnement de la hauteurdes digues de protection : exemples

E. Bovet, V. De Biagi, T. Faug, M. Naaim

3.1 Resume de la nouvelle procedure europeennee

Cette section donne un bref resume de la procedure europeenne recemment editeepour le dimensionnement de la hauteur des digues de protection paravalanche (voir[43] et la bibliographie fournie dans cette reference), ainsi que des recommandationsspecifiques au regard des ecoulements d’avalanche lents (avalanches de neige humideplus particulierement) et de la reduction de la distance d’arret en aval des diguesdebordees par des avalanches de neige (voir aussi [43] pour plus de details).

3.1.1 Regime rapide (inertiel)

Des etudes recentes (voir [43] et la bibliographie citee dans cette reference) onttrouve que la hauteur de digue H, normale au terrain, est donnee par :

H = hr + hs, (3.1)

ou hr est le run-up de l’avalanche et hs est la hauteur de neige en amont de la digue.En particulier, la dynamique des ressauts (ou chocs) et la necessite d’empecher undebordement supercritique sont utilisees pour deriver les hauteurs de run-up :

hr = max(Hcr + hcr, h2 + ∆Hψ⊥ + ∆Hk), (3.2)

ou :

Hcr + hcr =h1k

+(u1 sinϕ)2

2g cosψk2(1− k−2(Fr⊥)−4/3) (3.3a)

Fr =u1√

g cosψh1(3.3b)

Fr⊥ = Fr sinϕ (3.3c){k = 0.75 for α > 60◦,k = 0.75 + 0.1(60◦ − α)/30◦ for 30◦ ≤ α ≤ 60◦

(3.3d)

h2 = h1(2√

(6Fr2⊥ + 4) cos δ + 1))/3 (3.3e)

49

3 Dimensionnement de la hauteur des digues de protection : exemples

δ =1

3

[π

2− tan−1

(9Fr2⊥ − 8

Fr⊥√

27(16 + 13Fr2⊥ + 8Fr4⊥)

)](3.3f)

ϕmax =π

2− 23/4

Fr1/2− 21/4

6Fr3/2(3.3g)

∆Hψ⊥ =

√2 tanψ⊥

2Fr cosϕξ (3.3h)

∆Hk =

√2(u1 cosϕ)2

2Fr cosϕg cosψRkξ (3.3i)

HD =cosψ − sinϕ sinψ cotα

1− cos2 ϕ sin2 ψH (3.3j)

u1 et h1 sont la vitesse et la hauteur d’ecoulement au niveau de la digue, ϕ estl’angle de deviation (ϕ = 90◦ pour une digue d’arret), k est le coefficient de pertede quantite de mouvement (seulement pour les digues plusieurs fois superieures al’epaisseur de l’ecoulement incident h1), α est l’angle de la face amont par rapportau terrain, Hcr est la hauteur de digue critique (c’est-a-dire la hauteur a laquellel’avalanche passe d’un regime supercritique a un etat sub-critique), hcr est la hau-teur d’ecoulement critique correspondante, h2 est la hauteur d’ecoulement en avaldu ressaut, ∆Hψ⊥ est la hauteur additionnelle dans le cas d’une digue de deviationcausee par la pente du terrain vers la digue, ξ est la distance le long de la diguedepuis son extremite amont, ∆Hk est la hauteur additionnelle de digue due a laforce centripete et qui doit etre consideree pour les digues de deviation avec unrayon de courbure Rk, et HD est la hauteur verticale de digue dans une sectiontransverse normale a l’axe de la digue dans un plan horizontal.

En outre, il faut verifier que ϕ ≤ ϕmax − 10◦, avec ϕmax = π2 −

23/4

Fr1/2− 21/4

6Fr3/2

sinon h2 dans l’Eq.(3.3e) doit etre calculee avec ϕ = 90◦. Enfin, la possibilite d’unaccroissement de la distance d’arret et d’un etalement lateral pour les digues dedeviation, ainsi que le volume de stockage pour une digue d’arret, doivent etre prisen compte lors du dimensionnement.

3.1.2 Regime lent (gravitaire)

Un cas particulier du regime gravitaire est celui des avalanches de neige humide.Ces avalanches sont caracterisees par une vitesse plus lente et des hauteurs impor-tantes conduisant a une faible valeur du nombre de Froude. Leur comportementparticulier, meme si elles ne sont pas encore de nos jours quantitativement decritespar un cadre theorique, devrait etre pris en compte lors de la phase de dimension-nement (voir [43] et la bibliographie fournie dans cette reference).

Leur vitesse tres lente ont pour consequence que ces avalanches suivent plus lamorphologie du terrain et une petit obstruction, meme de tres petite taille, peutdevier l’ecoulement, rendant imprevisible leur trajectoire avec des consequencesnegatives possibles tout particulierement aux extremites des digues. En outre, levolume de stockage (puisque la neige est capable de s’accumuler sur des hauteurs

50

3.1 Resume de la nouvelle procedure europeennee

importantes), ainsi que les hauteurs de depot, peuvent etre des facteurs plus im-portants que la vitesse pour des objectifs de dimensionnement. Si des evenementsmultiples arrivent, la capacite de stockage doit etre calculee comme egale a deux foiscelui de l’avalanche de reference. De plus, les avalanches de neige humide peuventtransporter des rochers et quantites importantes de materiau de sol. Le labourageet la compression de la neige sont preponderants sur les processus d’entrainement.Parfois, leurs limites d’extension sont bien distinctes, dans d’autres cas elles peuvents’etaler tres largement. Enfin, du fait de la valeur elevee de l’angle de frottement,la neige peut commencer a s’accumuler sur des terrains dont la pente peut allerjusqu’a 25◦.

En conclusion de cette section, il faut pointer que de nombreuses questions scienti-fiques restent ouvertes en regard des regimes d’ecoulement, particulierement en lienavec le probleme des zones mortes formees en amont des obstacles (neige pouvants’accumuler en grande quantite), ce qui lisse les formes d’obstacles et rend inefficaceces derniers lors de l’interaction de l’ecoulement d’avalanche avec l’obstacle.

3.1.3 Dissipation locale d’energie cinetique due aux digues

Afin d’evaluer l’effet freineur des digues d’arret et des tas freineurs, des testsde laboratoire avec des ecoulements granulaires, ainsi que des experimentations aechelle 1, sur le site du Ryggfonn en particulier, ont ete conduites Pour investiguerla dissipation d’energie (voir [43] et la bibliographie dans la reference), puisquela vitesse est techniquement difficile a evaluer de maniere correcte, une analyse aposteriori est faite sur la base de la reduction de la distance d’arret (distance d’arretmaximale ou distance d’arret associee au centre de masse du depot). Dans les testsde laboratoire, le ratio λ entre la dissipation d’energie cinetique causee par la digueet l’energie potentielle correspondant a la hauteur de digue est donnee par :

λ =1

2Fr2

1− lovr/lcontH/hb

(3.4)

ou lovr est la distance de debordement, lcont est la distance d’arret maximale (oudu centre de masse) sur un plan horizontal de l’avalanche au dela de l’emplacementde la digue, H est la hauteur de digue et hb la hauteur d’ecoulement incidente. Enparticulier, l’Eq.(3.4) montre que λ varie lineairement avec le carre du nombre deFroude et depend de la pente de la droite representant la relation entre la distanced’arret et la hauteur de digue. Cependant, la dissipation d’energie cinetique lors del’impact des avalanches de neige naturelles avec des obstacles semble etre inferieurea celle trouvee avec des ecoulements granulaires mais superieure a celle mesureesur le site-test du Ryggfonn. Etant donne ces ordres de grandeur, reduire l’alea enaval des digues d’arret n’est pas evident et devrait etre utilise seulement sur dessites existants, plutot que pour justifier une expansion de nouvelles zones urbaines.Souvent une valeur de λ = 1.5 est consideree pour les digues d’arret construitesen materiaux laches et λ = 2 pour des digues d’arret a face plus raide avec desmateriaux renforces. Enfin, souvent λ = 1 est la valeur retenue pour les digues dedeviation. Cependant, utiliser une valeur de λ dans la gamme 1−2 a parfois comme

51


resultat une reduction de runout plus importante que celle evaluee au Ryggfonnmais inferieure a celle indiquee par les tests de laboratoire. Ainsi, un manque deconnaissance de la dynamique des ecoulements autour des digues doit encore etrecomble afin d’evaluer de maniere plus correcte la perte de quantite de mouvementrepresentee par le coefficient λ.

3.2 Exemples en Italie

Nous considerons ici l’exemple de la digue d’arret terminale du couloir d’ava-lanche du Chateau dans la region de Breuil-Cervinia, Valtournenche (Valle d’Aosta,Italie). La figure 3.1 donne la localisation de la digue d’arret : (i) couloir d’avalanche(ligne bleue) et (ii) zone d’arret (cercle bleu).

3.2.1 Une digue d’arret

La diga, denominata “Chateau”, e posizionata nella zona di arresto del fenomenovalanghivo censito al Catasto Regionale delle Valanghe col nome “Mont Tabel” (n.42), nel comune di Valtournenche (AO). Tale opera e sita a monte dell’abitatodi Breuil-Cervinia, in testata alla Valtournenche (AO). La fig. 3.1 fornisce unaposizione indicativa (i) del percorso della valanga (linee blu) e (ii) della diga (cerchioblu).

Avalanche de projet (epaisseur et vitesse)

L’avalanche de projet a ete caracterisee par l’epaisseur et la vitesse suivantes :h1 = 0.70 m et u1 = 10.1 m s−1. La pente locale est ψ = 7.4◦, ce qui donne unnombre de Froude Fr = 3.23.

Dimensionnement de la hauteur de digue

Nous considerons ici une digue d’arret : ϕ = 90◦. L’angle de la face amont estautour de α = 66◦. Cette valeur est relativement elevee et combinee a un ecoulementrapide : on peut considerer k = 0.75. La somme (i) de la hauteur critique de diguepour laquelle l’avalanche passe d’un regime supercritique a sub-critique et (ii) de lahauteur critique d’ecoulement correspondante est : Hcr + hcr = 3.07 m [Eq.(3.3a)].

Quand l’avalanche (ecoulement incident supercritique) interagit avec la digue,un regime sub-critique dans le voisinage de la digue se propage a l’amont avec laformation d’un ressaut granulaire. L’epaisseur de ce ressaut est h2 = 4.58 m, avecδ = 0.47 [Eq.(3.3e)].

La valeur maximum de h2 et Hcr + hcr est ici H = 4.58 m. Pour prendre encompte la geometrie locale (fruit de la face amont α, pente locale du terrain ψ), lahauteur de digue doit etre calculee selon l’Eq.(3.3j) avec ϕ = 90◦ : HD = cH, ouc = 0.93, ce qui donne HD = 4.92 m.

52

3.2 Exemples en Italie

Figure 3.1: Localisation de la digue d’arret construite dans le couloir d’avalanchedu Chateau : (i) couloir d’avalanche (ligne bleue) et (ii) zone d’arret(cercle bleu)(source : www.regione.vda.it).

53


3.2.2 Une digue de deviation

Nous considerons ici l’exemple de la digue de deviation qui a ete construite presde Steimatto dans le couloir d’avalanche de Ebiolo dans la region de Gressoney-Saint-Jean (Valle d’Aosta, Italie). La figure 3.2 donne la localisation de la diguede deviation : (i) le couloir d’avalanche (ligne bleue) et (ii) la zone d’arret (cerclebleu).

Figure 3.2: Localisation de la digue de deviation, dans le couloir d’avalanched’Ebiolo : (i) le couloir d’avalanche (ligne bleue) et (ii) la zone d’arret(cercle bleu)(source : www.regione.vda.it).


L’avalanche de projet a ete caracterisee par l’epaisseur et la vitesse suivantes :h1 = 1.50 m et u1 = 13.40 m s−1. La pente locale est ψ = 11◦, ce qui donne unnombre de Froude Fr = 3.52.

Dimensionnement de la hauteur de digue et angle de deviation

L’angle de deviation initial a ete fixe a ϕ = 64◦. Il faut noter que cette valeur estforte pour une digue de deviation. L’angle de deviation maximal pour considerer ladigue comme une digue de deviation est ϕmax = 37◦ [Eq.(3.3g)]. Notre digue est

54

3.3 Exemples en France

donc ici consideree comme une digue d’arret, i.e. ϕ = 90◦. Cela donne une vitessenormale un = u1 sinϕ = 13.40 m s−1 et le nombre de Froude correspondant a lavitesse normale a la digue est Fr⊥ = 3.52 [Eq.(3.3c)]. Le fruit de la face amont estα = 78◦ : nous considererons que k = 0.75 [Eq. (3.3d)]. La somme (i) de la hauteurcritique de digue pour laquelle l’avalanche passe d’un regime supercritique a sub-critique et (ii) de la hauteur critique d’ecoulement correspondante est : Hcr+hcr =5.5 m [Eq.(3.3a)].

Quand l’avalanche interagit avec la digue, le regime sub-critique dans le voisinagede l’obstacle se propage vers l’amont avec la formation d’un ressaut granulaire.L’epaisseur de ce ressaut est h2 = 8.3 m, avec δ = 0.47 [Eq.(3.3e)].

La valeur maximale de h2 et Hcr + hcr donc ici h2 = 8.3 m. Afin de prendreen compte les corrections geometriques dues au terme additionnel de hauteur dedigue, ∆Hk, cause par la force centripete [Eq.(3.3i) avec Rk ' 246 m], nous devonsconsiderer que H = h2 + ∆Hk = 8.3 + 0.7 = 9.0 m.


Dans cette partie, deux exemple sont prsents. Les deux sites sont situs dans lesAlpes franaises. Le premier traite de la digue d’arrt de Taconnaz dans la partienord des Alpes, dans la rgion de Chamonix–Mont-Blanc (Haute-Savoie). Le secondest celui de la digue d’arrt du Fougeret (Cialancier), dans la partie sud des Alpes,dans la rgion de Saint-Etienne de Tine (Alpes Maritimes).

3.3.1 Une digue d’arret

Nous considerons ici l’exemple de la digue d’arret terminale du couloir d’ava-lanche de Taconnaz, dans la region de Chamonix (Haute-Savoie, France). La digued’arret est construite en aval des tas freineurs mentionnes dans la section 1.4 dupresent document. La figure 3.3 donne la localisation de la digue d’arret : (i) couloird’avalanche (fleche rouge) et (ii) zone d’arret (cercle rouge). En vignette, on montrela localisation generale de Chamonix dans le massif du Mont-Blanc.


A l’aide de simulations numeriques basees sur les equations de Saint-Venant in-cluant un modele d’erosion–depot [59, 61], l’avalanche centennale a ete caracteriseepar l’epaisseur et la vitesse suivantes au niveau la digue d’arret : h1 = 7.5 m etu1 = 18 m s−1. La pente locale est ψ = 13◦, ce qui donne un nombre de FroudeFr = 2.1.

Dimensionnement de la hauteur de digue

Nous considerons ici une digue d’arret : ϕ = 90◦. L’angle de la face amont estautour de α = 75◦. Cette valeur est relativement elevee et combinee a un ecoulementrapide : on peut considerer k = 0.75. La somme (i) de la hauteur critique de digue

55


Figure 3.3: Localisation de la digue d’arret construite dans le systeme de protec-tion paravalanche de Taconnaz : (i) couloir d’avalanche (fleche rouge)et (ii) zone d’arret (cercle rouge). En vignette : localisation generalede Chamonix dans le massif du Mont-Blanc (source des images pourle photo-montage : www.geoportail.fr).

pour laquelle l’avalanche passe d’un regime supercritique a sub-critique et (ii) de lahauteur critique d’ecoulement correspondante est : Hcr + hcr = 13.5 m [Eq.(3.3a)].

Quand l’avalanche (ecoulement incident supercritique) interagit avec la digue,un regime sub-critique dans le voisinage de la digue se propage a l’amont avec laformation d’un ressaut granulaire. L’epaisseur de ce ressaut est h2 = 27.5 m, avecδ = 0.46 [Eq.(3.3e)].

La valeur maximum de h2 et Hcr + hcr est ici H = 27.5 m. Pour prendre encompte la geometrie locale (fruit de la face amont α, pente locale du terrain ψ), lahauteur de digue doit etre calculee selon l’Eq.(3.3j) avec ϕ = 90◦ : HD = cH, ouc = 0.91, ce qui donne HD = 25 m.

Un calcul classique [68] avec un ajustement du coefficient λ sur les donnees del’avalanche de fevrier 1999 (voir details dans [58]) est compatible avec ce resultat.It est remarquable que la hauteur de digue necessaire a stopper l’avalanche cen-tennale derivee (i) d’un modele reduit de laboratoire d’une part et (ii) de simula-tions numeriques basees sur les equations de Saint-Venant est aussi conforme auxresultats presentes ici [58]. En suivant la caracterisation de l’avalanche centennaleet ces calculs de hauteur de digue, il a ete decide d’augmenter la hauteur de digue

56


de 14 m (digue construite depuis 1991) a 25 m [58], afin de stopper et stocker levolume de l’avalanche centennale.

Il est important, in fine, de calculer l’espace disponible pour stocker le volumeselon la formule V = `

∫ x1

x0zl − (zs + hs)dx, ou zl represente l’elevation d’une ligne

droite depuis le haut de la digue vers le terrain amont avec une pente dans lagamme 0− 10◦ (de 0 pour la neige tres seche a 10◦ pour la neige tres frottante) et` est la largeur moyenne de la zone d’arret en amont de la digue (voir figure 7.1dans [43]). A Taconnaz, la capacite de stockage a ete estimee de cette maniere a2.5 Mm3 (calcul “statique“). Cependant, il doit etre garde a l’esprit qu’un volumesuperieur a 1.6 Mm3 (volume centennal) avec un nombre de Froude plus grandque 4.29 debordera du systeme de protection, comme cela a ete demontre par lessimulations numeriques.

3.3.2 Une digue de deviation

Nous considerons ici l’exemple d’une digue de deviation qui a ete construite surle couloir d’avalanche du Fougeret (Cialancier) dans la region de Saint-Etienne deTinee (Alpes-Maritimes, France). Figure 3.4 donne la localisation de la digue dedeviation : (i) couloir d’avalanche (fleche rouge) et (ii) zone d’arret (cercle rouge).En vignette, on montre la localisation generale de Saint-Etienne de Tinee.


L’avalanche de neige dense a ete simulee a l’aide d’un modele base sur les equationsintegrees dans l’epaisseur (Saint-Venant) [59, 61] avec les parametres suivants : hau-teur de depart egale a 1 m, epaisseur de la neige reprise egale a 0.4 m, coefficient defrottement statique µ = 0.24, coefficient de frottement dynamique ξ = 600 m.s−2

et MNT (modele numerique de terrain) fourni par le RTM (services de “Restau-ration des Terrains en Montagne”) avec un pas d’espace de 1 m. L’avalanche deprojet a ete caracterisee par l’epaisseur et la vitesse suivantes au niveau la digue dedeviation : h1 = 6 m et u1 = 13 m s−1. La pente locale est ψ = 18.4◦, ce qui donneun nombre de Froude Fr = 1.74.

Dimensionnement de la hauteur de digue et angle de deviation

Une digue de deviation de hauteur 12 m a initialement ete projetee (sur la basede la methode classique [68] avec λ voisin de 1.5) avec un angle de deviation moyenϕ = 25◦. Cela vaut la peine de signaler d’emblee qu’une telle valeur est relativementforte pour une digue de deviation. Cela donne une vitesse normale un = u1 sinϕ =5.5 m s−1 et un nombre de Froude correspondant a la vitesse normale a la digueFr⊥ = 0.74 [Eq.(3.3c)]. L’angle de la face amont est α = 30◦. Cette valeur estrelativement faible et combinee avec un ecoulement lent : nous considererons k = 1(par mesure de securite). La somme (i) de la hauteur critique de digue pour laquellel’avalanche passe d’un regime supercritique a sub-critique et (ii) de la hauteurcritique d’ecoulement correspondante est : Hcr + hcr = 5.2 m [Eq.(3.3a)].

57


Figure 3.4: Localisation de la digue de deviation dans le couloir d’avalanche duFougeret : (i) couloir d’avalanche (fleche rouge) et (ii) zone d’arret(cercle rouge). En vignette : localisation generale de Saint-Etienne deTinee (source des images pour le photo-montage : www.geoportail.fr).

58


Quand l’avalanche interagit avec la digue, le regime sub-critique dans le voisinagede l’obstacle se propage vers l’amont avec la formation d’un ressaut granulaire.L’epaisseur de ce ressaut est h2 = 11 m, avec δ = 0.58 [Eq.(3.3e)].

La valeur maximale de h2 et Hcr + hcr donc ici h2 = 11 m.Afin de prendre en compte les corrections geometriques dues au terme de hau-

teur de digue additionnel, ∆Hψ⊥ , cause par la pente du terrain vers la digue [seeEq.(3.3h)] d’une part et le terme de hauteur additionnel, ∆Hk, cause par la forcecentripete [Eq.(3.3i)] d’autre part, il devrait etre recommande d’estimer, si possible,les parametres suivants : la pente ψ⊥ du terrain dans la direction normale a l’axede la digue, la distance ξ le long de la digue depuis son extremite amont et le rayonde courbure Rk.

Cependant, il est d’abord necessaire de verifier la valeur de l’angle de deviation.Pour les digues de deviation, la nouvelle procedure europeenne [43] recommandeque l’angle de deviation soit plus petit que l’angle maximal ϕmax diminue de 10◦,

ou ϕmax = π2 −

23/4

Fr1/2− 21/4

6Fr3/2. Ici, le calcul donne ϕmax = 12◦. Le critere est donc

loin d’etre verifie, demontrant que la valeur de deviation initiale preconisee est tropelevee. Le calcul de hauteur de digue doit etre fait avec une valeur ϕ = 90◦, cequi donne H = max(Hcr + hcr, h2) = h2 = 18.9 m. Pour prendre en compte lageometrie locale (angle de pente de la face amont α, pente locale du terrain ψ etangle de deviation de la digue ϕ), la digue doit etre calculee selon l’Eq.(3.3j) avecϕ = 25◦ : HD = cH, ou c est trouve etre egal a 0.78, ce qui donne HD = 14.7m. Dans ce cadre, l’Irstea (ex-Cemagref) a recommande au RTM d’augmenter lahauteur de digue de 12 m a 14 m (au moins) et, surtout, de reduire la valeur del’angle de deviation de 25◦ a 15◦.

Des simulations numeriques de l’avalache de neige dense interagissant avec ladigue de deviation avec HD = 12 m et ϕ = 25◦ ont montre un debordementsignificatif (plus de 1 m) au niveau du centre de la digue. Ce resultat est conformeau calcul realise avec la procedure europeenne et presente ici.

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