Protection contre les érosions du litProtection contre ... · Aménagements de cours d’eau...

ÉC OLE POLY TEC H NIQU EFÉDÉRALE D E LAUSAN NE

Laboratoire de constructions hydrauliques

Aménagements de cours d’eau

Protection contre les érosions du litProtection contre les érosions du lit

Augmentation de la résistance du litlit artificiel (canal bétonné)pavage du lit par des blocs en pierre (couche de pavage artificiel)renforcer le lit par de gros blocs (rocher ou éléments en béton)

Réduction de la pente du litfixation du lit par des traversées (seuils en bois, pierres de taille, béton)fixation du lit par des rampes de blocschangement du tracé du cours d'eau (prolongement du talweg par des méandres, etc.)

Diverses possibilités




Protection contre les érosions du litProtection contre les érosions du lit

Elargissement du litélargissement sur longues distancesélargissement localdérivation partielle du cours d'eau dans un lit secondaire

Intervention sur le transport soliderenversement du gravier dans le cours d'eau (localement à l'amont du tronçon érodé)

Diverses possibilités (suite)




Stabilisation des lits contre l'érosion

Stabilisation des lits contre l'érosion

Fixation du lit par des ouvrages transversaux: a) seuil; b) coursier bétonné; c) rampe de blocs; d) rampe de blocs à grande rugositée) coursier avec pavage artificiel; f) seuils en bois




Stabilisation des lits contre l'érosionStabilisation des lits contre l'érosion

Fixation du lit par des ouvrages transversaux: g) seuil de fixation en blocs, h) seuil de fixation en bois; i) traversée; k) seuil en bois avec

refuge pour poissons




Rampes en blocs – Types et conceptRampes en blocs – Types et concept

rampes fixes en béton (revêtues de pierres en taille)

Type et matériaux Rugosité de surface

très lisse

rampes fixes en blocs de rocher placésdans une couche de béton assez rugueux

rampes mobiles en gros blocs posées en espaces réguliers rugueux

rampes mobiles en gros blocs posées enespaces irréguliers (en remblai) très rugueux




Rampe dénoyée construite en blocs

hcr

Ligne d'énergie

Lit normal

Lit pendant la crue

Rampe noyée construite en blocs

Conditions d'écoulement sur une rampe lisse et une rampe rugueuse. Influence de la rugosité sur l'affouillement au pied.

Fonctionnement hydraulique des rampes en blocs

Fonctionnement hydraulique des rampes en blocs




Dimensionnement des rampes en blocsDimensionnement des rampes en blocs

Processus lors de la destruction

l'érosion directe des blocs, c'est-à-dire l'instabilité des blocs particuliers due aux forces d'écoulement (renversement, glissement et transport par l'écoulement)

l'érosion indirecte de la rampe par lavage des matériaux du lit situé au-dessous se fait à travers les joints entre les blocs

l'affouillement du pied stabilisant de la rampe




Erosion directe de la rampe par l'instabilité des blocs particuliersErosion directe de la rampe par l'instabilité des blocs particuliers

Critère empirique selon Whittaker, Jäggi (1986):

avec q : débit par mètre de largeur sur la rampe [m3/s] s : densité des blocs par rapport à l'eauD : diamètre des blocs [m]J : pente de la ligne d'énergie sur la rampe

(en cas d'un enrochement uniforme égal à la pente du lit)

=⋅ − ⋅

7 / 6365

0.257( 1)

qJg s D




Erosion indirecte de la rampe par lavage de la fondationErosion indirecte de la rampe par lavage de la fondation

Modes de rupture possiblesD/dm > 17: affaissement des blocs dans le lit mobile de la fondationD/dm < 6 : gros blocs glissent sur la fondation à cause de leur

exposition importanteEquation empirique pour D/dm > 10 selon Whittaker, Jäggi (1986)

avec q : débit unitaire sur la rampe [m3/sm]J : pente de la ligne d'énergie sur la rampeD : diamètre équivalent d'une sphère ayant le poids des blocs moyens [m]d65 : diamètre caractéristique des matériaux du lit de la fondation de la rampe [m]β : densité de pose des blocs en t/m2

ρs : densité des matériaux solides (blocs, lit) [t/m3]

βρ

⎛ ⎞− ⎛ ⎞= ⋅ ⋅ ⋅⎜ ⎟ ⎜ ⎟⋅ ⎝ ⎠⎝ ⎠

2.35 22.3565

0.85 1.9

114.47s

dsq gD J D




Affouillement du pied de la rampeAffouillement du pied de la rampe

Empêcher l'affouillement du pied de la rampe par l'aménagement d'une surface rugueuse sur la rampeEstimation de l'affouillement au pied avec l'équation Tschopp-Bisaz (1972)

avec S : profondeur de l'affouillement au-dessous du niveau d'eau [m]q : débit unitaire sur la rampe [m3/sm]v : vitesse d'écoulement au pied de la rampe [m/s]d90 : diamètre caractéristique des matériaux du lit [m]

= ⋅ ⋅ − 900.85 7.125S q v d




Mesures constructives contre l'affouillement du pied des

rampes en blocs

Mesures constructives contre l'affouillement du pied des

rampes en blocsTapis en blocs

Lit construit

Affouillement

NWNiveau d'étiage

Prolongation de la rampe jusqu'àla profondeur maximale de l'affouillement

Stabilisation du pied avec des rails de chemin de fer ou des pieux (selon Jäggi 1999/2000).




Disposition d'une rampe incurvée en planDisposition d'une rampe incurvée en plan

Afouillement



Aménagements de cours d’eauStabilisation des lits par un lit artificielStabilisation des lits par un lit artificiel



Aménagements de cours d’eauCouche de pavage artificielCouche de pavage artificiel




Théorie du charriage - début du mouvementThéorie du charriage - début du mouvement

Sous-couche du lit(charriage permanent)

Hauteur d'eau hcr pour laquelle le début du mouvement se produit:

Jd 1)-(s cr crh mUSθ=

J : pente de frottement.θcr : contrainte de cisaillement critique adimensionnelle

θcr > 0.047 charriage bien développé.θcr = 0.03 - 0.047 pas de charriage régulier.θcr< 0.03 aucun mouvement.

dmUS : diamètre moyen des grains de la sous-couche.s : densité spécifique s = ρs/ ρ.

Pavage du litHauteur d'eau hcr pour laquelle le pavage du lit est détruit.

a) avec dmDS = d90 US

Jd )1s( h US90cr

cr−θ=

b) selon Günter

(granulométrie du pavage connue)

(0.4% < J < 2%)

67.0

dd

Jd)1s(crcrh

mUS

mDSmDS

⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛−θ=

1

1

2

2




Le début du charriageLe début du charriage

Diagramme de ShieldsContrainte de cisaillement

adimensionnelle

( )d 1s g −ρτ

=θ

( ) d 1sJ h

−=θ

(par définition)

h : hauteur d’eau

J : pente de frottement

d : diamètre des grains

s : 7.26.2s ÷=ρρ

h<<b

3/1

2s

50*gdd ⎟

⎠

⎞⎜⎝

⎛υρ

ρ−ρ=Diamètre adimensionel

crθ=θθ




Stabilisation des lits par des gros blocs

Stabilisation des lits par des gros blocs



Aménagements de cours d’eauRenforcement du lit avec des gros blocsRenforcement du lit avec des gros blocs




Renforcement du lit avec des gros blocsRenforcement du lit avec des gros blocs




Calcul hydraulique en considérant de gros blocsCalcul hydraulique en considérant de gros blocs

résistance hydraulique des matériaux de base du lit (sans gros blocs)

cs

Rs: rayon hydraulique de l'écoulement sur le lit

ks: élément de rugosité déterminant des matériaux de base du lit ks = 1.5 dmD

dmD : diamètre moyen de la couche de pavage des matériaux debase (dmD ≈ d90)

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛==

s

s'*

mkRIn.

VV 1252





résistance hydraulique des blocs résiduels

cb

kb: élément de rugosité déterminant des blocs résiduels

D: diamètre équivalent du bloc résiduel

a: concentration adimensionnelle de surface des blocs résiduels ≈ n · D2

n = concentration de surface des blocs résiduels [m2]

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛==

b

s'*

mkRIn.

VV 1252

Dkb = ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −

Dh..a 470817





résistance totale du lit

vitesse moyenne d'écoulement (loi de Chézy)

calcul de la pente réduite du lit J'

et ainsi

222111

bs ccc+=

JRgcV sm ⋅⋅=

'JRgV s'* ⋅=

'JRgJRgc

VVc

s

s'*

ms ==

2

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

sccJ'J





dm: diamètre moyen de la sous-couche des matériaux de basedu lit (sans blocs résiduels)

m

sd)s('JR

1−⋅

=θ

Contrainte adimensionnelle agissant sur les matériaux de base du lit





θc : coefficient de Shields pour un lit comparable composé de grains unitaires (θc = 0.05)

dmD: diamètre moyen de la couche de pavage des matériaux de base(dmD ≈ d90)

Résistance des matériaux de base selon Günter (1971)

Condition limite pour l'érosion de la couche de pavage

32 /

m

mDccD d

d⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= θθ

θ > θcD




Stabilisation des lits des des rives par des blocs artificielStabilisation des lits des des rives par des blocs artificiel

q* = 0.4 J-1/3

selon Bezzola, 2005

q* =

qg(s −1)V

Vnˇ c =

6.25q2

J−2/3g(s −1)




Renforcement des lits par des seuils

Renforcement des lits par des seuils




Buts et inconvénients des seuilsButs et inconvénients des seuils

Stabiliser le lit des rivières à forte penteDiminuer la pente du lit pour obtenir la pente d'équilibre

Comme déversoirs dénoyés pour les débits égaux ou inférieurs au débit de dimensionnement

Obstacle à la libre migration de poissons;Fondation profonde pour garantir la stabilité des affouillements au pied;Réalisation difficile en présence de l'eau (dérivation coûteuse du cours d'eau pendant la construction).

ButsButs

FonctionnementFonctionnement

InconvénientsInconvénients




Dimensionnement et emplacement des seuilsDimensionnement et emplacement des seuils

Ecoulement sur les seuils avec le coefficient de débit Cd = 0.326 pour un seuil large

Alluvionnement du lit par les seuils:

Hauteur nécessaire du seuil:avec d'environ 0.5 à 1.0 m

Distance maximale entre les seuils:

= ⋅ ⋅ 3 / 22dQ C b g H

∆ = − ⋅0( )h J J L

≥ ∆ + ∆ ≥ − ⋅ + ∆0( )crs h z J J L z∆z

− ∆ ∆≤ =

− −max0 0cr cr

s z hLJ J J J

JJ0

S

∆Z

∆h

J

L

JJ0

S

∆Z

∆h

J

L




Estimation de l'affouillement au pied des seuilsEstimation de l'affouillement au pied des seuils

granulométrie grossière du lit (Kotoulas, 1973)

granulométrie fine du lit (Tschopp/Bisaz, 1972)

avec S : profondeur de l'affouillement au-dessous duniveau d'eau à l'aval du seuil

q : débit spécifique sur le seuil (= Q/b)H : différence entre les charges amont et aval du seuild90 : diamètre caractéristique des grains du lit

⋅=

0.35 0.7

0.490

0.78 H qSd

= ⋅ ⋅ −0.5 0.25902.76 7.22S q H d




Traversées – Utilisation et fonctionnementTraversées – Utilisation et fonctionnement

ouvrages transversaux ou seuils àfaible hauteur, espacés étroitement, pour la stabilisation du litconditions d'écoulement sur les traversées

a) petits débits avec écoulement critique sur les traversées (déversoir dénoyé), comportement similaire aux seuils

b) écoulement avec surface ondulée, l'affouillement que se produit est analogique aux dunes ou anti-dunes

c) écoulement fortement torrentiel avec une forte érosion à l'amont des traversées




Dimensionnement des traversées

Dimensionnement des traversées

calcul non explicite avec l'hypothèse sur la pente réduite J', le rayon hydraulique Rb, le niveau du lit pour hm

il en résulte:

ymax est inconnu et doit donc être estimé au début du calcul.

Puis, avec une loi de vitesse connue (Strickler ou Keulegan) on obtient

Le calcul des pertes de forme selon Bordat-Carnot donne: avec L comme distance entre les traversées.

avec la condition la valeur ymax peut donc être trouvée par itération

= +, 2max

b b redyR R

= ( , ')m bv f R J

⎛ ⎞= ⎜ ⎟⎜ ⎟+⎝ ⎠

22

max

, max

1''2

m

b red

yVJg R y L

= +' ''J J J




Dimensionnement des traverséesDimensionnement des traversées

Affouillement maximal sans apport de charriage

avec L : distance entre les traverséesq : débit spécifique

Cette équation est valable pouret 1.39‰ (qB : débit solide spécifique)

⋅ ⋅= ⋅

− ⋅

0.5 0.5 0.67

0 max 0.25 0.4290

1.25( 1)

q J Lys g d

< <9010 / 340L d

ρ= <

⋅* B

s

qqq




Dimensionnement des traverséesDimensionnement des traversées

Affouillement avec apport de charriage

Sécurité contre le changement du régime

Profondeur maximaled'eau

ρ

⎛ ⎞= − ⋅ ⋅⎜ ⎟

⎝ ⎠

=⋅

0.12max 0 max

90

1 0.53 *

avec * B

s

Ly y J qd

qqq

<max 0.2y L

= ⋅− ⋅ ⋅ ⋅

0.88

max 0.44 0.3 0.02 0.0990

10.9( 1)

qzs g d L J




Types de traverséesTypes de traversées




Traversée en bois avec refuge pour poissons

Traversée en bois avec refuge pour poissons

refuge pourpoissons

3 5

41 1

6

2




Kl. Schliere, AlpnachKl. Schliere, Alpnach



Aménagements de cours d’eauUnwetter August 2005Kl. Schliere, Alpnach

Unwetter August 2005Kl. Schliere, Alpnach

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Protection contre les érosionsProtection contre les érosions

Augmentation de la résistance du litlit artificiel (canal bétonné)pavage du lit par des blocs en pierre (couche de pavage artificiel)renforcer le lit par de gros blocs (rocher ou éléments en béton)

Réduction de la pente du litfixation du lit par des traversées (seuils en bois, pierres de taille, béton)fixation du lit par des rampes de blocschangement du tracé du cours d'eau (prolongement du talweg par des méandres, etc.)

Diverses possibilités




Protection contre les érosionsProtection contre les érosions

Elargissement du litélargissement sur longues distancesélargissement localdérivation partielle du cours d'eau dans un lit secondaire

Intervention sur le transport soliderenversement du gravier dans le cours d'eau (localement à l'amont du tronçon érodé)

Diverses possibilités (suite)

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