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Journes Nationales Gnie Ctier Gnie Civil

Cherbourg, 12-14 juin 2012

DOI:10.5150/jngcgc.2012.082-N Editions Paralia CFL

disponible en ligne http://www.paralia.fr available online

Solution de renforcement des ouvrages maritimes vis--vis dela remonte du niveau des mers

Dang Trinh NGUYEN1

, Jrme BROSSARD1

1. Laboratoire Ondes et Milieux Complexes, UMR 6294, CNRS-Universit du Havre,53 rue de Prony, BP 540, 76058 Le Havre Cedex, [email protected] ; [email protected]

Rsum :

La surlvation du niveau des mers associe aux changements climatiques ncessite

denvisager des solutions de renforcement des ouvrages de protection maritimes.Diverses solutions sont testes en canal houle avec comme objectifs de conserver lesdbits de franchissement de projet pour un scnario "moyen" et un scnario "extrme"de surlvation du niveau moyen des mers et ocans de 0,5 m et de 1 m.Mots-cls : Digues maritimes Franchissement ouvrages Renforcements ouvrages

1. Introduction

Une des consquences attendues du changement climatique est la remonte du niveaudes mers et ocans. Le 4me rapport d'valuation du GIEC (2007) synthtis par

lONERC (2010) propose un scnario dit "optimiste" de surlvation de 0,40 m et unscnario "pessimiste" avec une surlvation de 0,60 m lhorizon 2100. Certainsscnarios dits "extrmes" proposent des surlvations possibles de 1 2 m. Cettevariation de niveau moyen, en elle-mme, et les effets induits sur laugmentation deshauteurs de vagues louvrage conduisent des franchissements accrus des ouvragesmaritimes de protection et donc des alas dinondation ainsi qu des alas surlexploitation des zones abrites non pris en compte dans les cahiers des charges deconception initiaux. Ds lors la question du renforcement des ouvrages existants se

pose. Celle ci a fait lobjet, en 2010 et 2011 du programme national GICC- SAOPOLO

(GICC : Gestion et Impacts du Changement Climatique, programme pilot par leMinistre de lEcologie, du Dveloppement Durable, des Transports et du Logement ;SAOPOLO : Stratgies dadaptation des ouvrages de protection marine ou des modesdoccupation du littoral vis--vis de la monte du niveau des mers et des ocans,coordonn par le CETMEF).Un recensement des ouvrages de protection ralis dans le cadre de ce programme a misen vidence que plus des trois quarts des ouvrages sont des digues talus (Chapitre 1 durapport provisoire SAOPOLO en cours de finalisation). Parmi ceux-ci le programme adistingu les ouvrages dits "maritimes" et les ouvrages ctiers comme les hauts de

plage. Les moyens et la dure du programme tant limits il a t dcid dtudier les

perrs impermables et les carapaces en enrochement dans le cadre des ouvrages ctiers

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Thme 4 Ouvrages portuaires et offshore

et les carapaces en blocs artificiels dans le cas des digues maritimes implantes dans deszones plus grande profondeur. Pour ces diffrents ouvrages, des bathymtries et dessections types ont t dfinies. Celles-ci ont t juges reprsentatives des ouvrages dulittoral franais par des experts participant au programme (Chapitre 1 du rapport

provisoire SAOPOLO).Dans le cadre de ce programme le Laboratoire Ondes et Milieux Complexes deluniversit du Havre a t charg dtudier exprimentalement des solutions derenforcement dun ouvrage maritime type pour un scnario de surlvation dit "moyen"de 0,5 m et un scnario "extrme" de 1 m.

2. Ouvrage de rfrence et conditions exprimentales

Lobjectif dtudier diffrentes solutions de renforcement de digues maritimesexistantes nous a conduit choisir comme ouvrage de rfrence type une digue talusavec carapace en blocs artificiels type BCR (blocs cubiques rainurs dits aussidAntifer). Ce type douvrage nous a sembl assez reprsentatif du point de vue de lavarit des digues existantes et des solutions de renforcement envisages. De mme, une

profondeur deau en pied douvrage de h=7 m pour le niveau moyen de rfrence a tjuge reprsentative de lensemble des digues maritimes franaises.Plutt que de partir des plans dun ouvrage existant, nous avons choisi de dimensionnerune digue "virtuelle", dite de rfrence, en utilisant les rgles de lart actuelles partir

de conditions de bathymtrie et de climat de houle donns.Les dimensions des matriaux utiliss autant que la cote darase de la digue sontdtermins par les points de vue franchissement et stabilit de la carapace.La figure 1 prsente la section de rfrence de la digue.

Figure 1. Section droite de la digue (en italique : valeurs lchelle nature).

Afin de comparer les rsultats exprimentaux obtenus avec les modles semi-empiriques (franchissement avec OWEN (1980) et stabilit de la carapace avec VANDER MEER (1988)) utiliss aujourdhui par les concepteurs douvrages et,

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ventuellement, de proposer des modifications de ces modles prenant en compte lesrenforcements, nous avons choisi de ne pas seulement raliser des mesurescorrespondant aux conditions extrmes de houle mais de faire des campagnes demesures pour quatre valeurs de priodes moyennes Tmet plusieurs hauteurs Hsde houle

pour chacune de ces priodes. Les plages de variation de ces grandeurs ont tsupposes reprsentatives par lensemble des participants au programme SAOPOLOdes climats de houle auxquels sont soumis les ouvrages maritimes.Les conditions exprimentales sont :-priode moyenne : 7 s Tm11 s ;- hauteur significative (houle au large) : 5 m Hs010 m ;-pente des fonds devant louvrage : 2% ;

-

hauteur deau initiale, de rfrence, en pied douvrage : h=7 m ;- dure des essais : 3 h.Les essais de franchissement sont raliss dans un canal houle de 26 m de long, 0,88m de large et 1,2 m de hauteur do une chelle gomtrique pour les essais de 1/30,5.Les volumes de franchissement sont rcuprs dans un bac en arrire de louvragestendant sur toute la largeur du canal. Une pompe permet de vider en continu le bacavec rinjection en amont afin de conserver le niveau deau dans le canal. Une mesuredes volumes de franchissement est assure par des compteurs eau. Le dbit moyen defranchissement par mtre linaire (m3/m/s) est dtermin par :

BtVq

o Vest le volume total deau ayant franchi la digue durant la dure de lessai, test ladure de lessai etBla largeur du canal.

3. Effets dune surlvation du niveau moyen de 0,5 m sur les franchissements

Des essais ont t raliss pour mesurer les effets dune lvation du niveau moyen de0,5m sur les franchissements pour la digue de rfrence sans renforcement. La hauteurdeau passe donc de 7 m 7,5 m en pied douvrage. La figure 2 prsente les rsultats

obtenus pour les quatre priodes testes.Les dbits de franchissement sont fortement accrus pour cette surlvation de 0,5 m duniveau moyen. Les formules semi-empiriques de franchissement (par exemple : OWEN,1980 ; BESLEY, 1999 ; VAN DER MEER, 1998) montrent queffectivement le dbitde franchissement crot exponentiellement avec la diminution du franc bord Rc delouvrage.Lobjectif de ltude tait dimaginer des solutions de renforcement permettant deretrouver des volumes de franchissement de rfrence pour ce cas de surlvation"moyen".4. Renforcement pour un scnario "moyen": h=0,5 m

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Les tests raliss avec diffrentes valeurs de rehausse du mur de couronnement, nousconduisent, pour limiter les dbits de franchissement aux valeurs de rfrence,

proposer un accroissement de hauteur du mur de 1,5 m pour cette surlvation duniveau moyen de 0,5 m.La figure 2 donne les volutions des dbits de franchissement obtenus avec lerenforcement propos en comparaison avec ltat de rfrence (h=7 m) et lecomportement de la digue non renforce avec une surlvation du niveau moyen de0,5 m.

Figure 2. Comparaison des dbits de franchissement pour : ltat de rfrence et une

surlvation de 0,5 m sans et avec une rehausse du mur de couronnement de 1,5 m.

Il faut noter que les rsultats prsents ici sont relatifs aux couples (H s,Tm) incidents

dduits des spectres incidents et rflchis mesurs juste devant louvrage. Des consignesidentiques imposes au gnrateur de houle pour les diffrents tests ne conduisent pasexactement aux mmes couples (Hs,Tm) incidents cause de conditions de rflexion delouvrage lgrement diffrentes suivant le niveau deau et les multi-rflexions entre

batteur et ouvrage.Avec ce renforcement par rehaussement du mur de couronnement de 1,5 m les dbits defranchissement sont voisins de ceux obtenus dans les conditions de rfrence sur les

pages de variation de hauteurs et de priodes de vagues.Dans ces conditions, nous avons constat que la stabilit de la carapace tait assure.

5. Renforcement pour un scnario "extrme" : h=1 m

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Contrairement au cas prcdent, il a t impossible, pour la plupart des tests, de mesurerles dbits de franchissement avec la digue non renforce et la surlvation de 1 m. Eneffet, ceux-ci taient beaucoup trop importants pour tre "vacus" suffisamment vite

par le systme rservoir de rcupration-pompe ; des volumes de plus de 2 m3peuventtre atteints sur la dure dun essai de lordre de 2000 s (chelle modle).Pour ce scnario six solutions de renforcement ont t envisages.

5.1 Rehausse du mur de couronnement avec ou sans bquet de dflexionPour cette condition "extrme" nous avons constat quun rehaussement du mur decouronnement de 2,1 m avec un bquet de dflexion permettait de limiter lesfranchissements aux valeurs de rfrence. Cependant, ce type de solution accrot

fortement la rflexion sur louvrage et engendre des vitesses importantes autour desblocs de la carapace. Ces phnomnes induisent alors une augmentation importante desmouvements des blocs conduisant des taux dendommagement dpassant les seuilsadmissibles.Ce constat conduit envisager dautres solutions de renforcement qui suivent deuxlogiques diffrentes : diminution de lnergie de la houle louvrage en construisantune digue dtache submerge en amont de louvrage ou renforcement de la carapace dela digue principale par ajout de blocs soit sous forme de berme en pied douvrage soitsous forme dune troisime couche.

5.2 Digue dtache avec immersion de 3,7 mCette configuration, prsente sur la figure 3, ne permet pas de rduire suffisamment lesfranchissements. Une variante consiste augmenter la hauteur de la digue dtache.

Figure 3. Configuration avec digue dtache immerge 3,7 m.

5.3 Digue dtache avec immersion de 1,98 mLa rduction dimmersion accrot les risques dinstabilit par rosion du matriauconstitutif ; do le choix dutiliser le mme matriau que prcdemment comme noyaumais recouvert dune couche de blocs artificiels (typeANTIFER) identiques ceux de lacarapace de la digue principale. Cette configuration permet de rduire limmersion

1,98 m.

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Cette configuration ne permet pas non plus datteindre les valeurs initiales defranchissement.

5.4 Berme en pied douvrageAfin de rendre conomiquement comparable cette solution avec la prcdente nousavons choisi dutiliser les mmes blocs artificiels et en mme nombre que

prcdemment (figure 4).

Figure 4. Profil de la digue principale avec une berme de BCR sur 2 couches.

Cette configuration ne permet pas non plus de rduire suffisamment le franchissement.

5.5 Troisime couche de blocs artificiels sur la carapaceToujours pour mieux comparer les diffrentes solutions nous avons choisi de placer lesmmes blocs artificiels et en mme nombre que prcdemment pour constituer unetroisime couche pour la carapace.Cette solution permet de rduire les franchissements de faon plus efficace que lessolutions prcdentes (digue dtache et berme) ; cependant les dbits restent encoresuprieurs aux valeurs de rfrence.Une variante consiste rendre le haut de carapace moins permable en surlevant lemur de couronnement.

5.6 Troisime couche de blocs artificiels sur la carapace et rehausse du mur decouronnementUne rehausse jusquau niveau suprieur de la carapace permet datteindre les objectifsviss concernant le franchissement et la stabilit de la carapace (figure 5).La figure 6 montre que sur toute la plage de priodes testes, les volumes defranchissement obtenus avec cette solution de renforcement sont infrieurs aux valeurscorrespondant la configuration de rfrence.

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Figure 5. Digue avec carapace de 3 couches de BCR et rehausse du mur de

couronnement de 1,5 m.

Figure 6. Dbits de franchissement pour une carapace 3 couches de BCR et une

rehausse du mur de couronnement de 1,5 mAu vu des rsultats on pourrait envisager des blocs moins. Cependant la marge doit trerelativement faible pour deux raisons. Dune part des blocs de dimension moindre pourla troisime couche rduirait la porosit et donc la dissipation dnergie et doncfavoriserait les franchissements. Dautre part des blocs de poids moindre poseraient

probablement des problmes de stabilit.

6. Conclusion

De la modlisation physique ralise on peut dduire quune solution de renforcement

vis--vis du franchissement par une rehausse du mur de couronnement convient pour

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des surlvations du niveau moyen ne dpassant pas 0,5 m ce qui entre dans le cadre desprvisions actuelles lchelle du sicle. Lintrt de cette solution rside dans sonapplication pouvant tre progressive dans le temps. Deux problmes restent rsoudre :le dimensionnement de la modification du mur de couronnement du point de vue de sarsistance structurelle et lacceptation dune plus grande obstruction de lhorizon. Pourdes surlvations de niveau moyen "extrmes", des solutions ayant des consquencesstructurelles sur lensemble de louvrage doivent tre envisages. Le renforcement de laseule partie suprieure de louvrage ne semble pas suffisant pour conserver lintgrit delouvrage ; laugmentation de lpaisseur de la carapace par une troisime couchedenrochement constitue une solution viable.Lobjectif principal du programme SAOPOLO est de fournir aux matres douvrages

des indications sur des solutions de renforcement des ouvrages vis--vis de la remontedu niveau moyen des mers. Ainsi, une partie du programme est consacre lvaluationdes cots conomiques et socitaux associs aux inondations, donc auxfranchissements. Une telle analyse des cots de renforcement par rapport aux bnficesdoit sappuyer sur des modles prdictifs de franchissement tels ceux dOWEN (1980)ou de VAN DER MEER (1998) par exemple. A partir des essais physiques raliss, en

partie rapports ici, nous avons pu mettre en vidence une relative inadaptation de cesmodles semi-empiriques pour les cas de forts franchissements. Des propositions demodifications de ces modles, non prsentes ici, ont t labores pour des

configurations de digues en enrochement faible cote darase.

7. Rfrences bibliographiques

BESLEY P. (1999). Wave overtopping of Seawalls. Design and Assessment Manual.Hydraulics research Wallingford. R&D Technical Report W178.GIEC (2007).Bilan 2007 des changements climatiques. Contribution des Groupes detravail I, II et III au quatrime Rapport dvaluation du GIEC sur lvolution du climat[quipe de rdaction principale, Pachauri, R.K. et Reisinger, A.]. GIEC, Genve,Suisse, 103 p.

ONERC (2010). Prise en compte de l'lvation du niveau de la mer en vue del'estimation des impacts du changement climatique et des mesures d'adaptationpossibles. Synthse n 2, fvrier 2010, disponible sur :URL : http://www.developpement-durable.gouv.fr/IMG/pdf/synth_niveau_mer.pdfOWEN M.W. (1980). Design of seawalls allowing for wave overtopping. HydraulicsResearch, Wallingford, Report No. EX 924, UK.VAN DER MEER J. W. (1988). Stability of cubes, tetrapods and Accropode. Design ofbreakwaters.Proc. Conf. breakwaters88, Eastbourne, 4-6 mai 1988, Londes, pp 59-68.VAN DER MEER J. W. (1998). Wave Run-Up and Overtopping. Chapter 8 in: "Dikesand Revetments: Design, Maintenance and Assessment". Published by A.A. Balkema.

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