Génération de vagues impulsionnelles par l'impact d'un écoulement granulaire

La submersion des zones côtières par des vagues de dimensions hors normes est une catastrophe naturelle désastreuse. Parmi elles, les vagues impulsionnelles générées par l’impact d’un glissement de terrain, représentent une menace importante, dont il est essentiel de prédire les mécanismes de génération. Dans cette étude, le phénomène est modélisé par un dispositif expérimental en 2D utilisant un écoulement granulaire accéléré le long d’une pente lisse comme générateur de vagues impulsionnelles. Un aspect essentiel de la prédiction réside dans la modélisation physique de l’écoulement granulaire avant d’impacter l’eau, dont la description est encore aujourd’hui partielle. Ainsi, cette thèse est découpée en deux parties, la première traite des vagues impulsionnelles et la seconde de l’écoulement granulaire, toutes deux par une approche expérimentale.

Dans les écoulements naturels, le volume du glissement de terrain réellement impliqué dans la génération des vagues n’est pas nécessairement connue, d’où découle une indétermination sur le lien entre volume de dépôt et structure des vagues. Celle-ci est levée par l’originalité du dispositif utilisé, dont l’approvisionnement en grains est continu, procuré par un écoulement le long d’une pente lisse. Ainsi, le volume de l’écoulement granulaire impliqué dans la génération devient un observable du problème. Lors de l’impact du glissement avec l’eau, le phénomène étudié consiste en un transfert d’énergie entre l’écoulement granulaire et les vagues générées ; caractérisé par un nombre de Froude. Il s’avère que les propriétés de l’écoulement sec sont insuffisantes pour caractériser les vagues. En particulier, la dynamique sous-marine influence la génération pendant un temps fini, via le couplage entre la dynamique des grains et l’hydrodynamique locale. Ainsi, il est montré que l’amplitude maximale de la vague est régie par un nouveau nombre de Froude, basé à la fois sur les propriétés de l’écoulement granulaire sec et immergé. Par ailleurs, la position du front du dépôt granulaire peut être considérée comme un indicateur de la dynamique immergée, à condition de prendre en compte les propriétés d’impact. Combinés, ces deux résultats appuient le rôle crucial de la dynamique immergée sur la génération, au-delà des seuls paramètres d’impact. Finalement, suite à ces observations, deux modélisations basées sur la propagation d’une perturbation en théorie linéaire sont testées. On distingue deux régimes en fonction de la vitesse d’impact du granulaire, un modèle d’impulsion continue caractérise étonnement bien les vagues générées à faibles vitesses d’impact, pour lesquelles la dynamique immergée influence peu la génération. En revanche, les vagues générées à forte vitesse d’impact sont mieux caractérisées par une dynamique simplement basée sur la vitesse du front de l’écoulement granulaire sous l’eau.

L’écoulement granulaire le long d’une pente lisse, utilisé comme générateur dans la partie précédente, est étudié indépendamment afin d’en affiner la description et d’améliorer les modèles physiques existants. L’écoulement granulaire est généré depuis un réservoir ouvert sur une hauteur finie, et s’écoulant le long d’une pente lisse, d’inclinaison variable. La mesure de son débit, son épaisseur et ses vitesses à la fois en surface et au fond, sont réalisées, afin d’étudier le régime stationnaire et sa dynamique d’établissement. Ce dernier est défini par un temps caractéristique qui ne dépend que de l’inclinaison de la pente, tandis que l’état stationnaire est décrit en termes de modélisation hydrodynamique. Il est obtenu qu’un régime sous- critique est rendu possible par une rhéologie complexe, dont le coefficient de frottement varie avec le nombre de Froude de l’écoulement.

L’ensemble de ces travaux amène une nouvelle vision sur les écoulements granulaires sur pente lisse et leur rôle sur la génération de vagues impulsionnelles.