Article de recherche / Research Article

Apports de la modélisation physique avec distorsions pour l'analyse des cours d'eau sableux : exemple de la Loire aval

Physical modeling with distortions contributions for the analysis of sandy water courses: downstream Loire River case

¹ Centre d'Analyse Comportementale des Ouvrages Hydrauliques, Compagnie Nationale du Rhône, 4, rue de Chalon sur Saône, 69007 Lyon, France
² École Nationale du Génie de l'Eau et de l'Environnement, 1, quai Koch, B.P. 61039, 67070 Strasbourg Cedex, France

^* Correspondance : d.alliau@cnr.tm.fr

Reçu : 19 Décembre 2018
Accepté : 24 Mars 2020

Résumé

Création de 700 épis dans le dernier siècle, extractions massives de sable réalisées pour les besoins de l'industrie … ces actions anthropiques ont eu des conséquences graves sur le fonctionnement de la Loire : enfoncement du lit, et mauvaise alimentation des annexes fluviales notamment. Dans le cadre du plan Loire IV (2014–2020) financé notamment par l'Union européenne, et dont la maîtrise d'ouvrage est en partie portée par Voies Navigables de France (VNF), la réalisation d'un ouvrage de correction sédimentaire a été proposée au voisinage de Nantes, avec l'objectif d'engendrer un remous solide régressif. Pour les études conception morpho-sédimentaires, la Compagnie Nationale du Rhône (CNR) a proposé une modélisation hybride ou composite, qui s'appuie notamment sur un modèle numérique 2D hydro-sédimentaire ainsi qu'un modèle physique de grande dimension : 1/100 pour l'échelle de longueur avec un facteur 2 de distorsion verticale, 1/33 pour l'échelle de densité des matériaux. Ce modèle à fond mobile a été conçu pour satisfaire à deux lois de similitudes dont la combinaison produit des distorsions géométriques et de densité des matériaux. La complexité d'un tel modèle impose un grand nombre de vérifications par l'expérience qu'il faut confronter aux approches théoriques de dimensionnement : du comportement granulaire aux macro-phénomènes (dunes). Un jeu de 341 dunes formées en laboratoire pendant plus de 50 essais a été analysé selon deux axes : le premier concerne la caractérisation géométrique (hauteur, longueur) grâce à la disponibilité de Modèles Numériques de Terrain capturés par un procédé de photogrammétrie submergée, et le second est focalisé sur la vitesse de migration des dunes par Large Scale Particle Image Velocimetry (LSPIV). L'ensemble des analyses réalisées a montré la très bonne adéquation entre les résultats de laboratoire et les phénomènes ligériens de transport de sable.

Abstract

Creation of 700 groynes in the last century, massive sand extractions carried out for the needs of the industry... these human activities have had serious consequences on the functioning of the Loire River: incision of the bed, and a reduced water and sediment input in the lateral channels. During the plan Loire IV (2014–2020) funded by the European Union, and whose contracting authority was supported by Voies Navigables de France (French Waterways Administration), the construction of a structure has been proposed in the vicinity of Nantes, with the goal of generating a solid backwater. For morpho-sedimentary design studies, Compagnie Nationale du Rhône (Rhône River National Company) proposed a hybrid model, which is based on a physical model of large dimension: 1/100 for planimetry scale with a vertical distortion (by a factor 2), 1/33 for relative density of materials. This movable bed model is designed to fulfill Froude similitude and Shields similitude at the same time, which is a combination between geometric distortions and density distortions. Such a complex model requires a large number of controls and theses experiences have to be confronted to theoretical design rules: from granular behavior to macro phenomena dynamics (dunes). For instance, 341 dunes formed in the laboratory during more than 50 tests, were analyzed along two axes: the first concerns the determination of the geometrical sizes (height, wavelength) with the availability of Digital Elevation Model captured by submerged photogrammetry, and the second is focused on the dynamic measurement of migration of the dunes by Large Scale Particule Image Velocimetry processing (LSPIV). All of the assessments carried out showed a very good match between laboratory results and sand transport phenomena observed in the Loire River. The confirmation of a relevant similitude on the geometry as well as dunes dynamics open interesting perspectives on the understanding of observed phenomena during the tests in particular for the cumulative mass recordings in a set of tests and for estimating bed-load discharge within the area of the physical model.