Glossaire

Bi stabilité granulométrique du charriage torrentiel

Les expérimentations sur canal "ponctuel" ont montré que le transport solide évolue vers deux états stables :

Le charriage hyperconcentré avec un lit constitué de matériaux plutôt fins. Dans ce cas, les éléments sont d'autant plus mobiles que leur diamètre est important (tant qu'il reste inférieur à la hauteur d'eau). Cependant, le débit solide étant très fort durant cette période, ce caractère est peu marqué. On peut considérer, en première approximation, que le tri granulométrique est très faible.
Le charriage ordinaire et le pavage du lit correspondent à un tri granulométrique contraire au précédent : les matériaux sont d'autant plus mobiles qu'ils sont fins. Cette évolution correspond à un débit solide très faible. Il se produit dans ce cas un "charriage ordinaire".

Il est apparu que le passage d'un état à l'autre était nettement irréversible, la diminution de la taille des grains du lit entraînant un accroissement du transport solide, alors que l'augmentation de blocs dans le lit, conduit à un tarissement rapide de la fourniture en matériaux.

Ainsi, naturellement, le torrent se dirige vers deux états stables fondamentalement distincts.

Charriage Hyperconcentré

Il s'agit des phénomènes particuliers qui se déroulent lorsque la concentration en matériaux transportés par charriage est telle que le transport solide a une influence notable sur les conditions d'écoulement. Le lit n'a alors plus aucune action directe sur le transport solide.

Il est nécessaire que la contrainte de cisaillement soit très supérieure à la valeur critique de début de mouvement des matériaux. Dans un tel cas, la concentration en matériaux est très bien expliquée par une formule sommaire du type :

C = 8 I²

I Pente correspondant au transport solide

C Concentration en matériaux en considérant le volume apparent des matériaux.

Charriage Ordinaire

Il s'agit du transport solide se produisant "ordinairement" dans un torrent lorsque les conditions hydrauliques sont trop peu vigoureuses pour permettre un charriage hyperconcentré. Dans ce cas on se trouve à proximité du seuil de début de mouvement et le tri granulométrique est important. Le lit est globalement stable et influence le transport solide (fourniture en matériaux, débit solide, granulométrie transportée...). Appliqué suffisamment longtemps sans apports amont importants, il conduit au pavage du lit.

Il se distingue du charriage partiel car il est capable de modifier notablement les éléments du lit, alors que ce dernier permet le transport d'éléments sans échanges avec les grains du lit.

Charriage torrentiel

On désigne sous ce terme l'ensemble des phénomènes liés au charriage et se déroulant dans un torrent. On regroupe alors les phénomènes liés au charriage hyperconcentré mais aussi ceux correspond au lessivage du lit.

Conditions hydrauliques

Ce terme regroupe différents paramètres désignant les caractéristiques de l'écoulement (liquide). Il peut s'agir, par exemple, du couple débit liquide - pente ou, de façon plus précise de l'ensemble : largeur de la section mouillée, hauteur d'eau, vitesse d'écoulement, pente.

Dune a forte pente

Il s'agit d'une structure morphologique formée de trois parties très différentes :

Un chenal central constitué de matériaux fins. La capacité de transport est telle que le lit fin, malgré une pente nettement réduite, permet un débit solide bien supérieur à la valeur moyenne de l'ensemble du lit. Dans cette partie, l'écoulement est très rapide, rectiligne et relativement étroit.
Une niche d'érosion régressive en amont. La capacité de transport de la partie centrale entraîne un enfoncement très marqué du lit en amont.
Une zone de dépôt des éléments grossiers en aval. Bien que le débit solide y soit considérable, la pente de la partie centrale est plus réduite : le lit s'élève peu à peu vers l'aval conduisant à un élargissement de la section mouillée. Cette divergence explique que la hauteur de l'écoulement devienne très inférieure au diamètre des éléments les plus gros. La pente de cette zone peut être beaucoup plus forte que sur l'ensemble du lit.

Fluide newtonien

Dans ce cas, il y a proportionnalité entre la contrainte de cisaillement et le gradient de vitesse (en fonction de la hauteur). C'est le cas de nombreux liquides et en particulier de l'eau. L'absence de seuil (rigidité initiale) forme une différence essentielle avec les laves torrentielles.

Lave torrentielle

Par lave torrentielle on désigne un phénomène intermédiaire entre le charriage et le glissement de terrain. La difficulté de sa définition est renforcée par la variation des propriétés des laves torrentielles non seulement d'un torrent à l'autre mais aussi d'une lave à l'autre en fonction des matériaux qui lui sont fournis. Ainsi, plusieurs critères sont utilisés - suivant les auteurs - pour les définir.

Lave granulaire

Dans certains cas, le mélange est dépourvu d'éléments fins. Le comportement particulier des laves boueuses (en particulier lié à la présence d'argile) ne peut alors plus être observé.

Dans ce cas, l'écoulement est beaucoup plus complexe, très instable et la frontière avec le charriage hyperconcentré est particulièrement ténue.

Lavage

C'est l'écoulement qui transforme le matériau du lit par érosion sélective. Il correspond à des conditions plus vigoureuses et une érosion plus intense (volume et taille des grains) que le lessivage. Il correspond au charriage ordinaire.

Lessivage

Il s'agit du transport solide marginal que l'on peut observer à la suite d'une crue. Les fluctuations turbulentes de l'écoulement parviennent à déloger les grains dissimulés derrière les blocs, entraînant une faible modification de la surface du lit.

Loi de comportement

Des progrès considérables ont été accomplis ces dernières années en particulier par Coussot (Rhéologie des laves torrentielles - Thèse de doctorat de l’Institut National Polytechnique de Grenoble - 1992).

Il a - en particulier - montré que la loi de comportement des mélanges boueux pouvait être généralement représentée par un modèle de Herschel & Bulkley :

pour

Avec t Contrainte de cisaillement

tc Seuil de contrainte dépendant du matériau

K Coefficient caractéristique du matériau

v Vitesse de lave à la cote y

y Distance depuis le fond

Marches d'escaliers

Il s'agit d'une alternance de seuils et de mouilles, donnant l'aspect de marches d'escalier au profil en long de la surface de l'eau à l'étiage.

Mouille

Il s'agit d'une zone de moindre pente, avec une hauteur d'eau supérieure à celle de l'ensemble du lit. Elle apparaît nettement à l'étiage où la pente de la ligne d'eau locale est très faible. Une mouille est généralement limitée par un seuil aval. Elle ne doit pas être confondue avec les zones à plus faible pente que l'on trouve dans les rivières torrentielles, ni les replats que forment les rivières en amont des sections de contrôle (confluence avec un torrent par exemple). Le paragraphe 2.7.8. reprend les définitions proposées par différents auteurs.

Lors d'une approche fine de ces structures morphologiques, il est cependant nécessaire de distinguer deux zones distinctes :

La structure de la mouille, plus profonde et plus grossière, a été formée en même temps que les seuils. Ordinairement, elle n'apparaît pas et n'a aucun contact avec l'écoulement.
La couche superficielle de la mouille qui correspond aux respirations du lit, et qui échange des matériaux avec l'écoulement. C'est elle qui est ordinairement visible et qui est considérée au cours de ce travail (sauf mention contraire).

Pavage

Le pavage désigne les caractéristiques particulières de la couche supérieure du lit. L'exposition permanente de celle ci à l'écoulement la rend plus résistante à l'érosion. Elle se distingue donc par une granulométrie et une imbrication des éléments particulière. Il est cependant difficile de donner une définition plus précise et le pavage est généralement perçu comme l'explication de l'écart entre formules et mesures de terrain.

Le terme de pavage regroupant une multitude de phénomènes distincts, certains auteurs ont proposé différents termes correspondant chacun à des réalités distinctes : pavage, carapace, armurage, dallage, etc...

Cependant, chacun adopte une définition personnelle et souvent incompatible avec celles fournies par les autres auteurs. Pour éviter toute ambiguïté, le terme de pavage sera le seul employé dans ce document.

Pavage Mobile

Il s'agit d'un tri granulométrique vertical en équilibre dynamique avec le transport solide. Le lit fin est recouvert d'éléments grossiers en mouvement le protégeant de l'érosion.

Rapide

On retient ici la définition rencontrée usuellement dans la littérature anglo-saxonne (Riffles).

Le terme de rapide correspond à un rapprochement de seuils qui entraîne une augmentation locale de la pente. Cette notion doit être complétée par l'idée qu'il s'agit d'une structure intrinsèquement créée par l'écoulement.

Une telle structure n'a donc aucun rapport avec les rapides engendrés par l'apport de matériaux par un éboulement ou un torrent.

Respiration

Ce terme décrit l'alternance rapide de dépôts et de reprises. Il y a donc, durant les crues, une très nette évolution du niveau du lit et une variation importante du volume des dépôts.

Structure Morphologique

Le terme de structure morphologique est lié au comportement hydraulique local : c'est par exemple le cas d'un seuil ou d'un dépôt latéral. Il s'agit des éléments de base constituant le lit.

Seuil

Il s'agit d'une structure morphologique qui regroupe des éléments grossiers et correspond à une augmentation de la pente. La définition la plus adaptée aux torrents semble être la suivante : "alignement" transversal de blocs ralentissant l'écoulement et formant une rupture de la ligne d'énergie". Cette structure ne doit pas être confondue avec les rapides (qui correspondent à une concentration de seuils) ou avec les seuils que l'on trouve au point d'inflexion dans les rivières à faible pente.

Submersion relative

Il s'agit du rapport de la hauteur d'eau au diamètre des grains. Dans une rivière, ce rapport est grand (supérieur à 5). Par contre, dans un torrent, la hauteur d'eau est faible alors que les matériaux transportés peuvent être très grossiers. Ce rapport est alors proche de l'unité (on observe en effet des blocs transportés dont le diamètre est de l'ordre de la hauteur d'eau en crue lorsque la pente excède quelques pour-cent).

Suspension hyperconcentrée

Il s'agit des cas où l'effet des matériaux en suspension devient prépondérant dans le comportement du fluide. C'est le cas par exemple des écoulements dans certains fleuves chinois ou à Draix (ensemble de bassins versants expérimentaux situés dans les Alpes de Haute-Provence et destiné à étudier le transport solide dans les marnes noires). Dans le premier cas, la concentration est telle qu'elle induit une irrégularité du débit.

Les critères de distinction entre lave et suspension hyperconcentrée sont principalement la rhéologie du fluide et la concentration. La concentration en matériaux est de loin le principal paramètre explicatif, mais il est difficile de dégager un autre paramètre pour définir la limite de validité du comportement Newtonien.

Notons que ces fortes charges en éléments semblent avoir un effet sur le profil de vitesse et la capacité de transport (Rickenmann 1989).

Zone morphologique

On appelle zone morphologique une surface qui, à l'échelle du bassin versant, joue un rôle homogène (par exemple une zone de dépôt en amont d'un seuil rocheux ou une zone d'érosion au bas d'un glissement de terrain). Il s'agit donc d'un élément beaucoup plus étendue que la structure morphologique.

Sommaire

L'hydraulique torrentielle