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Modélisation de l'impact des vagues sur un mur vertical.

Frandsen, Jannette; Bérubé, Francis (2015). Modélisation de l'impact des vagues sur un mur vertical. Rapport de recherche (R1605). INRS, Centre Eau Terre Environnement, Québec.

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Résumé

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Ce rapport présente des expériences à grande échelle d’impacts de vagues sur un mur suivant leur remontée le long d’une plage composée d’un mélange de sable, de gravier et de galets. Cette étude s’intéresse à la connaissance avancée des variations rapides de pression en magnitude et de sa distribution sur différents types de mur en mer, en rivière ou portuaire. La protection contre les événements extrêmes et l’érosion côtière qui peut s’en suivre constitue une application majeure. Les tests ont été effectués dans le nouveau canal à vagues du Laboratoire hydraulique environnemental à Québec (Canada) (http ://lhe.ete.inrs.ca). Ici sont présentés les résultats découlant des tests préliminaires effectués à l’automne 2014. Les séries de tests se concentrent sur la prédiction des forces sur des murs verticaux. Spécifiquement, 27 capteurs de pression sont distribués sur trois colonnes et montés sur le mur de sorte qu’ils couvrent une aire centrale de 1.2 m de large et 2.4 m de haut sur une plaque d’aluminium renforcée. Pour couvrir toute la largeur du canal (sur 5 m), des pans de mur faits en acier sont ajoutés dans les zones externes. Le mur est conçu de façon à se comporter comme une plaque rigide. Le facteur d’échelle géométrique entre le modèle et l’échelle réelle est autour de 1:4. Les vagues incidentes se développent d’abord sur un fond plat, puis grimpe une plage de 25 m possédant une pente de 1:10. La profondeur d’eau est constante, à h0 = 3.8 m. Un petit train de vagues régulières incidentes avec une certaine gamme de hauteurs, 0.85 m < H0 < 1.3 m, forme la base de la présente étude des forces résultantes sur le mur. L’amplitude des vagues incidentes est modérée avec un nombre d’Ursell allant de 18 < Ur < 30, une profondeur d’eau intermédiaire de 0.107 < h0L < 0.109 (où L est la longueur d’onde) et un déferlement au mur à de faibles profondeurs, 0.021 < hw L < 0.034. Le nombre de Froude des tests relié à la surface libre au pied de la plage est de 0.14 < Fr < 0.23. Les résultats préliminaires rapportés sont basés sur une sélection de six séries de tests (18 impacts sur 150). Le mécanisme sous-jacent de différents types de déferlement et d’impact sur le mur sera discuté. Premièrement, il a été trouvé que les vagues incidentes d’amplitude maximale ne sont pas nécessairement les plus critiques puisque les vagues peuvent déferler avant d’atteindre le mur. Les cas critiques trouvés sont associés à des déferlantes plongeantes déferlant près du mur xb Hb < 1 à des profondeurs de hw h0 < 1 (où Hb est la hauteur de la déferlante, xb la position du déferlement par rapport au mur et hw est la profondeur au pied du mur). Les poches d’air emprisonnées sous les déferlantes contribuent à l’énergie du jet à travers des effets de compressibilité et de physique reliée à l’explosion de ces poches d’air, même si elles sont petites. En général, des pressions sur le mur plus grande que 1 MPa et des jets de 10 m de haut se développent facilement, même pour des vagues d’amplitude modérée à l’entrée. Le pic de pression maximal identifié sur le mur, avec une plage composée d’un mélange de gravier, était de 1.2 MPa et durait 0.1 ms à l’intérieur d’un triple pic de pression. Il a été causé par une déferlante plongeante avec une poche d’air relativement grande et la pointe de la crête située sur le haut du mur. Il a en plus été observé que le pic de pression maximal dans l’eau était du même ordre de grandeur que la pression maximale dans la poche d’air. Par ailleurs, il a pu être observé qu’une pression maximale sur le mur n’engendre pas nécessairement les vitesses de jet les plus grandes (équivalent à la force verticale considérée dans la conception des déflecteurs). Ce sont des variables indépendantes dans ces processus d’interaction très aléatoires comportant des structures d’écoulement variant rapidement. La vitesse de jet maximale était de l’ordre de 34 m/s, mais pourrait être plus élevée sur une surface de plage différente (une surface rigide et régulière résultant en de plus grands maximums). Pour cet impact, on retrouvait deux pics de pression quasi simultanés générés par une déferlante plongeante avec deux poches d’air relativement petites. Le dernier point et non le moindre, un moment de renversement maximal équivalent à 87 MNm/m et une force de cisaillement au pied du mur équivalent à 15.4 MN/m à l’échelle réelle (huit fois plus grand qu’une étude à échelle réduite 1:10.3 a révélé) ont été identifiés. Un affouillement local important pouvait aussi être observé au pied du mur. Une protection contre l’affouillement est requis pour ce type de mur afin de maintenir sa stabilité.

Type de document: Rapport
Mots-clés libres: impacts; vagues; mur; variations rapides de pression en magnitude;
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 29 janv. 2018 21:38
Dernière modification: 29 janv. 2018 21:38
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/6798

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