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Modélisation de l’impact des vagues sur un mur vertical : une expérience à grande échelle réalisée en canal hydraulique.

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Frandsen, Jannette; Gauvin-Tremblay, Olivier; Xhardé, Régis (2016). Modélisation de l’impact des vagues sur un mur vertical : une expérience à grande échelle réalisée en canal hydraulique. Rapport de recherche (R00167). INRS, Centre Eau Terre Environnement, Québec.

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Résumé

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Les pressions exercées par les impacts de vagues sur des murs verticaux, sans et avec déflecteur (échelle 1:2), ont été mesurées lors d’expériences physiques réalisées dans le grand canal hydraulique de l’INRS-ETE afin d’améliorer la conception des ouvrages de protection côtière. Un mur expérimental de 2,5 m de haut était installé à l’extrémité d’une plage poreuse et élastique de 25,5 m de long présentant une pente initiale de 1:10. Le matériel constituant la plage consistait en un mélange de sable, de graviers et de galets. La plupart des tests ont été réalisés alors qu’une protection était installée au pied du mur afin d’isoler la complexité des processus de l’impact du développement d’un affouillement au pied de l’ouvrage. Les pressions maximales mesurées sur le mur et les caractéristiques du jet sont présentées. Les conditions d’entrée consistaient principalement en des vagues régulières qui se transformaient le plus souvent en déferlantes plongeantes dans les faibles profondeurs d’eau à l’avant du mur. Deux catégories d’impacts ont pu être identifiés comme étant critiques pour la conception du mur : (1) les fronts de vagues de type « mascaret » (impact de type « flip-through ») et (2) les déferlantes plongeantes qui emprisonnent une poche d’air sous la crête de la vague. Un nouveau paramètre d’impact (xbhwb/Hb2) est proposé afin de distinguer graphiquement ces deux différentes catégories d’impacts. Les pressions sur la structure sont extrêmement localisées, aléatoires et varient rapidement (durées de l’ordre de 10 à 100 ms). Les impacts à faible aération (petite poche d’air) tendent à générer les pressions maximales sur le mur vertical (maximum de 3,3 MPa lors des tests sans déflecteur). Les conditions responsables des pressions maximales sur le mur correspondent à des vagues de longue période, c’est-à-dire de 6 à 8 secondes. Les vagues les plus critiques sont celles à h0 = 3,8 m et T = 6 s. Dans la grande majorité des conditions expérimentées, la configuration du mur équipé d’un déflecteur est très efficace pour dévier l’énergie de la vague vers le large en minimisant les charges structurelles. Cependant, le déflecteur peut occasionnellement encaisser un impact plus violent (maximum de 5,2 MPa). Des vagues irrégulières utilisées comme conditions initiales montrent qu’une faible proportion de vagues cause des impacts violents sur le déflecteur. Les causes restent encore à éclaircir. Le déflecteur est aussi efficace en termes de franchissement de l’ouvrage. À l’exception des vagues de T = 8 s qui représentent un cas particulier de réflexions internes, les débits de débordement sont limités à 1,8 l s-1 m-1. Puisque les impacts de vague sur le terrain se produisent à un facteur d’échelle de 1:2 par rapport au modèle en canal, les pressions mesurées lors des tests doivent être ajustées afin de correspondre à la réalité. En utilisant la forme générale de la loi de Bagnold-Mitsuyasu, nécessaire pour ce type de phénomène, les pressions maximales mentionnées ci-dessus correspondent à des pressions réelles de 14 MPa (sur le mur) et 25 MPa (sur le déflecteur) pour un mur côtier de 5 à 6 m de haut. Les facteurs d’échelle à appliquer aux pressions mesurées sur le mur et sur le déflecteur, selon cette loi, sont plus grands que ce que prédit la similitude de Froude utilisée pour mettre à l’échelle la géométrie du mur et des vagues. Des simulations numériques bidimensionnelles ont également été effectuées afin de venir en appui aux expériences en canal ainsi que pour améliorer la compréhension des processus physiques. Les résultats obtenus grâce au modèle numérique sont comparables à ceux obtenus en canal, malgré le fait que le modèle utilise une plage rigide et que les expériences en canal sont réalisée au-dessus d’une plage poreuse et élastique. Ces simulations laissent cependant entrevoir la possibilité que les forces calculées sur le mur expérimental pourraient être sous-évaluées à cause de la résolution spatiale (20 cm par 20 cm) des capteurs de pression. Selon le modèle, la force horizontale sur la structure verticale de 2,5 m de haut pourrait atteindre 1000 à 2000 kN par mètre de mur. Certains tests ont aussi été réalisés sans protection contre l’affouillement au pied du mur. L’affouillement au pied du mur n’a aucun effet sur les pressions mesurées sur le mur, mais semble diminuer celles sur le déflecteur. Davantage de tests devraient être menés pour comprendre l’effet réel de l’affouillement au pied du mur sur les pressions au niveau de la structure.

Type de document: Rapport
Mots-clés libres: vagues; impacts; infrastructures; mur; simulation numérique; canal hydraulique;
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/6799

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