Cours Hydraulique Fluviale PDF [PDF]

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****** Unité thématique d’enseignement et de recherche (UTER) Gestion Valorisation de l’Eau et Assainissement (GVEA) ******

COURS D’HYDRAULIQUE FLUVIALE

Angelbert Chabi BIAOU Enseignant-Chercheur, Hydraulique Générale/Hydrogéologie 1

Version Septembre 2011

SOMMAIRE Avant propos................................................................................................................. 8 INTRODUCTION....................................................................................................10 1.

FONCTIONS ET USAGES DES COURS D’EAU ..................................11 1.1

Qu’est-ce qu’un cours d’eau ? ......................................................................11

1.2

A quoi sert un cours d’eau ?.........................................................................11

1.3

Comment fonctionne un cours d’eau ? ......................................................12

1.4

Rapports entre fonctions et usages des cours d’eau .................................13

2.

MORPHOLOGIE DES LITS FLUVIAUX A FOND MOBILE ...........15 2.1

Définition .......................................................................................................15

2.2

Vocabulaire des formes du lit des cours d’eau ..........................................15

2.2.1 Le lit ordinaire (ou lit mineur) ................................................................15 2.2.2 Le champ d’inondation (ou lit majeur) .................................................15 2.2.3 Le Lit intermédiaire (ou moyen) ............................................................15 2.2.4 Les berges .................................................................................................16 2.2.5 La Rive ......................................................................................................16 2.2.6 La ripisylve ................................................................................................17 2.2.7 Alluvions et substratum ..........................................................................17 2.3

Interaction entre hydrologie et morphologie des cours d’eau .................17

2.3.1 Débit dominant ou débit « morphogèse » ............................................17 2.3.2 Variables de contrôle, variables de réponse..........................................17 2.3.3 Equilibre dynamique ...............................................................................18 2.3.4 Dans le profile en long ............................................................................18 2.4

Les trois grands types de morphologie fluviale .........................................19

2.4.1 Les lits calibrés naturellement ................................................................19 2.4.2 Les lits à méandres ...................................................................................21 2.4.3 Les lits à chenaux divagants....................................................................24 2

2.4.4 Synthèse des types morphologiques de cours d’eau ............................26 2.4.5 Types de lits fluviaux et fonctions des cours d’eau .............................28 2.4.6 Répartition des types de cours d’eau en Afrique de l’Ouest et du Centre 29 2.5 3.

Hydraulique fluviale et hydraulique torrentielle ........................................29 Mécanismes de façonnement des cours d’eau...............................................30

3.1

Perte de charge et frottement : la force tractrice .......................................30

3.2

Notion de transport solide ...........................................................................31

3.2.1 Mécanisme de transport solide...............................................................31 3.2.2 Erosion et dépôt ......................................................................................33 3.2.3 Saturation en débit solide........................................................................34 3.2.4 Notion de tri granulométrique, pavage .................................................34 3.2.5 Taille des grains et coefficient d’uniformité. ........................................35 3.3

Contrainte tractrice .......................................................................................36

3.4

Mécanisme de transport solide ....................................................................38

3.4.1 Début de mise en mouvement ...............................................................38 3.4.2 Seuils des d’observation des modes de mise en mouvement ............40 3.4.3 Formules de débit solide par charriage .................................................43 3.4.4 Formules de débit solide total ................................................................44 3.4.5 Profondeurs de fonds perturbés ............................................................44 3.4.6 Vitesse de début d’entrainement ............................................................45 3.5 Récapitulation des facteurs du façonnement fluvial et correspondance avec les différents types de lits ..........................................................................................45 3.6 4.

Les moyens d’étude.......................................................................................46 AMENAGEMENT DE RIVIERES.............................................................48

4.1

Principes d’intervention dans les lits de rivières ........................................48

4.1.1 Rappel de la notion d’équilibre dynamique (ou mobile) .....................48 4.1.2 Incidences de divers partis d’aménagement .........................................48 3

4.1.3 Conclusion ................................................................................................51 4.2

Le diagnostic ..................................................................................................51

4.2.1 L’observation ............................................................................................52 4.2.2 Les mesures ..............................................................................................53 4.2.3 Les enquêtes .............................................................................................53 4.3

La démarche globale .....................................................................................55

4.3.1 La définition des objectifs de l’aménagement ......................................55 4.3.2 L’analyse de faisabilité du projet ............................................................56 4.3.3 L’étude technique détaillée .....................................................................57 4.4

Les divers types d’aménagement .................................................................58

4.4.1 Les interventions pour limiter les débordements ................................58 4.4.2 Les corrections de tracé ..........................................................................65 4.4.3 Les protections de berge .........................................................................71 bibliographie ............................................................................................................. 100

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LISTE DES FIGURES Figure 2-1 : quelques définitions...............................................................................16 Figure 2-2 : Parties transversales du cours d’eau ....................................................16 Figure 2-3 : Parties longitudinales du lit ordinaire ..................................................19 Figure 2-4 : Géométrie des lits ordinaires calibrés naturellement ........................20 Figure 2-5 : Géométrie des cours d’eau calibrés naturellement ............................20 Figure 2-6 : Géométrie des lits ordinaires a méandres ...........................................21 Figure 2-7 : Géométrie des cours d'eau à méandres ..............................................23 Figure 2-8 : Migration des méandres vers l’extérieur et vers l’aval .......................23 Figure 2-9 : Recoupement de méandre par coalescence ........................................23 Figure 2-10 : recoupement par ravinement lors des débordements.....................24 Figure 2-11 : Géométrie des lits ordinaires c) chenaux divagants ........................25 Figure 2-12 : Géométrie des cours d’eau à chenaux divagants .............................25 Figure 2-13 : Distribution des vitesses dans les différents types de lit ordinaire 28 Figure 3-1 : fentes de la ligne d’énergie, de la surface de l’eau et du fond dans les méandres .................................................................................................................................30 Figure 3-3 : Mode de transport de matériaux solide ..............................................33 Figure 3-4 : les modes de transport solides pour un débit donné dans le cas d’une granulométrie étalée ....................................................................................................33 Figure 3-5 : Vue d’un pavage, les galets recouvrent le matériau en place ( milieu de la photo) .............................................................................................................................35 Figure 3-6 : exemple de courbe granulométrique ...................................................36 Figure 3-7Bilan des forces auxquelles un grain mis en mouvement est soumis .39 Figure 3-8 : Diagramme empirique de détermination de l’angle de frottement interne ......................................................................................................................................41 Figure 3-9 : Seuil de mise en mouvement selon la courbe de Yalin .....................42 Figure 4-1 : Schéma du basculement du profil en long .........................................49 Figure 4-2 : Incidence des ouvrages obliques sur l’érosion du lit .........................50 Figure 4-3 : Evolution du lit de la Loire depuis 1854 en aval du Bec d'Aller [E. Gautier- PNRZH – 1999] .....................................................................................................52 Figure 4-4 : Relevés sur l’évolution morphologique de la Mortagne en aval de Magniéres en France (Meurthe-et-Moselle) [S. Ch. Kim -Mosella tome XVIII - 19881 ..................................................................................................................................................54 5

Figure 4-5 : Calibrage et endiguements : profils-types ...........................................60 Figure 4-6 : Fixation du fond par des seuils ............................................................65 Figure 4-7 : Recoupement de méandre par coalescence sur le profil en long et correction par implantation d’un seuil ................................................................................66 Figure 4-8 : Utilisation d’un guideau pour orienter prioritairement l’écoulement ..................................................................................................................................................70 Figure 4-9 : Exemple de correction de tracé et d’aménagement de confluent sur la Payre (G. Lecarpentier) .....................................................................................................70 Figure 4-10 : Enchaînement des processus de déstabilisation de berge par érosion et glissement après un enfoncement du lit............................................................72 Figure 4-11 : Courants hélicoïdaux dans un méandre vu en plane et en coupe .72 Figure 4-12 : Exemple d’enchainement de phase d’érosion et de glissement constaté sur la rivière Ottawa au Canada ............................................................................73 Figure 4-13 : Evolution type d’une voie navigable sans protection du fond et des berges ................................................................................................................................74 Figure 4-14 : Répartition de la contrainte tractrice .................................................75 Figure 4-15 : Illustration de la force tractrice sur la berge .....................................75 Figure 4-16 : Enfoncement du lit par érosion régressive ou progressive ............76 Figure 4-17Sensibilité d’un au glissement ................................................................77 Figure 4-18 : Divers types de revêtement de berge ................................................78 Figure 4-19 : Enfoncement du lit dans un coude (affouillement) ........................78 Figure 4-20 : Protections de berges adaptées en cas d’affouillement ...................79 Figure 4-21 : Revêtement complet en matelas RENO- Section courante...........79 Figure 4-22 : Revêtement complet en matelas Reno – Parafouille amont ..........79 Figure 4-23 : Revêtement complet en matelas, RENO – Parafouille aval ..........80 Figure 4-24 : Revêtement complet en matelas, RENO – Fosse de dissipation aval ...........................................................................................................................................80 Figure 4-25 : Fixation du profil en long...................................................................81 Figure 4-26 : Schéma d’évolution de la pente de compensation ..........................81 Figure 4-27 : Diminution du risque de glissement par terrassement ..................82 Figure 4-28 : Stabilisation d’un talus par butée de pied .........................................82 Figure 4-29 : Mécanisme d’érosion et protection de la rive externe d’une courbe ..................................................................................................................................................84 Figure 4-30 : Avantage de procéder à un talutage à la mise en place de la protection ................................................................................................................................85 Figure 4-31 : Coupe-type d’un perré en gabion ......................................................86 6

Figure 4-32 : Gabions matelas RENO.....................................................................87 Figure 4-33Digues en béton et dispositifs parafouilles ..........................................89 Figure 4-34 : Palplanches en bois sur la Lemance (LoceM;afwnx3 - France).....90 Figure 4-35 : Régulation d’un chenal par épis avec protection .............................91 Figure 4-36 : Comblement d’une anse d’érosion par allongement progressif apis ..................................................................................................................................................92 Figure 4-37 : Inclinaison de la semelle d’un épi en amont et en aval ...................94 Figure 4-38 : Epi en enrochement sur le Tech (Pyrénées Orientales - France ...95 Figure 4-39 : Epis en gabions....................................................................................96 Figure 4-40 : d’épis à contre-épis et têtes-marteaux en gabions ...........................97 Figure 4-41 : Détail de la tête marteau en gabion ...................................................98 Figure 4-42 : Epis à crochet ......................................................................................98 Figure 4-43 : Disposition courante des épis en tronçon rectiligne (B=10°, E=2L) ......................................................................................................................................98 Figure 4-44 : Disposition des épis pour une reconstitution de berge (C. Lecarpentier) ...........................................................................................................................98

LISTE DES TABLEAUX Tableau 1-1 : Rapports entre fonctions et usages des cours d’eau .......................13 Tableau 2-1 : types morphologiques de cours d’eau ..............................................26 Tableau 2-2 : Types de lits fluviaux et fonctions des coure d’eau ........................28 Tableau 2-3 : Répartition des types de cours d’eau en Afrique de l’Ouest et du Centre ......................................................................................................................................29 Tableau 3-1 : Comparaison des écarts à la moyenne pour la ligne d’énergie et la ligne du fond entre tronçons à méandres et tronçons droits ...........................................31 Tableau 3-2 : Modalité du transport solide..............................................................32 Tableau 3-3 : Classification de Ramette des modes de transports solide pour une granulométrie uniforme ........................................................................................................42 Tableau 3-4 : Classification de Ramette des modes de transports solide pour une granulométrie étalée ...............................................................................................................43 Tableau 3-5 : acteurs de façonnement des différents types de lits .......................46 Tableau 4-1tableau récapitulatif des causes et effets d’érosion ainsi que les remèdes appropriés ................................................................................................................83 7

AVANT PROPOS Ce cours d’hydraulique appliquée est destiné aux étudiants de divers niveaux, régulièrement inscrits au sein 2iE, tant en formation présentielle qu’en formation à distance. Sans être exhaustif, ce cours constitue une synthèse de ce qu’il faut savoir sur le façonnement des cours d’eau, l’évolution de leur morphologie et les éléments susceptible d’impacter cette morphologie. Il devrait permettre aux étudiants de bien aborder d’autres connaissances enseignés, dans le cadre des formations, à savoir l’aménagement des bas-fonds, prise d’eau en rivière, écoulement non permanent, barrage, irrigation gravitaire, évacuation des eaux usées, hydraulique routière, pour ne citer que ces quelques-uns. La partie maritime n’est pas encore abordée dans ce cours, qui est en construction. De même toute la partie liée à la gestion et à la protection contre les crue viendra renforcer ce contenu Il n’est pas inutile d’attirer l’attention sur le fait que tous les calculs effectués dans cette discipline nécessitent des notions sommaires de calculs trigonométriques. Les méthodes de résolution des équations différentielles telles que la méthode des différences finies ou encore de Runge-Kutter sont nécessaires. Par ailleurs, la connaissance de quelques méthodes de résolution des équations implicites telles que la méthode de newton-Raphson serait d’une grande utilité. Il est donc fortement conseillé de les réviser pour une bonne compréhension de ce cours. Une bonne partie d’éléments est empruntée au document Dynamique fluviale et travaux en rivière de Jean Abèle et Francis Degardin, polycopié de cours du 2iE, nous tenons à les remercier profondément. Le document de Gérard Dégoutte (mon professeur d’hydraulique) a été d’un grand support pour l’élaboration de ce document. Angelbert BIAOU

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Notation SYMBOLE C L Lr M P Q F H HP Hs

UNITE 1/2 -1

m s

m m m kg.m/s m 3 m /s

DEFINITION coefficient de Chézy largeur au miroir d’un chenal longueur d'un seuil déversant longueur d'un ressaut quantité de mouvement périmètre mouillé débit liquide nombre de Froude charge moyenne dans une section charge en un point P 2 charge spécifique Hs = y + V /2g

m m m

Hsc K

m

charge spécifique critique coefficient de rugosité (ou de Strickler) global du lit mineur

R

m 2 m

Rayon hydraulique R= S / P

S U Vc

m/s m/s

section mouillée vitesse moyenne U= Q/S vitesse critique

m/s

célérité de propagation d'une onde cinématique célérité de propagation d'une onde diffusive pression hydrostatique en un point hauteur du seuil coté amont (pelle)

g i

m/s Pa m m/s² -

pente du fond

j l

-

perte de charge linéaire

m

distance entre 2 sections

t v x y

s m/s m m

yc

m

temps vitesse en un point dans une section d'écoulement abscisse d'un point tirant d'eau tirant d'eau critique

yn zf zP

m

tirant d'eau normal

m m kg/m3

cote du fond du chenal cote d'un point P dans une section d'écoulement

cc cd p

rw

accélération de la pesanteur g =9,8m/s²

masse volumique de l'eau ( rw= 1000 kg/m3) 3

gw

kN/m

poids volumique de l'eau (gw »9,8kN/m3)

s

degrés

coefficient d'atténuation d'une onde diffusive

α β m

-

angle avec l'horizontale du fond du chenal coefficient relatif à la répartition des vitesses dans une section

kg.m-2.s-1

coefficient de débit d'un seuil viscosité dynamique de l'eau m = n.rw

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INTRODUCTION Le patient polycopié répond aux spécifications du référentiel pédagogique de 1994 pour le module intitulé ’ Hydraulique appliquée aux ouvrages routiers et fluviaux, à savoir :
Objectif pédagogique : Etre capable de dimensionner des ouvrages hydrauliques en tenant compte des caractéristiques de l’écoulement et du fonctionnement des cours d’eau.
Prérequis : Sciences de la Terre, Hydrologie, Hydraulique, Topographie, Mécanique des Sols, Technologie de Construction. Le cours est orienté sur la conception des aménagements et des ouvrages sur les cours d’eau à partir de la compréhension de leur fonctionnement. Cette compréhension se fonde principalement sur l’observation et, par accumulation des observations, sur l’expérience ; elle s’appuie faiblement sur des formules toutes faites qui sont peu disponibles dans ce domaine. Nous allons donc commencer par nous poser quelques questions sur les cours d’eau, sur leurs fonctions et leurs usages. Puis on cherchera a répondre à des questions un peu plus orientées :
Comment sont-ils façonnés ?
Comment et aussi pourquoi y intervenir ? Ensuite nous en viendrons aux aménagements d’ensemble et aux ouvrages ponctuels, à leur conception et à leur dimensionnement.

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1. FONCTIONS ET USAGES DES COURS D’EAU Qu’est-ce qu’un cours d’eau ? A quoi s’en sert-on ? Comment ça fonctionne? Voilà des questions apparemment triviales mais les réponses ne sont pas si évidentes qu’on pourrait le croire. En tous cas il faut commencer par se poser ces questions et par y apporter des éléments de réponse puis les avoir en tête, lorsqu’on intervient dans un cours d’eau. 1.1 Qu’est-ce qu’un cours d’eau ?

A cette question on répondra en premier lieu que c’est le chemin creuse par le passage habituel des eaux de ruissellement, que leur écoulement soit permanent ou seulement sporadique. On voit que cette première réponse est déjà relativement complexe puisqu’elle fait apparaître une action : le creusement du sol par un écoulement d’eau à sa surface ; en outre elle suppose que cette eau est déjà rassemblée et s’écoule à peu prés toujours au même endroit et dans la même direction, vers un lac, une mer ou un océan. On complétera assez rapidement la réponse en ajoutant justement que ce chemin creusé se trouve naturellement dans les points bas d’une région, un fond de vallée ou une série de bas-fonds qui n’est pas ou peu façonné par le cours d’eau mais hérité d’un façonnement plus ancien. Ce fond de vallée est aussi utilisé, en totalité ou non, par les écoulements les plus forts que la partie creusée ne peut pas contenir. Un cours d’eau c’est aussi le champ d’inondation parcouru plus ou moins fréquemment par les écoulements débordant de la partie creusée par les eaux. Cette partie du cours d’eau peut être alors façonnée principalement par accumulation de matériaux, notamment le dépôt d’argile et de limon qui apparaissent au retrait de la crue. Le champ d’inondation est étroitement associé au lit ordinaire et on verra plus loin qu’il est totalement intégré au fonctionnement du cours d’eau. 1.2 A quoi sert un cours d’eau ?

Continuons notre approche empirique des cours d’eau en examinant les différents usages que l’on peut en faire, et en considérant aussi bien la partie creusée ou lit ordinaire, que le champ d’inondation ou fond de vallée. Ces usages sont très nombreux ; voici une liste, pas nécessairement exhaustive, de ce qu’on va chercher dans un cours d’eau :
l’eau, puisée ou captée, en surface ou dans des puits peu profonds :

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Pour la boisson des hommes et des animaux domestiques, pour la cuisine, pour la toilette, pour la lessive, pour la construction (banco, mortier, enduits), pour l’arrosage, etc. . . .
l’eau comme support pour le transport : par navigation, par flottage. . .
les matériaux déposés : pour la construction, pour la culture, . . .
Energie potentielle : pour la production d’électricité, pour la force motrice, . . .
les milieux favorables pour : la culture, la pêche, la chasse, le pâturage, . . .
la capacité d’évacuation, de dilution et d’autoépuration : pour le dépôt d’ordures, les rejets liquides, . . . 1.3 Comment fonctionne un cours d’eau ?

En pratiquant ces usages des cours d’eau, lit ordinaire et champ d’inondation, nous faisons appel inconsciemment aux différentes fonctions du système constitué par le cours d’eau. La première fonction est évidemment d’écouler les débits liquides rassembles en surface dans le bassin versant : c’est la fonction hydrologique. Elle s’exerce généralement dans le lit ordinaire et plus ou moins fréquemment dans le champ d’inondation lorsque la capacité de celui-ci est dépassée. En s’écoulant, l’eau dissipe son énergie potentielle essentiellement par frottement, soit au sein de la masse d’eau soit contre les parois du cours d’eau : c’est la fonction hydraulique. Elle est exprimée notamment dans l’équation de Bernoulli. Dans son écoulement, l’eau entraîne des matériaux qui sont évacués, déposes, éventuellement repris par le cours d’eau. C’est la fonction sédimentologique; elle s’exerce à la fois dans le lit ordinaire et dans le champ d’inondation, suivant des modalités souvent assez différentes. On observe que le débit solide varie beaucoup dans le temps et dans l’espace en fonction des capacités de transport des écoulements liquides. L’écoulement de surface est en liaison avec la nappe d’eau phréatique qui est généralement proche dans le fond de vallée. En période de basses eaux, le cours d’eau draine la nappe phréatique qui constitue alors sa seule alimentation; en période de hautes eaux et lors des débordements, le cours d’eau alimente la nappe phréatique. C’est la fonction hydrogéologique. 12

Enfin le cours d’eau entretient des milieux aquatiques et humides, à la fois dans le lit ordinaire et dans le champ d’inondation : c’est la fonction écologique. Ces milieux sont très spécifiques, très divers et très productifs. Ils sont très utiles pour la vie en général et pour les usages de l’homme en particulier, notamment dans les régions sèches mais pas uniquement. On sait qu’ils peuvent aussi présenter des risques pour l’homme et les animaux domestiques ; il est donc important de bien les connaître. 1.4 Rapports entre fonctions et usages des cours d’eau

Les liaisons entre les fonctions et les usages des cours d’eau sont mentionnées dans le tableau suivant. Tableau 1-1 : Rapports entre fonctions et usages des cours d’eau

Fonctions Hydrologique

Définitions écouler les débits liquides

Hydraulique

dissiper l’énergie potentielle

Usage correspondants - l’eau puisée ou captée en surface - la capacité de dilution - l’énergie potentielle - la capacité d’évacuation

Sédimentologique écouler les débits solides - les matériaux déposés Hydrogéologique alimenter et drainer la - l’eau puisée ou captée dans des nappe phréatique puits Ecologique

entretenir des milieux aquatiques et humides

- les milieux favorables à différentes activités - la capacité d’autoépuration

On voit que les fonctions et les usages du système cours d’eau sont étroitement liés. Le développement privilégié d’un usage peut donc entraîner l’hypertrophie d’une fonction et perturber gravement les autres et les usages qui lui sont liés. Par exemple la création d’un barrage hydroélectrique vise à concentrer l’énergie potentielle pour la dissiper sur les turbines et entraîner les alternateurs; on développe donc la fonction hydraulique et son usage aux dépens des autres, notamment les écoulements liquides et solides en aval. De même la perturbation d’une fonction a des retentissements sur les autres; c’est le cas des endiguements du lit ordinaire qui empêchent l’exercice des fonctions du cours d’eau dans le champ d’inondation et provoquent souvent le creusement du lit ordinaire.

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Ainsi un cours d’eau n’est pas seulement un élément habituel du paysage, de la géographie de toutes régions, même désertique. C’est aussi l’élément fonctionnel d’un bassin versant qui évacue les eaux de surface en entretenant un chemin creusé dans les points bas et aussi en débordant occasionnellement dans ces parties basses. En y regardant de plus près, il nous apparaît comme un système très intégré de cinq fonctions qui s’exercent à la fois dans le lit ordinaire et dans le champ d’inondation. L’homme tire parti de ces fonctions notamment pour ses besoins en eau, ceux de ses animaux et ceux de ses cultures, mais aussi pour bien d’autres usages conscients ou moins conscients (autoépuration). Cela amène les riverains à intervenir dans ce système et il est nécessaire de bien le comprendre pour limiter et corriger les effets perturbateurs de ces interventions.

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2. MORPHOLOGIE DES LITS FLUVIAUX A FOND MOBILE Pour bien intervenir dans les cours d’eau, ii est nécessaire de bien comprendre leur fonctionnement. Nous allons l’aborder sous l’angle des formes (morphologie) et du façonnement des lits fluviaux Cet examen portera surtout sur le lit ordinaire mais nous verrons très vite qu’il est inséparable du champ d’inondation. Après quelques définitions, on présente les trois grands types morphologiques puis on examine les principaux mécanismes de façonnement des lits à fond mobile. Notons bien au passage que tout le cours traite essentiellement des lits à fond mobile, c’est-à-dire des lits à fond de sable principalement qui sont de loin les plus répandus en Afrique Tropicale; il ne traite pas des lits à fond rocheux cohésif et résistant, qui sont peu fréquents et ne posent pas de problème majeur, en principe. 2.1 Définition

La morphologie d’un cours d’eau désigne tout simplement l’ensemble de ses caractéristiques, la configuration et l'évolution de ses formes. Elle peut être façonnée et entretenue naturellement comme elle peut être le résultat de l’action anthropique. 2.2 Vocabulaire des formes du lit des cours d’eau

On distingue principalement : 2.2.1 Le lit ordinaire (ou lit mineur) C’est l’espace occupé par l’écoulement pour des crues courantes. Il est toujours constitué d’un ou de plusieurs chenaux bien marqués. Le tracé du lit mineur peut de déplacer plus ou moins rapidement selon la dynamique du cours d’au. Il est susceptible de balayer tout le lit majeur, pour une échelle de temps de quelques milliers d’années. Dans le cas de rivières à bras multiples séparés par des bancs, le lit mineur est composé par l’ensemble du lit est des bancs non fixés par la végétation. 2.2.2 Le champ d’inondation (ou lit majeur) C’est la pleine inondable, limité par les plus hautes eaux. Ces parties extrêmes ne sont mises en eau que pour les crues exceptionnelles avec une hauteur d’eau assez faible. Les vitesses d’écoulement y sont faibles y sont faibles et les particules les plus fines (limons, argiles) se déposent par sédimentation. Ce sont des zones extrêmement plates avec des limites précises très peu faciles à délimiter dans la grande plaine alluviale. 2.2.3 Le Lit intermédiaire (ou moyen) Observé pour certaines rivières. Il est inondé pour des crues dont la période de retour est de l’ordre de 1 à 5 ans. Du point de vue hydraulique, le lit moyen participe 15

aux écoulements des crues alors que le lit majeur joue plutôt un rôle de stockage. Du point de vue morphologique, le lit moyen est fréquemment remanié

2.2.4 Les berges Talus incliné qui sépare le lit mineur et le lit majeur. Sa localisation est donc assez précise. 2.2.5 La Rive Milieu géographique qui sépare les milieux aquatique et terrestre. Elle démarre au sommet de la berge et constitue une partie plate plus ou moins étendue qui reste sous l'influence du milieu aquatique.

Figure 2-1 : quelques définitions

Ce sont les berges qui constituent la limite entre ces deux parties du cours d’eau. Elles se présentent sous forme de talus raides, de quelques décimètres à quelques mètres de haut, généralement continus sur toute la longueur du cours d’eau.

Figure 2-2 : Parties transversales du cours d’eau

A l’intérieur du lit ordinaire, ou lit mineur, on observe souvent des sous-parties : • un chenal, ou chenal d’étiage, qui concentre les plus basses eaux ; 16

• des bancs de sable, de gravier ou de galets, qui sont émergés lors de ces plus basses eaux. On observe parfois plusieurs chenaux parmi les bancs de sable. A l’intérieur du champ d’inondation, ou lit majeur, des terrasses alluviales forment parfois des niveaux étagés dont la submersion est de moins en moins fréquente lorsqu’on s’élève au-dessus du lit ordinaire. On distingue donc quelquefois un lit majeur ordinaire, encore appelé lit moyen par certains auteurs, submergé fréquemment voire annuellement, et un lit majeur exceptionnel, submergé plus rarement, par exemple seulement par des crues décennales ou plus fortes.

2.2.6 La ripisylve C’est une formation végétale naturelle qui borde la rive d’un cours d’eau. L’étendue de cette formation est variable. Elle peut être limitée à un cordon arboré étroit qui borde le lit mineur de la rivière. Elle peut également être une véritable forêt alluviale qui peut s’étendre sur plusieurs dizaines voire centaines de mètres de part et d'autre du lit mineur. C'est un milieu lié à la rivière, particulièrement riche en terme de diversité floristique. 2.2.7 Alluvions et substratum Une rivière coule généralement sur ses alluvions (grains fins ou grossiers alternativement déposés ou repris par le courant) qui recouvrent le substratum rocheux formé d'une roche dure ou bien d'une roche plus ou moins tendre (schistes, grés, marnes…). Si les dépôts et la mise en suspension des alluvions s’alternent, l’altération du substratum est quant à elle irréversible. C’est pour cela qu’on dit que les alluvions assurent la protection du substratum. 2.3 Interaction entre hydrologie et morphologie des cours d’eau

L’hydrologie du milieu a un rôle déterminant dans les dimensions et les formes prises par le cours d’eau. La forme du lit a été façonné progressivement, pendant des milliers d’année, en fonction des débits qui lui parviennent depuis le bassin versant, mais aussi en fonction des matériaux déposés, provenant du bassin versant, et/ou arrachés au fond du lit.

2.3.1 Débit dominant ou débit « morphogèse » C’est le débit liquide pour lequel la charge solide transportée est maximum. Ce débit correspond généralement à des crues de périodes de retour de l’ordre de une à deux années. L‘expérience a montré que la valeur du débit dominant est proche de celle du débit de plein bord. 2.3.2 Variables de contrôle, variables de réponse La géologie, le climat, la topographie sont des facteurs qui façonne la morphologie d’un cours d’eau et en détermine le régime. Ces éléments naturels 17

imposent donc le débit liquide, la charge solide, la ripisylve, la géométrie ainsi que les caractéristiques granulométriques et mécaniques du lit du cours d’eau. Ces éléments imposés au cours d’eau constituent ce qu’on appelle les variables de contrôle. Les variables de réponse ou d’ajustement sont des variables sur lesquelles le cours d’eau peut agir pour accomplir ses fonctions de base, c'est à dire transporter un débit liquide et une charge solide. Elles constituent donc l’ensemble des degrés de liberté du cours d’eau. Les variables de réponse sont :
les paramètres géométriques : largeur, profondeur, pente du fond, amplitude et longueur d'onde des sinuosités ;
la taille des sédiments transportés ;
la vitesse du courant.

2.3.3 Equilibre dynamique En dehors des facteurs humains, mais aussi des facteurs naturels comme la géologie ou un climat extrême, le cours d’eau cherche toujours un ajustement permanent autour de la géométrie moyenne, soit en déposant les matériaux pour s’adapter aux fluctuations annuelles de débit solide, soit en modifiant la profondeur d’eau (érosion) pour s’adapter aux fluctuations annuelles de débit liquide. Cet ajustement permanent est appelé équilibre dynamique ou respiration, à ne pas confondre avec le « vrai » équilibre tout court qui n’est jamais réalisé, à cause de la force tractrice. L’action des humains telles que Les dérivations, les barrages, les prélèvements de graviers Modifient les variables de contrôle (débit liquide et débit solide) et les calibrages, les coupures de méandre, les seuils modifient des variables de réponse (largeur, sinuosité, pente, profondeur). En conséquence, ces actions modifient l’équilibre dynamique dans lequel le cours d’eau devrait se trouver en dehors de ces actions. Lorsque ces actions cessent, le cours d’eau vas chercher à atteindre un nouvel équilibre dynamique avec ou sans franchissement d'un seuil d'irréversibilité. 2.3.4 Dans le profile en long Le profil en long du lit ordinaire et celui du champ d’inondation sont très grossièrement parallèles, ce qui fait que sur des grandes longueurs, on peut avoir une idée de la pente du lit ordinaire en utilisant les cotes et les courbes du niveau du fond de vallée. Néanmoins dans le détail, le profil en long du fond du fond du lit ordinaire est accidenté par des points hauts et des points bas qui se succèdent assez rapidement d’amont en aval. Les points hauts sont appelés seuils, ou encore radiers; ils présentent une contre pente au moins relative vers l’amont et une pente forte vers l’aval. Les points bas sont appelés mouilles, ou encore pools. Les dénivelées entre seuils et 18

mouilles sont de l’ordre du mètre; elles peuvent atteindre plusieurs mètres, notamment pendant les hautes eaux où elles atteignent leurs valeurs maximales.

Figure 2-3 : Parties longitudinales du lit ordinaire

2.4 Les trois grands types de morphologie fluviale

Les cours d’eau présentent des formes qui peuvent se regrouper autour de trois grands types morphologiques :
les lits calibrés naturellement;
les lits à méandres;
les lits à chenaux divagants. La dénomination et la définition même de ces trois types concerne principalement les formes du lit ordinaire mais nous verrons qu’ils sont en rapport assez étroit avec la forme du champ d’inondation, parfois même avec son existence. Nous soulignons en commençant que cette classification s’applique bien à tous les cours d’eau, quelle que soit leur taille. En effet les rapports géométriques, les processus d’écoulement et de transport solide sont peu affectés par les dimensions des ruisseaux, des rivières ou des fleuves considérés. On parte ainsi de similitude entre les cours d’eau quelle que soit leur taille.

2.4.1 Les lits calibrés naturellement Ce sont des lits ordinaires très creux : le rapport de la largeur moyenne entre berges b à la profondeur moyenne h de leur lit ordinaire est de quelques unités seulement, généralement entre 3 et 8. La géométrie des lits ordinaires est peu différenciée : le tracé est généralement peu sinueux; les profils en travers sont relativement réguliers et marqué. lis présentent donc une apparence voisine calibrés artificiellement. 19

.

Figure 2-4 : Géométrie des lits ordinaires calibrés naturellement

Les lits ordinaires calibrés naturellement ne débordent pas ou très rarement. Le champ d’inondation est donc très limité ou même inexistant. Les lits calibres naturellement se rencontrent d’ailleurs le plus souvent dans les parties amont des bassins versants où les fonds de vallée sont très étroits et les pentes relativement fortes.

Figure 2-5 : Géométrie des cours d’eau calibrés naturellement

20

En l’absence de débordement, l’énergie du cours d’eau se dissipe entièrement dans le lit ordinaire ce qui permet au courant liquide de prendre en charge une quantité de matériaux importante aux dépens du fond et des berges. La quantité de matériaux sortant d’un tronçon calibré naturellement est supérieure à la quantité de matériaux entrant; la tendance générale des lits calibrés naturellement est donc au creusement.

2.4.2 Les lits à méandres

Figure 2-6 : Géométrie des lits ordinaires a méandres

Ce sont des lits ordinaires régulièrement sinueux, en courbes et contre-courbes de sens contraires, séparées par des points d’inflexion. Les autres éléments de la géométrie suivent la même alternance :
profils en travers dissymétriques dans les courbes, avec banc à l’intérieur et mouille à l’extérieur, avec érosion de la berge;
profils symétriques et seuils au voisinage des points d’inflexion. Les lits à méandres sont moins creux que les lits calibrés naturellement ; le rapport de leur largeur entre berges à leur profondeur moyenne est de l’ordre de 10, généralement compris entre 20 et 60. 21

Les lits à méandres débordent périodiquement suivant une fréquence de 0,5 à 0,2 (période de retour 2 a 5 ans). Ce débordement se produit au moins sur la rive intérieure des courbes (lit majeur ordinaire); la rive extérieure atteint souvent des secteurs un peu plus élevés (terrasse alluviale plus ancienne ou versant hors champ d’inondation). De ce fait le lit ordinaire fractionne souvent le lit majeur en lobes à l’intérieur des méandres. Dans une série de méandres on peut observer que les matériaux arrachés a l’extérieur d’une courbe vont se déposer à l’intérieur de la courbe suivante. A l’extérieur de cette Courbe le courant emporte d’autres matériaux, et ainsi de suite. Au total, la quantité de matériaux sortant d’un tronçon à méandres est sensiblement égale a la quantité de matériaux entrant; on dit que globalement les méandres assurent le transit alluvial. On observe égaiement que les mouilles ne sont pas situées au sommet des courbes mais Systématiquement décalées vers l’aval, de la valeur du quart de la longueur totale du méandre (Loi de l’écart de Fargue). Ainsi le maximum d’érosion sur le fond et sur la berge qui correspond à chaque mouille se produit non pas au sommet de la courbe mais plus en aval. II en résulte une migration des méandres vers l’extérieur et vers l’aval. L’exagération progressive des courbes aboutit à leur rapprochement puis leur recoupement, qui se produit par coalescence ou plus fréquemment par ravinement, du méandre aval vers le méandre amont à l’occasion d’un débordement.

22

Figure 2-7 : Géométrie des cours d'eau à méandres

Figure 2-8 : Migration des méandres vers l’extérieur et vers l’aval

Figure 2-9 : Recoupement de méandre par coalescence

23

Figure 2-10 : recoupement par ravinement lors des débordements

2.4.3 Les lits à chenaux divagants

24

Figure 2-11 : Géométrie des lits ordinaires c) chenaux divagants

A l’opposé des lits calibrés naturellement, les lits à chenaux divagants débordent très souvent, au moins une fois par an. Ils présentent donc un champ d’inondation assez développé, généralement continu sur les deux rives. Le dépôt massif de matériaux qui se produit dans les chenaux au cours d’un débordement est compensé au moins en partie par l’érosion d’autres matériaux a l’emplacement des nouveaux chenaux. Au total, la quantité de matériaux sortant d’un tronçon à chenaux divagants est inférieure c1 la quantité de matériaux entrant; il y a tendance à l’accumulation.

Figure 2-12 : Géométrie des cours d’eau à chenaux divagants

25

Ce sont des lits ordinaires à l’intérieur desquels un chenal ou plusieurs chenaux se déplacent très sensiblement à l’occasion de chaque crue débordante. En effet les bancs de sable ou de gravier viennent alors obstruer les chenaux existants, en s’élevant fréquemment jusqu’au niveau du sommet des berges; le courant crée de nouveaux chenaux à d’autres emplacements du lit ordinaire. Lorsque les chenaux sont nombreux et enchevêtrés, on parle de lits à chenaux anastomosés ou de lits en tresses. Les lits à chenaux divagants sont très larges et peu profonds. Le rapport de leur largeur entre berges à leur profondeur moyenne est de l’ordre de la centaine, généralement Compris entre 80 et 200. Leurs profils en travers sont irréguliers et très encombrés de bancs en tous sens. Leur tracé est souvent rectiligne ou peu sinueux contrastant fortement avec le dessin compliqué des chenaux entre les berges.

2.4.4 Synthèse des types morphologiques de cours d’eau Les principales caractéristiques des trois grands types morphologiques de cours d’eau sont résumées dans le tableau ci-dessous : Tableau 2-1 : types morphologiques de cours d’eau

Caractéristiques Rapport b/h tracé profils en travers tendance Débordement Extension

Lit naturel

Lit à méandre Lit ordinaire quelques unités quelques dizaines

Lits à chenaux divagant

tracé, peu sinueux sinueux, en ondes Symétriques et alternativement creux symétriques et dissymétriques creusement Transit alluvial Champ d’inondation exceptionnel Biennal ou quinquennal très limité ou découpé en lobes inexistant

rectiligne encombrés, très peu incisés

quelques centaines

accumulation Annuel ou plus continu et développé

Les trois grands types morphologiques de cours d’eau sont volontairement schématisés. Dans la nature, on rencontre très souvent des formes intermédiaires :
entre lits calibrés naturellement et lits à méandres
entre lits à méandres et lits à chenaux divagants. De plus, en un point donné, un cours d’eau peut présenter un certain type et changer momentanément de morphologie à la suite d’un épisode exceptionnel : série de hautes eaux ou de basses eaux très importantes. Exemple : la haute Moselle (Nord26

est de la France) à la suite des trois crues débordantes de l’hiver 1982-1983 : méandres + chenaux divagants. Enfin un fleuve présente généralement différentes morphologies le long de son cours : on rencontre fréquemment des tronçons calibrés naturellement dans la partie amont, des méandres dans la partie moyenne et des chenaux divagants dans la partie aval. Ces variations sont liées aux changements d’amont en aval des facteurs du façonnement fluvial que nous allons examiner dans la troisième partie de ce chapitre (point 2.3.).

a- lit calibré

b- Méandre

27

c- Chenaux divagants Figure 2-13 : Distribution des vitesses dans les différents types de lit ordinaire

2.4.5 Types de lits fluviaux et fonctions des cours d’eau A travers ce qui précède, on voit que les fonctions des cours d’eau sont remplies de façons sensiblement différentes par les trois types de lits fluviaux. Le tableau cidessous résume les différents éléments à ce point de vue : Tableau 2-2 : Types de lits fluviaux et fonctions des coure d’eau

Fonctions Lits calibrés Écoulement des rares débordements, débits liquides hors du lit ordinaire Dissipation de Entièrement en lit l’énergie mineur mais irrégulière Évacuation des Prédominance apports solides l’érosion Alimentation drainage de nappe alluviale

et Drainage la essentiellement

Lits à méandres débordements assez fréquents La plus régulière (pour le débit à pleins bords)

Lits à chenaux divagants débordements très fréquents souvent en lit majeur (transfert d’énergie)

de Transit des tendance marquée à matériaux l’accumulation grossiers assuré bon compromis très bonne alimentation entre les deux aspects de la fonction

Entretien d’habitats habitats relativement optimum aquatiques et uniformes et peu diversité et humides productifs productivité

28

de productivité limitée de par l’instabilité

2.4.6 Répartition des types de cours d’eau en Afrique de l’Ouest et du Centre Tableau 2-3 : Répartition des types de cours d’eau en Afrique de l’Ouest et du Centre

Caractéristiques Variation des débita Charge solide grossière Rapides et chutes Biefs (entre les chutes et les rapides)

Forêt très faible nulle consolidés calibrés+ faux méandres

Savane moyenne faible Peut usés calibrés ou méandres

Steppe forte forte érodés méandres à chenaux divagants

Désert très forte surabondante rares Chenaux divagants

On observe en Afrique de l’Ouest et du Centre, une répartition zonale des types de cours d’eau. En effet la présence d’un substratum peu varié et d’une topographie peu contrastée laissent au climat un rôle prépondérant, soit directement par les hauteurs et le régime des précipitations, soit indirectement par la couverture végétale et les sols. Cette répartition zonale est présentée sous forme de diapositives. Les principales caractéristiques en sont rappelées dans le tableau ci-dessus. 2.5 Hydraulique fluviale et hydraulique torrentielle

Dans le chapitre suivant, nous allons étudier les mécanismes physiques qui façonnent les lits des cours d’eau. De ce fait, nous resterons dans le contexte d’hydraulique fluviale purement En effet, selon Bernard, 1925, les rivières et les torrents peuvent être caractérisés comme suit : • les rivières ont une pente inférieure à 1% ; • les rivières torrentielles ont une pente comprise entre 1 et 6% ; • les torrents ont une pente supérieure à 6%. L'hydraulique fluviale : concerne les rivières ou les rivières torrentielles. On peut considérer indépendamment la phase liquide et la phase solide, en tenant compte de l’évolution de la topographie due au transport solide, mais aussi des modifications du fond en fonction de l’importance du débit liquide, ce qui entraîne en particulier une évolution du coefficient de rugosité L'hydraulique torrentielle : concerne les torrents. la hauteur d'écoulement est significativement supérieure à ce qu'elle serait en présence d'eau seule. Certains torrents peuvent être le siège d'événements exceptionnels appelés laves torrentielles, mélanges de boue et de pierres pouvant parcourir de grandes distances et atteindre des hauteurs bien supérieures à ce que produirait une crue "liquide". Les transports solides très spectaculaires des torrents de montagne et les laves torrentielles ne seront pas traités dans ce cours consacré à l'hydraulique fluviale. 29

3. MECANISME DE FAÇONNEMENT DES COURS D’EAU Les formes des cours d’eau résultent de mécanismes de façonnement complexes et, on l’a déjà dit, difficiles à quantifier. C’est principalement le frottement de l’eau sur le fond et les berges du lit ordinaire qui crée ces formes. En partant de la perte de charge linéaire, nous examinerons les notions théoriques de la force tractrice, puis les modalités du transport solide (prise en charge, transport et dépôt des différents matériaux); nous verrons comment ils se combinent dans le cours d’eau. Enfin nous passerons en revue les moyens d’étude à notre disposition. 3.1 Perte de charge et frottement : la force tractrice

L‘eau en s’écoulant dissipe son énergie par frottement en son sein et contre les parois du cours d’’eau. La perte de charge linéaire qui en résulte est donc liée à la turbulence et à la vitesse du courant. Paradoxalement ce sont les méandres qui dissipent le plus régulièrement l’énergie dans le lit ordinaire. En effet les variations de pentes du fond et de la ligne d’eau sont largement compensées par les variations de vitesse dans le lit ordinaire. Ainsi une énergie cinétique forte dans les courbes alterne avec une énergie cinétique faible sur les seuils dans les points d’inflexion.

Figure 3-1 : fentes de la ligne d’énergie, de la surface de l’eau et du fond dans les méandres

Nous donnons ci-après des comparaisons effectuées par Leopold, Wolman et Miller sur deux rivières nord-américaines entre des tronçons droits et des tronçons à méandres, toutes choses sensiblement égales par ailleurs. Dans les deux cas, les mesures ont été faites pour des hautes eaux un peu au-dessous du niveau ci pleins bords.

30

Tableau 3-1 : Comparaison des écarts à la moyenne pour la ligne d’énergie et la ligne du fond entre tronçons à méandres et tronçons droits

Rivière

Ligne

Popo Agie

Ligne d’énergie Fond du lit Ligne d’énergie Fond du lit

Baldwin Creek

Ligne Tronçons à méandres écarts rapport 0,05 m 0,2 0,25 m 0,01 m 0,07 0,14 m

Tronçons droits écarts rapport 0,08 0,37 0,22 0,04 0.5 0,08

Le frottement sur les parois du lit est exprimé dans la force tractrice T, plus exactement tension tangentielle à la paroi, mesurée en kg/m2, qui est proportionnelle au poids spécifique de l’eau m, (N/m3), à la hauteur d’eau h (m) au point considéré et à la pente de la surface de l’eau J, égale à celle du fond et de la ligne d’énergie en écoulement uniforme (nous détaillerons sont expression plus loin). 3.2 Notion de transport solide

3.2.1 Mécanisme de transport solide Nous appellerons transport solide le transport de matériaux granulaires (matériaux alluvionnaires ou autres matériaux granulaires apportés à la rivière). Mais les cours d’eau transportent aussi d’autres matériaux solides et tout particulièrement les arbres arrachés aux berges ou au lit majeur. En toute rigueur, il faudrait ici parler de transport granulaire. Mais nous garderons l’appellation « transport solide » qui est d’emploi plus courant. Cette remarque vaut aussi pour l’appellation « débit solide » Le transport solide dans les cours d’eau comporte généralement trois phases successives : l’érosion ou prise en charge des matériaux, le transport proprement dit et la sédimentation ou dépôt. L’érosion qui fournit les matériaux s’exerce dans les différentes parties du bassin versant mais avec une efficacité particulière pour le fond du lit du cours d’eau, au moins pour les plus grossiers. En effet les apports du bassin sont limités à la fois par la couverture végétale et par les faibles pentes en pied de versant qui retiennent le sable et les graviers ; cet effet de peigne ne joue pas cependant sur les limons et l’argile qui sont apportés par les filets d’eau en surface et encore moins sur les matériaux dissous entraînés par l’eau de surface ou en dessous d’elle (écoulement hypodermique, nappe phréatique). Une part importante des matériaux grossiers transportés par le cours d’eau provient donc du fond du lit ordinaire lui-même qui est remanié chaque fois que des hautes eaux permettent le dépassement de la force tractrice critique. L’érosion des berges, mises en déséquilibre par le creusement du fond à leur pied, fournit également des matériaux de différentes tailles au cours d’eau. Le transport solide s’exerce suivant des modalités très diverses en liaison notamment avec la taille des éléments. Le transport de matériaux en solution entraîne 31

les ions sur des distances considérables. A l’opposé le charriage, sous ses différentes formes, transporte le sable, le gravier et les blocs par bonds de longueurs limitées. Entre ces deux extrêmes le transport en suspension s’exerce sur des distances intermédiaires, encore vari6es suivant qu’il s’agit de suspensions mécanique (agitation de l’eau) ou de suspension colloïdale (état physico-chimique de l’eau). Ces différentes modalités du transport solide vont de pair avec des répercussions diverses sur le façonnement du lit du cours d’eau. Tableau 3-2 : Modalité du transport solide

Mode

Granulométrie Site

Solution

ion

Suspension - Colloïdale - mécanique

Argile limon sable fin

Charriage - Saltation - Roulage -glissement ou en vrac

Sable gravier galets blocs

Dans masse d’eau Plus moins dans masse d’eau près fond

Origine possible la Très lointaine

Action sur les Action sur lits ordinaires les lits majeurs nulle modérée

ou Assez lointaine la (km)

forte

Sensible

du Proche (hm)

Forte

faible

Pour un cours d’eau qui s’écoule sur des alluvions de taille à peu près identiques, les trois états de mouvement sont possibles en fonction de la vitesse de l’écoulement Pour les faibles vitesses, rien ne se passe, tous les matériaux solide (ou presque) restent tous au repos. Pour les vitesses plus élevées, les matériaux solides se déplacent sur le fond en roulant, en glissant ou en effectuant des bonds successifs : c’est le phénomène appelé charriage Pour des vitesses encore plus élevées, les matériaux prélevés sur le fond sont emportés par le courant : le phénomène est appelé transport solide en suspension. Les grains se déplacent à la vitesse que possède l’eau aux voisinages du grain.

32

Figure 3-2 : Mode de transport de matériaux solide

Pour une rivière dont le fond et les berges sont constitués de matériaux de tailles différentes : par exemple des sables fins, des graviers et des galets. Pour une vitesse donnée, il y a simultanément transport par charriage des matériaux les plus lourds et transport en suspension des matériaux plus légers. Le charriage est le mouvement des grains près du fond par roulement ou glissement des grains les uns sur les autres ou par petits sauts. Ces déplacements par charriage sont dus à la traînée et à la portance. Un grain déjà mis en mouvement par charriage passe en suspension lorsque la composante de la vitesse turbulente est supérieure à sa vitesse de chute.

Figure 3-3 : les modes de transport solides pour un débit donné dans le cas d’une granulométrie étalée

3.2.2 Erosion et dépôt Il y a différents mode d’érosion (arrachement de matériaux). Les passons différents types d’érosion qu’on peut rencontrer sont les suivants :
Erosion aréolaire C’est une érosion qui apporte des matériaux granulaires transportés par une rivière soit du bassin versant tout entier, soit du fond ou des berges du lit mineur sous l'effet du vent et de la pluie. Les particules produites et transportées sont fines et souvent cohésives.
Erosion linéaire L’érosion du fond du lit ou des berges est dite linéaire. Elle persiste même lorsque la pluie cesse. Elle met en œuvre des forces plus considérables que l’érosion aréolaire et peut donc mobiliser des matériaux nettement plus grossiers. 33

Erosion localisée Dans les bassins versants montagnards, des formes d'érosions ou de transports plus localisés peuvent produire brutalement de grandes masses de matériaux. Ce sont les glissements de terrain, les avalanches, les laves torrentielles. Pour la suite, l’attention sera accordée à l’érosion linéaire qui va dépendre de la vitesse du débit du cours qui condition d’ailleurs les dépôts aussi. En effet, dans les rivières naturelles, l’écoulement n’est jamais uniforme, soit parce que les paramètres géométriques changent, par exemple la pente ou la largeur, soit parce qu’il y a des singularités comme les méandres ou les seuils. A assistera donc à des zones de forte vitesse et des zones de faible vitesse. Dans les zones à forte vitesse, il y a davantage de matériaux prélevés, ce sont les zones d’érosion du fond, alors que dans les zones de faible vitesse, les matériaux provenant de l’amont peuvent se déposer à nouveau, ce sont des zones de dépôt. Ainsi, une rivière naturelle présente une double variabilité de son lit :
Une variabilité spatiale liée au fait qu’il y a des zones privilégiées pour l’érosion et des zones prédisposées au dépôt de matériaux.
Une variabilité temporelle due au fait que les matériaux fins déposés en régime ordinaire pourront être emportés en régime exceptionnel.

3.2.3 Saturation en débit solide

Le débit solide est le volume de matériaux granulaires transportés par le courant par unité de temps. Pour une vitesse donnée, le cours d’eau a une capacité de transport, liée à l’énergie de l’eau. Le cours d’eau transporte toujours autant de matériaux que son niveau énergétique le permet, à condition que ces matériaux soient disponibles sur place (fond et berges). Dans ces conditions, le tronçon considéré de la rivière est dit en équilibre et le débit solide sortant est égal au débit solide entrant. On peut l’exprimer autrement en disant que le taux d’érosion est égal au taux de dépôt. Si le débit solide sortant est inférieur à ce débit solide d’équilibre, cela veut dire qu’il y a dépôt de matériaux dans le bief considéré. Si à l’inverse, le débit solide sortant est supérieur à cette capacité de transport, on dira qu’il y a érosion dans le bief considéré.

3.2.4 Notion de tri granulométrique, pavage Les pentes des rivières naturelles étant plus fortes en amont qu’en aval (vallée), les rivières ont un caractère torrentiel à l’amont, alors qu’à l’aval, elles le sont moins ou sont carrément de type fluvial, en l’absence de singularité bien sûr. En conséquence, en amont, seuls les éléments grossiers restent sur place, les fines étant emportées pour aller se déposer plus loin, en fonction de leur poids et de leur diamètre. On assiste alors à une sorte de tri granulométrique d’amont en aval.

34

Les éléments déposés forment une sorte de couche protectrice appelée pavage de la rivière. Cette couche protectrice persiste, assurant ainsi la stabilité du lit de la rivière et seules des crues exceptionnelles peuvent les désorganiser

Figure 3-4 : Vue d’un pavage, les galets recouvrent le matériau en place ( milieu de la photo)

3.2.5 Taille des grains et coefficient d’uniformité. La taille des grains est mise en évidence par l’analyse granulométrique qui permet de construire la courbe granulométrique. La courbe granulométrique représente le pourcentage en poids des grains de dimension inférieure à d en fonction de leur dimension d. On a coutume de noter dx le diamètre (dimension) de grain correspondant à x% en poids de tamisât (ce qui passe au travers du tamis). Hazen a défini un coefficient, qui porte son nom et qui s’appelle encore coefficient d’uniformité, à partir des différents éléments ci-dessus pour faire une classification du caractère uniforme ou étalé de la granulométrie d l’échantillon étudié.
 

 

Si
 3, on dira que la granulométrie est uniforme 35

Si
  3, on dira que la granulométrie est étalée En considérant la courbe granulométrique suivante, on en déduit que nous somme en présence d’une granulométrie uniforme, puisque   5

et que   0.2

, ce qui conduit à 
   25 

Figure 3-5 : exemple de courbe granulométrique

3.3 Contrainte tractrice

Ici, nous allons faire l’hypothèse d’un écoulement uniforme qui s’établit au tirant d’eau y. L’eau étant en mouvement va exercer sur les parois du chenal une force de frottement notée    .  est appelé contrainte tractrice ou encore contrainte tangentielle à la parois, parfois appelé également (par abus de langage) force tractrice (c’est une force par unité de surface). En écrivant que l’écoulement est uniforme, la masse fluide comprise entre deux sections suffisamment rapprochées est en équilibre sous l’action de son poids et des frottements sur les parois.



l



36

Ecrivons que la composante tangentielle du poids du volume d’eau contenue dans le poids est égale à la force tractrice, on a Poids tangentiel :

Force tractrice :

Alors on aura

Soit

     !  " # $# " #  $# "

   " % $

  " . %. 

% étant le rayon hydraulique et , la pente du fond du canal Lorsque l’hypothèse d’écoulement uniforme n’est pas vérifiée, on a   " . %. & Qui correspond au cas des écoulements non uniformes avec une pente de la ligne d’énergie égale à & " est le poids volumique de l’eau et vaut approximativement 10 KN/m3 Dans l’hypothèse d’un cours d’eau infiniment large (b grand devant y), on a, pour le cas particulier d’un canal trapézoïdal : ' /1 + 0 '() + '+ ' ) % ' ≈ ' 234 →0 ' ) ) + 2'√1 + . 1 + 2 √1 + . )

Soit

 ≈ " '

La rugosité des fonds traduite par Kf est due à la fois à la rugosité individuelle des grains Kgrain qu’on appelle encore rugosité de peau et à la rugosité due à l’irrégularité même du fond (donc aux dunes). Ceci conduit à la conclusion donc que Kf < Kgrain. 37

De même la contrainte tractrice totale  est la somme d’une contrainte due à la rugosité individuelle des grains 6 appelée contraintes efficace et d’une contrainte tractrice due aux dunes elles même (1 7 6+ .

6 étant un coefficient adimensionnel telque B/. 9: 0.35 6  8 A 1 9;?@ Il peut être admis pour Kgrain : . 9;?@  G/H, pour les granulométries étalées

Et 9;?@ 

DEF

.

G/H

DIF

, pour les granulométries uniforme

3.4 Mécanisme de transport solide 3.4.1 Début de mise en mouvement Pour l’étude de la mise en mouvement d’un grain sans cohésion, de diamètre d, de poids volumique spécifique, "@ , on va considérer les différentes forces auxquelles le grain est soumis. Notons au départ que le poids volumique des grains se situe presque toujours entre 26 et 27.5 KN/m3 Le poids, pour un grain de forme supposée sphérique, le poids de ce grain a pour expression :

B $  J"@ 6

Lorsque nous considérons un grain de forme quelconque, on peut lui associer un diamètre caractéristique pour lequel le volume v est remplacé par celui d’une sphère 38

de volume identique de diamètre d qui sera donc appelé diamètre caractéristique de ces grains non régulier on pourra écrire que :

$  4"@  B

La poussée d’Archimède de sens opposé à P, mais normale à l’écoulement s’écrit également :

$′  4"  B

Figure 3-6 : Bilan des forces auxquelles un grain mis en mouvement est soumis

On en déduit le poids immergé du grain qui s’écrit comme étant la résultante entre la poussée et le poids normal :

$>M  $? 7 $′  4("@ NO 7 " + B

C’est justement ce poids apparent qui va générer les forces de frottement sur les parois qui s’écrit :

  4 ("@ NO 7 " +B P4Q

P4Q étant le coefficient de frottement grain à grain. Les autre forces qui s’appliquent au grain sont : - La force d’entrainement due à l’écoulement, proportionnelle à la section : - La portance

R  )S .

!.   N"  2 .

)S  . + 4. "@ . B  4 ("@ NO 7 " + B P4Q

Au seuil de mise en mouvement, on a pour les composantes tangentielles : 39

Qu’on peut écrire encore, en supposant que l’angle  est faible, sous la forme :

4 S P4Q  ("@ 7 " + )

Le premier terme est un terme indépendant et sans dimension ; il caractérise la forme des grains et dépend du caractère étalé ou uniforme de la granulométrie. Le second terme, également sans dimension, caractérise le seuil de mise en mouvement et est appelé paramètre de Shields et est noté  ∗ :

∗ 

S ("@ 7 " +

Le seuil de mise en mouvement sera franchi dès lors que le paramètre de Schields dépasse une certaine valeur dépendant du caractère étalé ou uniforme de la granulométrie. Dans tout ce qui précède, on a pris en compte la contrainte tractrice qui s’applique sur le fond. Dans le cas d’un grain qui se trouve sur la berge qui fait un angle " avec l’horizontal, la contrainte tractrice s’écrit sous la forme :

. " U  V1 7  . Q 

Ou Q est l’angle de repos du matériau supposé sans cohésion qui, selon Lane, varie entre 24 et 35° pour un granulat de 1 cm, selon qu’il est arrondi ou anguleux et varie entre 30 et 38° pour un granulat de 2 cm, entre 36 et 41° pour un granulat de 5 cm et enfin entre 38.5 et 41° pour un granulat de 10 cm. Le diagramme de la Figure 3-7 permet également d’estimer cet angle

3.4.2 Seuils des d’observation des modes de mise en mouvement Les seuils de mise en mouvement sont tels que Le diamètre utilisé pour le calcul du paramètre de Shields dépend de la nature de la granulométrie. - C’est ainsi que lorsqu’on est en présence d’une granulométrie uniforme, on va utiliser le diamètre moyen et donc le paramètre de Shields va tout simplement s’écrire -

40

S ("@ 7 " +

Figure 3-7 : Diagramme empirique de détermination de l’angle de frottement interne

∗ 

- Pour les granulométries étalées, ce sont les diamètres médians W qui seront utilisé pour calculer le paramètre de Shields :

∗ 

S ("@ 7 " +W

Les seuils de mise en mouvement sont tels que - Seuil du mouvement: t* < 0.047 pour une granulométrie uniforme - Seuil du mouvement: t* < 0.138 pour une granulométrie étalée Yalin, en 1992 a transformé l’expression de Shields pour définir une condition de mise en mouvement qui est résumé sur la courbe ci-dessous :

"@ 7 "  /B   X [ Y Z . ∗

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Tous les matériaux pour lesquels le paramètre de Shields est en dessous de la courbe de Yalon sont au repos alors que lorsque le Shields de ces matériaux se trouve au-delà de la courbe de Yalin seront mis en mouvement

Figure 3-8 : Seuil de mise en mouvement selon la courbe de Yalin

Cependant, une autre classification pratique et facile d’utilisation est proposée par Ramette sous forme du tableau suivant : - pour les granulométries uniformes Tableau 3-3 : Classification de Ramette des modes de transports solide pour une granulométrie uniforme

t*