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Thèses et Mémoire de l'Université de Strasbourg

Les ‘glissements de type écoulement’ dans les marnes noires des Alpes du Sud. Morphologie, fonctionnement et modélisation hydro-mécanique.

MALET, Jean-Philippe (2003) Les ‘glissements de type écoulement’ dans les marnes noires des Alpes du Sud. Morphologie, fonctionnement et modélisation hydro-mécanique. Thèses de doctorat, Université Louis Pasteur.

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Résumé

Les ‘glissements de type écoulement’ (flow-like landslides) constituent un risque naturel majeur dans la plupart des zones de montagne. Ce terme générique regroupe un ensemble de phénomènes variés (glissement-coulée, coulée de débris, lave torrentielle) qui peuvent s’enchaîner dans le temps ; leur trait commun caractéristique est le transport en masse d’un mélange très concentré d’eau et de particules solides. L’énergie considérable mise en jeu rend souvent peu efficace les solutions techniques de stabilisation ou de protection. Il est donc indispensable de mettre en place dans les zones exposées des stratégies de prévention-surveillance. Diverses études dans le domaine de la modélisation ont permis de progresser dans cette voie, sans toutefois conduire à des résultats véritablement satisfaisants. Des approches par la mécanique des sols ou la mécanique des fluides permettent d’obtenir des représentations généralement convenables des écoulements au laboratoire, mais la généralisation de ces modèles à l’échelle du terrain, sur des évènements réels, est souvent délicate. Des travaux scientifiques ont été engagés sur la base d’une meilleure connaissance du fonctionnement hydro-mécanique de ces objets. Pour cela, nous avons développé une approche fondée sur des mesures in-situ, le traitement statistique de séries temporelles, des essais de caractérisation hydrodynamique, géomécanique et rhéologique, et une modélisation numérique. Le site expérimental du glissement-coulée de Super-Sauze (Alpes du Sud), représentatif des aléas gravitaires à composante visqueuse (roches marneuses et schisteuses), est notre observatoire d’étude. Un modèle conceptuel hydro-mécanique de comportement des glissements-coulées est proposé. Des lois de comportement des matériaux sont définies pour différents gradients de cisaillement. Le modèle conceptuel est introduit dans plusieurs codes de calculs pour représenter les différents stades du mouvement (glissement lent, écoulement rapide, étalement). La complexité de ces phénomènes ne permet pas d’utiliser un seul code couplé. Les fluctuations de pressions interstitielles sont modélisées à l’aide du modèle hydrologique spatialisé à base physique Starwars. Le modèle hydrologique est calé (teneurs en eau,pressions interstitielles) sur différents pas de temps et sites de mesures. Les données simulées sont utilisées en conditions initiales de plusieurs modèles géomécaniques (GefDyn). Les simulations indiquent qu’une loi de comportement élastoplastique avec effet visqueux doit être introduite pour représenter les vitesses de déplacement. Les modèles sont calés à l’échelle d’une année. Dans certaines conditions topographiques et géométriques, la génération de surpressions interstitielles conduit à de forts déplacements et à la liquéfaction du matériau. La propagation et l’étalement des écoulements rapides libérés sont représentés avec lesmodèles rhéologiques Bing et Cemagref-1D / 2-D. Les distances de parcours et hauteurs d’écoulement sont bien représentés avec une loi de comportement viscoplastique (Herschel-Bulkley). Des prédictions et des scénarios d’évènements sont proposés. Utilisés en chaîne, ces différents modèles permettent de représenter les stades successifs d’évolution des glissements-coulées. Ils fournissent ‘individuellement’ de bonnes simulations et sont calés sur des observations réelles. Ce calage croisé permet de justifier leur performance, la validité de leur formalisation numérique et de dégager leurs avantages et inconvénients pour l’expert en charge de la gestion de l’aléa. Flow-like landslides constitute a major natural risk in mountainous areas. This generic term gathers a variety of phenomena (earthflow, debris avalanche, debris flow) which may take place in a sequence and for which the common characteristic is the transport ‘en masse’ of a highly concentrated mixture of water and solid particles. The considerable energy involved often renders inefficient any techniques of stabilisation or protection. It is therefore necessary to develop assessment and mitigation strategies. A variety of modelling studies has led to some progress, without however reaching completely satisfying results. Approaches through soil mechanics and fluid mechanics allow for a generally satisfactory representation of the flow motion at the laboratory scale, but care has to be taken when generalising these examples at the field scale, on observed events. These models suffer from a lack of calibration and validation. A scientific work has been carried out to deal with these questions on the basis of a better knowledge of the hydro-mechanical behaviour of these landslides. The approach is based on in-situ measurements, the statistical treatment of time series, hydrodynamical, geomechanical and rheological tests and numerical modelling. The Super-Sauze earthflow (South Alps), representative of viscous landslides in soft rocks has been chosen as experimental study site. A hydro-mechanical concept is proposed for the short- and long-term behaviour of earthflows. Constitutive equations of the materials are defined for various shear rates. The hydro-mechanical concept is introduced into several numerical codes to represent the different stages of movement (continuous slow-moving slide, fast-moving flow, spreading). Due to the complexity of these phenomena, the use of only one code is not possible. The groundwater and pore pressures fluctuations are modelled with the help of the distributed physically-based hydrological model Starwars. The hydrological model is calibrated (soil moisture, pore pressures) on different internal variables, time steps and experimental points. The validity of the model is evaluated. The results are introduced as initial conditions in several mechanical models. An elastoplastic behaviour with viscous effects must be introduced to represent the ‘Pore pressures/displacements’ relationships. The model is calibrated on an annual scale. Under specific circumstances, excess pore pressures are built up. This leads to intolerable movements and the static liquefaction of the material. The propagation and spreading of the released debris avalanches and debris flows are represented with the rheological models Bing and Cemagref-1D / 2-D. The runout distances and the thickness of the deposits can be correctly represented with a viscoplastic rheology (Herschel-Bulkley constitutive equation). Predictions and scenarios of events are proposed. Used in sequence, these different models allow to represent the successive stages of evolution of earthflows. They give ‘individually’ good simulations and are calibrated on real observations. This cross-calibration allows to justify their performance and internal structure and to stress their advantages and inconvenience to the expert in charge of the hazard management.

Type d'EPrint:Thèse de doctorat
Mots-clés libres:glissement-coulée, lave torrentielle, géotechnique, rhéologie, hydrologie, géomorphologie, modélisation, niveau d’aléa earthflow, debris flow, geotechnics, rheology, hydrology, geomorphology, modelling, hazard assesment
Sujets:CL Classification > DDC Dewey Decimal Classification > 500 Sciences de la nature et mathématiques > 550 Sciences de la Terre > 551 Géologie, hydrologie, météorologie > 551.3 Phénomènes de surface et exogènes et leurs agents. Érosion
Classification Thèses Unistra > Sciences, technologies > Sciences de la nature et mathématiques > 550 Sciences de la Terre > 551 Géologie, hydrologie, météorologie > 551.3 Phénomènes de surface et exogènes et leurs agents. Érosion

UNERA Classification UNERA > ACT Domaine d'activité UNERA > ACT-14 Eau, environnement, aménagement, urbanisme
UNERA Classification UNERA > DISC Discipline UNERA > DISC-13 Géographie, aménagement
Code ID:781
Déposé le :10 Mai 2004

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