Transport of sediment over coarse roughness elements : from local hydrodynamics to morphodynamics

Cette étude, en partenariat avec l'AFB (Agence Française pour la Biodiversité), a pour objectif de comprendre le devenir des sédiments qui ont été bloqués dans des barrages hydrauliques. Lors des « chasses » (lâchers massifs d’eau) réalisées pour assurer la continuité écologique des cours d'eau avec retenues, une certaine quantité de sédiments est relarguée en aval de la retenue, ces sédiments sont ensuite transportés sur un fond de rugosités immobiles à différentes échelles(gravier, galets, rochers). L'objectif de cette thèse est donc d'étudier comment la présence de grains grossiers et immobiles peut avoir un effet sur les différentes échelles du transport de sédiment. Au travers de trois études expérimentales en canaux hydrauliques à surface libre, dans lesquelles les grains grossiers immobiles sont modélisés par une canopée d'hémisphères régulièrement espacés, différents impacts de la présence des rugosités immobiles sont mis en exergue. Une étude préliminaire a tout d'abord pour objectif de comprendre comment l'apparition d'une rugosité isolée dans du sédiment a pour effet de modifier les conditions d’hydrodynamique locale à l’amont de cette rugosité, en particulier par la mise en place d'un système de tourbillon(tourbillon en fer à cheval) pouvant accentuer le taux d'érosion locale. Ce tourbillon, très documenté pour des rugosités à géométrie simple, demeure très peu étudié dans le cas d'obstacle aux parois courbées de type grains de rivière. Cette étude montre alors que les dimensions et l'intensité du tourbillon en fer à cheval sont plus faibles dans le cas d'un obstacle aux parois inclinées et courbées que dans le cas d'un obstacle aux parois normales au fond, cephénomène étant expliqué par la facilité du fluide à contourner et l'obstacle, et donc la diminution du gradient de pression adverse à l'amont de l'obstacle, responsable du décollement de la couche limite incidente et de la formation du tourbillon en fer à cheval. Dans une seconde étude,l'hydrodynamique locale proche de sédiment placé dans un patch d'hémisphères est mesuré, pour différents niveaux de découvrement du patch et pour du sédiment collé au fond du canal. Il apparaît qu'en fonction du découvrement (P = k/R avec k la hauteur découverte d'une rugosité et R sa hauteur totale), de forte variations locales de contrainte et de niveaux de turbulence au fond se mettent en place, le sédiment étant soumis à des sur-contraintes importantes à l'arrière des rugosités pour P ≥ 20%, mais protégés pour des découvrements plus importants. Une analyse par quadrants montre alors que ce phénomène peut être expliqué par la capacité des événements turbulents instantanés de forte intensité à pénétrer entre les hémisphères pour atteindre le sédiment. Une troisième étude dans un canal aux dimensions plus importantes consiste à analyser la déstabilisation d’un lit sédimentaire initialement plat être couvrant totalement une canopée d’hémisphères immobiles. En début de la déstabilisation du lit,des dunes se forment et croissent, jusqu'à ce que leur volume devienne limité par l'apport initial de sédiment. Des zones érodées apparaissent alors entre ces dunes, dans lesquelles on observe du sédiment protégé entre les hémisphères immobiles. Il apparaît alors que cette protection est dépendante de la dimension des zones érodées. Sur les temps longs et après évacuation des dunes en aval du canal, l'effet de protection des hémisphères immobiles sur le sédiment est mis en avant, avec en particulier l'obtention d'une forte dépendance du taux d'érosion des grains en fonction du niveau de découvrement des hémisphères, un ralentissement soudain de l'érosion étant obtenu pour P∼50%. Ce changement de régime est expliqué en lien avec les résultats de l’étude précédente sur les groupes d’hémisphères.This study is part of a project with the AFB (French Agency for Biodiversity), that aims to have abetter understanding of the remobilization of the sediment previously trapped in dams. After dambreaks, an amount of sediment is deposited downstream of the dam, this sediment being then setin motion on a bed of multi-scale immobile grains (gravels, rocks, boulders). The aim of this thesis work is to study how coarse immobile grains can have an effect on the different scales of sediment transport. Thanks to three experimental studies in laboratory flumes, in which immobile coarse grains are represented by a canopy of hemispheres, several effects of the roughness elements on sediment transport are emphasised. A preliminary study first aims to understand how the protrusion of an isolated hemisphere impacts the local hydrodynamics upstream of this hemisphere, specifically through the horseshoe vortex developping near the roughness element wall that can increases local grain entrainment rate. The horseshoe vortex, although deeply documented for simple roughness elements (cube, cylinder), remains poorly studied for roughness elements with tilted or curved front wall like river coarse grains. This study shows that the dimensions and intensity of the horseshoe vortex are weaker for an obstacle with tilted wall thanfor an obstacle with bottom normal wall. This phenomenon is explained by the weaker adverse pressure gradient developping upstream of the titlted wall, responsible for the boundary layer separation and the horseshoe vortex formation. In a second study, the local hydrodynamics near aglued sediment bed placed in a patch of hemispherical roughness elements is studied, for severalprotrusion levels P of the hemispheres (where P = k/R, with k the height of the hemisphere protruding over the sediment, and R the total height of the hemisphere). It is shown that,depending on the protrusion of the hemispheres, strong local modifications of the near bedhydrodynamics can develop. For P = 20%, zones of enhanced shear stress appear downstreamof the roughness elements, while for P ≥ 20%, this enhanced shear stress zones vanishes andthe sediment bed is sheltered. A quadrant analysis then shows that this phenomenon is explained by the abality of intense instantaneous events to reach the sediment bed. A third experimental study aims to analyze the erosion of a flat sediment bed initially uniformely covering a canopy of staggered hemispheres. In the beginning of the experiment, dunes are forming on the sedimentbed, until their volume is limited by the supply-limited sediment condition. Eroded areas then appear between dunes, in which sediment is protected between the immobile hemispheres. The analyze shows that this protection is strongly dependant on the dimensions of the eroded areas. After dunes migrated downstream of the canal, the sheltering effect of the hemispheres isemphasised by measuring the erosion rate of the bed. It appears that the erosion rate is heavily dependant on the level of protrusion of the hemispheres, the erosion suddenly getting weaker for P∼50%. This abrupt change of erosion regime is explained using the results of the previous study on local hydrodynamics in a patch of hemispheres