Transport des sédiments marins

1998

Sommaire


Granulométrie et vitesse de chute

Contrainte et vitesse de cisaillement

Seuil de mise en mouvement

Quantités transportées par charriage et suspension

Rides, dunes, antidunes

Transport par la houle

Protection des plages

Bibliographie


Granulométrie et vitesse de chute

Sommaire

Le transport sédimentaire dépendra obligatoirement du type de matériaux en présence;

La granulométrie aura son role. Les termes de gravier, sable et vase doivent correspondre à des diamètres précis. On considère en général que les sables ont un diamètre compris entre 2 à 0.1 mm. Plus gros , ce sont les gravillons et les graviers. Entre 0.05 mm et 0.002 mm, on a les vases. Dans les diamètres inférieurs à 0.002 mm, on a les argiles.

Un paramètre pour distinguer les sédiments est leur vitesse de chute W à l'équilibre.

Etudions cette vitesse de chute pour des sédiments non cohésifs en eau calme.

On a 3 forces. La pesanteur et la poussée d'archimède qui constituent ensemble le poids apparent P, et la trainée hydrodynamique F.

où C est le coéfficient de traînée.

On pose .D* est le diamètre sédimentologique.

On pose également le Reynolds de chute . C est fonction du Reynolds.

Pour un Reynolds intermédiaire, on est dans la zone de transition entre le régime laminaire et le régime turbulent. La loi reliant C et R est plus complexe mais peut être approximé par une proportionalité entre C et R^(-1/2).

R fonction de D* traduit bien une relation entre la vitesse de chute et le diamètre. Mais dans cette étude nous avons considérer que les grains sont des sphères parfaites. Alors que la forme du grain peut être très différentes (Ex : lamelles).

De plus, une forte concentration de particule entraine des interaction entre elles et donc une modification de la chute.Si la concentration augmente, la vitesse de chute libre devient la vitesse de chute entravée. De plus peuvent apparaître des phénomènes de floculations. Les fines particules dont la vitesse de chute est très lente, voient alors leur vitesse de chute augmenter de façon considérables.

Sommaire


Contrainte et vitesse de cisaillement

Sommaire

Ces grains du fond intéragissent avec le courant d'eau.

Entre l'écoulement d'eau et les sédiments, il existe des forces de frictions. Les sédiment ont pour effet de ralentir l'ecoulement. Il se crée un gradient de vélocité. Cette différence de vitesse entre une couche d'eau et la couche immédiatement supérieur entraine une contrainte de cisaillement tau. Le domaine où l'écoulement est ralenti, est appelé couche limite.

On appelle tau0 la contrainte resenti par les sédiments.

tau0 est propotionnel au gradient de vitesse. La viscosité du fluide intervient également.

Finalement, on a Mais cette formule n'est plus applicable pour un écoulement turbulent. Or les écoulement dans les océans sont toujours turbulent. Pour un écoulement turbulent, le taux de cisaillement est beaucoup plus important. Il sera proportionnel à la vitesse moyenne au carrée

On modélise le taux en créant la notion de viscosité turbulente :

On pose  . u* est homogène à une vitesse mais il n'a pas de réel sens physique.

Pour connaître tau ou u*, il faut avoir un profil de vitesse et calculer la pente. Le problèmes est qu'il est très délicat d'obtenir des vitesses juste au-dessus des sédiments et le profil de vitesse dans la couche limite ne varie pas de façon linéaire.

On considère que le profil près des sédiments varie de façon logathmique. On trace donc Umoy en fonction de logZ et par extrapolation on obtient tau0 .

La relation finale est donc .

Sommaire


Seuil de mise en mouvement

Sommaire

Maintenant que l'on peut connaitre le taux de cissaillement, étudions le taux critique de mise en mouvement.

Ff est la force de frottement qui immobilise les grains. f est le coefficient de frottement qui lie Ff et P. Ff = f *P

La force lié au cissaillement s'applique sur l'aire . Donc .

On pose pour finalement avoir.

Le chariage se produit lorsque les deux forces horizontales s'annulent. Ft = Ff

Donc, on obtient

Pour des grains homogènes non cohésifs, on constate que f ne dépend que de D* et de R*.

Et finalement, on a ces équations :

On peut donc connaitre pour un diamètre donné, la vitesse u* à laquelle débute l'entrainement. Et si la relation pour les écoulement permanent uniformes est toujours valable, on en déduit la vitesse U de début d'entrainement.

R* = 12 est une valeur critique et correspond au moment où le diamètre du grain égal à l'épaisseur de la couche limite.

Sommaire


Quantités transportées par charriage et suspension

Sommaire

La connaissance de tauc permet de connaître le diamètre des grains susceptibles d'être transportées. Mais il faut aussi connaître les quantités déplacées. Cela à son importance pour la construction de digues pour éviter les pertes de sable des plages. Pour connaître ce taux de transport, on distingue le transport par charriage et le transport par suspension.

 


Charriage

Une loi classique du charriage est la loi de Meyer.Peter

avec qs : débit solide correspondant à la masse de sédiments transportés par unité de largeur du lit mobile. L'intérêt de cette formule est qu'elle montre que qs est proportionnel à u*^3. Donc de faibles changements dans la vitesse du courant entraînent des conséquences notables sur le taux de transport.

Voici un exemple

Le graphe 1 montre l'évolution de la vitesse de courant sur un cycle de 12.5h; La première phase correspond à un courant de direction Sud-Sud-Ouest et la seconde phase correspond au courant contraire de direction Nord-Nord-Est. La ligne horizontale correspond à la vitesse seuil pour les grains de diamètre de 0.3 mm. On constate que le courant de direction SSW est légèrement supérieur à l'autre.

 

Sur le graphe 2, l'aire colorée est proportionnelle au quantité transportée; On constate un écart important.

 

 

Il est difficile de mesurer directement le débit spécifique dans la mer car le charriage à lieu dans l'interface entre le fond et la couche d'eau immédiatement supérieur. On peut photographier le fond et étudier la vitesses de déplacement des rides. Une autre approche est de détecter le bruit produit par les grains lors de leur mouvement. L'intensité du bruit est liée au quantité déplacée et à la taille des grains. Mais les difficultés de calage rendent cette méthode délicate.


Suspension

Pour mesurer le transport par suspension, les vitesses de courants et les concentrations sont mesurés tout le long de la colonne d'eau. Mais cette méthode est laborieuse et chère. Actuellement, on essai de développer des mesures à l'aide d'ultrasons. Les ondes sont plus ou moins réfléchi, sont corrélées aux concentrations en sédiments.


Dépôt

Jusqu'à maintenant, nous n'avons considéré que des écoulement qui mènent à un transport sédimentaire. Mais les écoulement marins par définition irrégulier, peuvent décélérer et se pose le problème de la redéposition des sédiments en suspension. On définit le taux critique de déposition taud comme le taux de cisaillement pour lequel les sédiments se déposent. Pour les grains de diamètres supérieurs à 0.1 mm, il chuteront très rapidement dès que l'on atteint taud mais ils pourront encore être charrié tant qu'on n'a pas atteint tauc. Pour les grains de diamètres inférieurs, il n'y a pas de charriage.taud est égal à tauc. Mais les sédiments mettent un certain temps pour se déposer même si le taux de cisaillement soient déjà au-dessous du tau critique.

De plus du fait de vitesses de chutes différentes, on aura des couches de sediments ordonnées par la taille des grains.

Sommaire


Rides, dunes, antidunes,

Sommaire

Les pertubations du fond sont en général asymmétrique avec le coté de plus forte pente tournée vers le sens de l'écoulement. Durant le transport sédimentaire, les sédiment se déplacent principalement en quittant le coté de faible pente pour se redéposer sur le coté de forte pente. Ainsi, les sédiments mais aussi les rides se déplacent. Il est intéressant de lier la vitesse de déplacement des dunes à la vitesse du transport sédimentaire.

Les types de perturbations sont liés a la vitesse de l'ecoulement, mais aussi la granulométrie et la hauteur d'eau. Les rides se développent avec des courrant relativement faibles et n'apparraissent que si les particules ont un diamètre inférieur à 0.6 mm. Il semble que les rides ne peuvent se former que lorsque la sous-couche visqueuse n'est pas entièrement détruite. Comme la sous-couche visqueuse s'amincit lorsque la vitesse du courant augmente, il est peu probable que les rides apparaissent avec des courants rapides ou des sédiment à grand diamètre.

 

 

Avec des courants supérieurs, on assiste à l'apparition de dunes. Elles peuvent avoir 1 mètre ou plus de hauteur et la longeur d'onde peut être de plusieurs ou dizaines de mètres. L'ècoulement est en général perturbé jusqu'à la surface.

Lorsque le courant est encore plus fort, les dunes et rides disparaissent pour un transport linéaire sur un fond plat. A des vitesse encore supérieur, apparaissent les antidunes. Les antidunes remontent le courant bien que le transport physique se fassent dans le sens de l'écoulement. On a érosion de la face pentu et redéposition sur la face peu pentu.

  Voici une photo d'antidunes

Sommaire


Transport par la houle

Sommaire

Du fait de la compléxité au niveau de l'interface, il est très complexe de modéliser le tranport sédimentaire litoral.La houle est le principal agent responsable du transport des sables le long des rivages.

Tout d'abord, il faut tenir compte de l'angle d'attaque de la houle sur la ligne de rivage. La vague arrache le sable de fond et l'apporte en haut de la plage. Quand la vague se retire, les sédiments sont entrainés suivant la ligne de plus grande pente. Finalement, un tranport en dent de scie emporte le sable le long du litoral. Les angles d'attaque les plus actifs sont entre 50 et 65°.

 

 

 

 

Les vagues en déferlant avant la plage, peuvent créer une barre. Entre celle-çi et la plage, peut s'etablir un courant littoral érodant la plage et entrainant un transport sédimentaire parallèle à la plage.

 

 

 

Il existe aussi des courants de retour appelés 'rip-current'qui glisse sur le fond vers le large. Ceux-çi entrainent les sédiments et les dépose loin du rivage.

Sommaire


Protection des plages

Sommaire

Pour limiter cette érosion des plages et des côtes, il existe de nombreux ouvrages :

Les ouvrages parallèles au rivage

On peut placer des ouvrages sur le haut de la plage. Il fixe la ligne de rivage où ils se trouvent et cela au détriment de la plage à l'avant de l'ouvrage. Il faudra que l'ouvrage résiste aux affouillements et donc à un risque de déchaussement.

On peut également placer des ouvrages en avant de la ligne de rivage. Il brise l'énergie des vagues et crée à l'arrière une zone de calme relatif où les sédiments peuvent se déposer.

Les ouvrages perpendiculaires

Les épis ont pour but de limiter le transport sédimentaire parallèle à la côte. Il se produit un engraissement d'un coté et une érosion de l'autre.Il faut donc en placer successivement. Quand l'engraissement atteint la tête de l'épi, les sédiments passent et seront bloquer par l'épi suivant. On voit donc que les épis ralentissent le transport mais ne sont pas capables de l'arrêter définitivement.

Sommaire


Bibliographie

Sommaire

Waves, Tides and shallow-Water Processes of The Open University

Cours d'hydraulique maritime de R. Bonnefille, 1992