Nouvelles géométries


    Le choix d'une nouvelle géométrie ne se fait pas sans considérer diverses contraintes.

   Après nos recherches, nous proposons d'aménager l'avant-port en ne réduisant pas la largeur de la passe d'entrée des 59m utiles entre les musoirs des digues et réglementaires pour laisser passer des bateaux de grande envergure (30 mètres de large pour le plus grand bateau du port), soit un critère de largeur de passe devant respecter 1.5 à 2 fois la largeur du plus grand bateau. 

   Une zone assez importante devra également rester libre devant la passe pour permettre aux bateaux d'effectuer leurs manœuvres sans trop de difficultés : cette zone est estimée à environ 80m en arrière de la passe d'entrée.

   Il faudra également prendre en compte le fait que la partie Ouest ne pourra pas être entièrement équipée, puisqu'en effet, une zone devra rester disponible pour permettre à l'école de voile de sortir ses bateaux. A moins d'envisager un déménagement de cette école, l'aménagement côté Ouest sera probablement impossible.

   Pour finir, une contrainte très importante provenant d'un aspect administratif sera à respecter. Nous savons que le port de plaisance de Carnon fait l'objet d'une concession obéissant à un cahier des charges. Cet actuel plan date de mars 1990 et délimite les emprises constructibles pour le port. Sur le plan ci-dessous, les lignes jaunes représentent les limites administratives de la concession. Nous ne pourrons donc pas envisager une construction au delà de cette zone.


                                    Délimitation du plan de concession (Source: Direction du port de Carnon)

 

    Dans un premier temps on se propose d'étudier le rallongement de la digue Ouest dans un souci pratique et économique. Le rallongement permettrait de bloquer une partie des houles et diminuer ainsi l'agitation. On choisit deux extensions différentes, une de 20m et une de 30m (limite d'extension par rapport à la concession). Par la suite, on modifiera plus fortement les positions des digues de façon à parer tous types de houles, même venant de fortes tempêtes. Cela aura néanmoins, un impact économique bien plus conséquent ainsi qu'un forte influence sur le renouvellement de l'eau dans le port. De plus, l'implantation d'un contre-épi semblant être une solution particulièrement viable pour diminuer l'agitation dans l'avant-port, sera également étudiée.

 

 

1. Extension de la digue Ouest


1.Extension de 20m
2.Extension de 30m


1.  Extension de 20m:

    Nous avons décidé de rallonger la digue de manière à limiter différentes directions de houles pénétrant dans l'avant port. L'allongement de la digue Ouest d'origine va également permettre une meilleure dissipation de l'énergie de la houle. En effet, la houle de direction 120°N (la plus dévastatrice) percutera la digue de manière oblique ce qui engendrera une rupture de cette dernière et ainsi une dissipation de son énergie.

Après rallongement de la digue, on obtient la bathymétrie suivante:


                                                Bathymétrie après extension de 20m (Source: Binôme 1)

 

1.1 Conditions normales:  (Rappel des conditions)

    Dans un premier temps, on observe les conséquences de ce rallongement dans notre cas de conditions météorologiques normales.


                                 Agitation résiduelle après extension de 20m sous Artemis (Source: Binôme 1)

 

    On voit une agitation quasi-nulle dans tout l'avant-port pour une hauteur de houle en entrée de 0.3m. Comparativement avec la géométrie initiale, les hauteurs sont plus faibles et on respecte bien l'agitation de confort permettant de dormir sur un bateau.

1.2 Tempête de projet:
 

    Les conditions initiales et aux limites dans cette simulation sont les mêmes que celles déterminées précédemment dans la section: Tempête de projet
   On observe la hauteur de houle dans ce cas:


                  Agitation résiduelle en cas de tempête après extension de 20m sous Artemis (Source: Binôme 1)
   
    On voit que l'agitation est comprise entre 0.3 et 0.9m. Ces valeurs sont encore élevées pour l'installation de places à flots mais déjà meilleures qu'avec la géométrie initiale dans le même cas. En étudiant la géométrie, on calcule que les houles pouvant pénétrer l'avant-port sans être bloquées par les digues ont une direction comprises entre 90°N et 147.5°N  en considérant 90°N comme la limite des houles entrantes de façon contraignante. En rallongeant encore de 10m, on espère bloquer des directions supplémentaires.

 


2. Extension de 30m:

Pour cette partie, la bathymétrie devient alors:


Bathymétrie après extension de 30m (source: Binôme 1)

 

    Avec cette nouvelle géométrie, on calcule les nouvelles directions des houles. On trouve une limite à 141.3°N, on a donc, en rallongeant la digue de 10m, 6°N supplémentaires bloqués par la digue.   

2.1 Conditions normales:   (Rappel des conditions)


                          Agitation résiduelle après extension de 30m sous Artemis (Source: Binôme 1)

 

    Lorsque la digue est rallongée de 30m, l'agitation ne dépasse plus 0.07m au niveau des places à flots potentielles ce qui est conforme avec nos normes.
 

2.2 Tempête de projet: 

    Comme précédement, on modélise l'agitation dans le cas de notre tempête de projet. On trouve:


           Agitation résiduelle en cas de tempête après extension de 30m sous Artemis (Source: Binôme 1)

    L'agitation est alors comprise entre 0.3 et 0.6m dans l'avant-port pour un cas de tempête de retour 1 an. On a alors diminué la houle maximale de 0.3m ce qui prouve bien l'intérêt du rallongement de la digue Ouest pour bloquer les houles venant du large.

2.3 Tempête de 1982:

   Afin d'observer les conséquences du rallongement de la digue, on simule dans ce cas la tempête de 1982 même si, comme on l'a vu précédement, elle n'est pas représentative d'un cas réel du a l'absence de modélisation du franchissement. On voit alors le fort impact de la modification de la géométrie, en effet, on passe alors d'une hauteur de houle maximale d'environ 1.24m dans la partie Est pour le cas initial à 0.4m ici.
 


   Agitation résiduelle en cas de tempête de TR=50ans après extension de 30m sous Artemis (Source: Binôme 1)
 

2. Geometries complexes


1. Explication du principe de la nouvelle configuration
2. Nouvelle configuration simple
3. Nouvelle configuration combinée avec un allongement
4. Configuration extrême (allongement+bloquage)
5. Cas d'une digue au large

1. Explication du principe de la nouvelle configuration

    Grâce aux études précédentes, nous savons que la houle incidente pénétrant à l'intérieur de l'avant port, dépend essentiellement de l'orientation des digues et moyens de protections. Cette houle incidente est responsable d'une agitation souvent trop importante dans l'avant port. Le but de cette nouvelle géométrie est donc de dissiper l'énergie de la houle avant son arrivée dans la zone aménageable.

    Dans la partie précédente, la manière que nous avions choisie pour dissiper l'énergie était de type rupture : la houle incidente percutait la digue de manière oblique ce qui entraînait sa cassure. Dans ce nouveau cas, une autre méthode est utilisée :le bloquage. Ici, la houle percute la digue sur toute sa longueur et est bloquée. L'orientation de la digue est conçue de manière à ce que le front de houle incidente le plus critique (120°N) lui arrive parallèlement.

    La digue, constituée d'enrochements, est perméable. Elle possède donc un coefficient de reflexion faible (CR=0.5) c'est pourquoi l'énergie se dissipera fortement à son contact. 

    Certes le franchissement est présent, mais seulement en cas de tempêtes extrêmes. Ce problème n'affectera que la partie de l'entrée de l'avant port, là où la digue est orientée parallèlement au front d'onde. L'agitation supplémentaire induite par la franchissement sera quant à elle estompée par la digue Est située en face, ce qui empêchera la pénétration d'une perturbation dans l'avant port.

    De plus, en cas de tempête, les bateaux n'ont pas l'autorisation de sortir, l'agitation dans la zone d'entrée/sortie n'est donc pas un problème majeur : l'essentiel est de protéger la zone d'amarrage.

2. Nouvelle configuration simple

   Rappelons que pour la construction de chaque nouvelles géométries des critères sont à respecter (entrée de la passe de 59 m, les limites de la concession, rappel des critères).

   Afin de bloquer la houle à 120°N d'incidence, il nous faut orienter la digue de manière à ce que sa normale corresponde à 120°N. Après calcul, nous avons trouvé que l'angle d'orientation était de 120° par rapport à la fin de la digue initiale Ouest (voir schéma ci-dessous).


                                                  Orientation des angles d'incidences (Source: Binôme 1 du BEI)

    En revanche, en respectant ce critère d'orientation strictement, nous ne respectons plus le critère de largeur de passe à l'entrée de l'avant port. Il faut donc trouver un compromis entre les deux. Nous avons décidé de modifier légèrement l'angle d'orientation de la nouvelle digue et d'accepter une entrée de largeur de passe de 56m. Sachant que le critère de largeur de passe doit être 1.5 à 2 fois plus élevé que le plus grand des bateaux (30mètres), une largeur de 56 m est tout à fait acceptable.

    Le schéma ci-dessous récapitule la nouvelle configuration et ses caractéristiques :

 

Schéma
                                                       Schéma de la nouvelle configuration (Source: Binôme 1 du BEI)

    Les conséquences sur l'agitation résiduelle d'une telle géométrie dans les conditions climatiques de notre tempête de projet (rappel des conditions de tempête de projet) sont les suivantes :

 

 

 

    

 

              Représentation de la hauteur de houle et de la phase sous Artemis (Source: Binôme 1 du BEI)

    On remarque que la hauteur de houle est encore trop élevée pour accueillir des places à flots (jusqu'à 0.8m de hauteur de houle dans la zone potentielle). De plus, l'agitation résiduelle est globalement la même que pour un simple allongement de la digue de 20m. La différence de dissipation d'énergie entre une cassure et un bloquage n'est donc pas flagrante. On peut donc penser que cette géométrie n'est pas celle à retenir. En effet, la construction avec un changement d'orientation de la digue est plus complexe qu'un simple rajout d'enrochements dans la même direction. On élimine alors cette configuration.

3. Nouvelle configuration combinée avec un allongement

    Nous avons vu précédemment que l'allongement d'une digue pouvait nous permettre d'éviter l'entrée de plusieurs houles incidentes. Afin d'améliorer ce type de géométrie, et de dissiper le reste de l'énergie de la houle pouvant pénétrer dans le port, nous choisissons de combiner l'allongement avec une digue orientée à 120° par rapport à la digue initiale.

   En effet, l'allongement ne peut excéder 30m ; ceci correspond à la limite autorisée par la concession du port. Pour contrer cette limite nous sommes dans l'obligation d'envisager une inclinaison différente de la digue pour augmenter la surface d'impact.

On opte pour un allongement de 10 m combiné avec une digue orientée à 120° de 30 m.
Voici les résultats obtenus concernant l'agitation résiduelle pour une tempête de projet :

 

 

  

 

 

                  Représentation de la hauteur de houle et de la phase sous Artemis (Source: Binôme 1 du BEI)

    On remarque que la hauteur de houle est globalement respectable à l'intérieur de l'avant port. En effet, celle ci atteint une valeur maximale de 0.6m. Nous sommes juste au dessus du critère limite que nous nous sommes imposé. En revanche, la plupart des endroits ne dépassent pas le demi mètre d'agitation. On peut considérer qu'en cas de tempête cette configuration est tout à fait acceptable.

4. Configuration extrême (allongement+bloquage)

    La géométrie ci-dessous est qualifiée d'extrême. Au vue d'une agitation toujours supérieure à 0.5 à l'intérieur de l'avant port, nous avons décidé d'utiliser tout l'espace de la concession du port afin de bloquer le plus d'houle incidente possible.

    Nous avons souligné dans la partie précédente qu'une houle incidente de 120°N devait être stoppée par une digue d'orientation 120° par rapport à la digue initiale. Pour visualiser cette hypothèse, nous avons décidé de prolonger la digue de la configuration précédente en l'orientant petit à petit vers un angle bloquant les angles d'incidence de houle critique (110 et 120 degrés) tout en gardant une largeur de passe acceptable.

Voici l'agitation résiduelle obtenue en cas de tempête de projet :

  

 

   

 

 

                    Représentation de la hauteur de houle et de la phase sous Artemis (Source: Binôme 1 du BEI)

    Les critères d'agitation résiduelle en cas de tempête de projet sont totalement respectés dans toute la zone potentielle et même dans la zone Ouest. L'état d'agitation correspond à celui du confort pour les bateaux (0.15m de houle). Cette configuration est donc très propice à l'aménagement de places à flots.

    Cette configuration est réalisée, peut-être, au détriment d'un bon renouvellement de l'eau à l'intérieur du port. Une étude courantologique (courant de marée, débit provenant du grau quand le barrage est ouvert) serait nécessaire pour la valider. De plus, une forte accumulation de sédiments risque de se produire sur la zone modifiée ainsi que des endroits fortement érodés ce qui entraînera de forts coûts de maintenance. On retrouvera probablement l'effet brise lame. Une étude sédimentologique serait donc également nécessaire.

5. Cas d'une digue au large

   Une autre configuration envisageable utilisant le principe bloquant d'une houle incidente est de construire une nouvelle digue en mer, en avant du port. Son orientation est choisie en fonction de la houle critique. Ce type de digue permet de contrer les effets indésirables dans l'avant port dus au franchissement. En effet, un espace est réservé pour d'éventuelles projections d'eau dues au franchissement et induisant une forte agitation. L'agitation résiduelle de cette digue est une nouvelle fois atténuée à l'approche des digues de l'avant port ce qui assure une faible hauteur de houle et un confort pour les bateaux à l'intérieur de ce dernier.

    L'inconvénient de ce genre d'installation est avant tout économique. En effet, il est essentiel de regarder la bathymétrie avant toute construction. Dans cette zone, elle s'avère beaucoup plus élevée qu'au niveau de l'avant port. Un volume de matériaux conséquent sera donc nécessaire. La méthode de construction sera elle aussi très coûteuse. Il est sur qu'une construction en mer sans base autour initialement sera plus contraignante qu'une simple extension d'une digue déjà existante.

    On ne retiendra donc pas cette configuration.


                                     Schéma de la configuration de la digue au large (Source: Binôme 1 du BEI)

 

3. Implantation d'un contre-épi


    Une solution pour aménager l'avant-port sans modifier la géométrie initiale des deux digues est d'ajouter un contre-épi dans la partie Est. La houle serait alors bloquée une fois entrée ce qui protégerait de façon efficace les places à flots. On étudie deux emplacements potentiels, l'un proche du large et plus étroit pour ne pas gêner le trafic (en pointillés rouges sur l'image ci-dessous), et l'autre plus éloigné mais plus long. Le premier emplacement assure une surface plus étendue derrière lui et donc un nombre de places plus important mais il est susceptible d'être moins efficace contre l'agitation dans un cas de tempête.

                                                                                  (Source de l'image: Google Map, Carnon)



1. Contre épi de 50ml:

   Le premier cas traité est un épi de 50ml (mètre linéaire) de long et situé à 30m du musoir. Sa longueur est contrainte par l'espace navigable qui doit rester assez large pour permettre aux bateaux de circuler et de manoeuvrer dans l'avant-port, on se fixe alors un critère de 80m minimum entre le bout de l'épi et la digue opposée. En simulant notre tempête de projet on obtient une hauteur de houle bien diminuée par rapport au cas normal.

 

  

 

   

 

             Représentation de la hauteur de houle et de la phase sous Artemis (Source: Binôme 1 du BEI)

    Il reste alors des agitations fortes au niveau de l'emplacement potentiel majoritairement inférieures à la norme de 0.5m en cas de tempête avec quelques zones aux alentours de 0.6m. On est alors à la limite du tolérable pour une tempête de projet. En revanche, la partie Ouest du port est soumise à une très forte agitation avec des hauteurs de houle montant jusqu'à 1.5m.

    Pour quantifier l'avantage d'un épi par rapport à l'autre, on calcule la surface derrière cet épi pour déterminer quel cas pourrait accueillir le plus de places à flots. 


                                                                          (Source de l'image: Google Map, Carnon)
 
    On a alors un espace de 1.1ha possible à aménager. 


2. Contre épi de 70m:

    L'agitation étant encore assez élevée, on étudie un deuxième scénario avec un épi plus long et localisé plus au fond de l'avant-port.

   

  

 

 

    
         Représentation de la hauteur de houle et de la phase sous Artemis (Source: Binôme 1)

On voit une agitation nettement inférieure sur toute la surface avec un maximum de 0.3m sur la partie Ouest et de 0.6 dans la zone Est. L'installation de places est alors complètement envisageable malgré une surface réduite par rapport à la géométrie précédente. On ne peut aménager que 0.95ha sur l'avant-port.


                                                                           (Source de l'image: Google Map, Carnon)

    En conclusion, par rapport aux études d'extensions précédentes, une optimisation de la géométrie pourrait bien être de combiner un épi avec un rallongement de la digue. En effet, on voit que l'agitation avec le premier épi de 50m est un peu trop élevée et surtout qu'elle est concentrée dans la partie gauche de l'avant-port. Ce phénomène pourrait alors être compensé par un rallongement de la digue Ouest dont on a pu observer l'efficacité dans les études précédentes.

 

4. Contre-épi et allongement de la digue Ouest


    Afin d'optimiser l'emplacement du contre-épi, on effectue plusieurs simulations. Tout d'abord on garde le premier épi de 50m proche de l'entrée de l'avant-port et on fait varier la longueur de la digue Ouest. 

   Avec une longueur de 10m supplémentaires, on remarque que l'agitation n'est que faiblement atténuée, on préfère donc l'allongement de 20m.

  Représentation de la hauteur de houle dans le cas de l'épi 50ml + allongement 20m (Source: Binôme 1 du BEI)

   Cette simulation de notre tempête de projet est en accord avec les normes. En effet, on ne dépasse pas les 0.5m d'agitation, critère maximal pour une tempête, les bateaux sont donc relativement bien protégés.
En revanche, si l'on compare avec l'allongement de 30m de la digue, l'agitation n'est pas plus faible.

 

   On choisit alors une géométrie différente en prenant le deuxième contre-épi plus long et plus avancé dans l'avant-port (70m de long et localisé à 65m du musoir) tout en gardant l'allongement de 20m.

  Représentation de la hauteur de houle dans le cas de l'épi 70ml + allongement 20m (Source: Binôme 1 du BEI)

   On s'aperçoit que le critère est totalement respecté dans cette configuration. Cependant, en comparant cette géométrie avec celle de l'épi seul la différence est négligeable. On peut donc conclure que les 20m ajoutés à la digue initiale ne sont pas nécessaires.

   Pour conclure, notre partie suivante, basée sur le dimensionnement, étudiera les contre-épis à l'intérieur de l'avant-port car on a pu remarquer qu'ils offraient le meilleur compromis pour l'installation de places à flots. En effet, le premier épi de 50m, associé à un allongement de la digue, convient vis-à-vis des critères tout en offrant un espace maximal pour l'installation de places à flots. Quant au deuxième, allouant certes un espace moindre, permet une agitation quasi-nulle et donc un certain confort et une sécurité accrue.
   Ces deux géométries seront alors utilisées par le binôme 3 pour une étude sédimentologique à l'intérieur de l'avant-port.

 

5. Propagation des ondes dans la nouvelle géométrie


    Afin d'avoir une idée de la propagation des ondes au sein de la nouvelle géométrie (épi de 70m sans allongement de la digue), nous allons utiliser le logiciel Ripple Tank Applet.

   Cette application est en open source sur internet, et permet de modéliser la propagation des ondes dans un milieu peu profond en deux dimensions ou en trois dimensions dans un domaine choisi. Elle permet également de mettre en avant les phénomènes de diffraction, réfraction, résonance au sein d'une géométrie prédéfinie par des murs entièrement réfléchissants.

    Différentes formes de sources ondulatoires peuvent être utilisées. Nous choisissons, pour modéliser notre port, d'employer une source linéaire en entrée de domaine arrivant sur le port avec un angle de 120°N d'incidence.

Géométrie du port dessinée accompagnée d'une houle incidente linéaire (Source : Binôme 1 avec Ripple Tank Applet)

    La fréquence de la houle peut varier selon la volonté de l'utilisateur. Souvent, ce logiciel est consacré à la détermination de la fréquence de résonance à l'intérieur d'un aménagement. Ici, nous l'utilisons seulement pour avoir une idée de la propagation à l'intérieur du port dans les premiers temps de simulation. En effet, nous ne pouvons pas régler les coefficients de réflexion constituant l'aménagement : ils sont par défaut tous égaux à 1 c'est-à-dire entièrement réfléchissants. Dans la réalité, la réflexion est limitée par des parois plus ou moins absorbantes (par exemple : les enrochements de la digue sont très absorbants).

Voici les premiers pas de temps d'une simulation avec Ripple Tank Applet :

Phénomène de diffraction sur le musoir (Source : Binôme 1 avec Ripple Tank Applet)

    Dans un premier temps, on constate que le musoir de la digue Est (côté gauche sur le dessin) diffracte la houle à son arrivée dans le port. La pointe de la digue est assimilée à une source ponctuelle qui réémet dans toutes les directions. La diffraction est souvent associée à un transfert d'énergie des zones fortement influencées par la houle vers des zones plus calmes. Elle apparaît lorsque la longueur d'onde est grande ou égale aux dimensions des obstacles percutés par la houle incidente.

Phénomène de diffraction sur le contre-épi (Source : Binôme 1 avec Ripple Tank Applet)

   Dans un second temps, la houle se propage dans l'avant port jusqu'à rencontrer l'épi, qui va à son tour engendrer une houle diffractée comme pour le musoir précédemment. La zone derrière l'épi est fortement protégée, la houle est de faible amplitude lorsque l'on regarde la vision 3D proposée par le logiciel. Nous avons donc vérifié notre géométrie avec un autre logiciel qu'Artémis. Nous nous confortons dans la validation de cette nouvelle géométrie.

Amplitude derrière le contre-épi en vision 3D (Source : Binôme 1 avec Ripple Tank Applet)

   Au bout d'un certain temps de simulation, un phénomène de résonance apparaît : le phénomène de seiche. L'amplitude des vagues à l'intérieur du port augmente fortement jusqu'à atteindre des valeurs plus élevées que la houle incidente à l'extérieur de l'avant port pour une certaine fréquence donnée. Comme expliqué précédemment, nous ne tiendrons pas compte de cette résonance due aux conditions de frontières réfléchissantes. Le port étant déjà existant, le dimensionnement a probablement été réalisée en tenant compte de cette fréquence de résonance.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Phénomène de Résonance, vue en 3D et 2D (Source : Binôme 1 avec Ripple Tank Applet)