MANUEL SUR LIHYDRODYNAMIQUE SÉDIMENTAIRE ET ...

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Ministère de l'Equipe.ent, des Transports et du logeRlent MANUEL SUR LIHYDRODYNAMIQUE SÉDIMENTAIRE ET LIÉROSION ET SÉDIMENTATION DU LITTORAL ER PM • N° 88.01 Centre d'Etudes Techniques Maritimes et Fluviales
  • age de sable
  • description du phénomène - reconunarrlations
  • courant d'eau turbide sur les fonds de vase
  • sédiments sableux
  • influence du milieu aqueux
  • vitesse critiqtj
  • gravier
  • graviers
  • houle
  • houles
  • vase
  • vases

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Ministère
de l'Equipe.ent,
des Transports
et du logeRlent
MANUEL

SUR LIHYDRODYNAMIQUE SÉDIMENTAIRE

ET

LIÉROSION ET SÉDIMENTATION DU LITTORAL

ER PM • N° 88.01
Centre d'Etudes Techniques Maritimes et Fluviales SECRETARIAT D'ETAT A LA MER SERVICE TECHNIQUE CENTRAL DES
PORTS MARITIMES ET DES VOIES
E. R. PM gg .o~ NAVIGABLES
MANUEL

SUR L'HYDRODYNAMIQUE SEDIMENTAIRE

ET

L'EROSION ET SEDIMENTATION DU LITTORAL

par Claude MIGNIOT
(Docteur es Sciences)
---0--­
Cours enseigné à l'Ecole Nationale des Travaux Pub7ics de J'Etat
et à 7a Faculté des Sciences d'ORSAY - PARIS SUD
---0--­
(Marché n° 87.51.018.00.228.60.10)
SOGREAH - L.C.H.F.
­
­
- 1
SOMMAIRE
Pages
mIroIXJC::rI'I()N' •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 2

PREMIERE ~ - HYDRO~QOE SEDIMENTAIRE ••••••••••••••••••••••••••••• 3

CfmPITRE l - PROPRIETES PHYSIQUES DES PARTICULES SOLIDES EN E1\.U CMME
~S'I'IQtJF.S DE:S PARI'ICULES ~ •••••••••••••••••••• 7
1.1.
a) Diamètre et coefficient de fonne des particules élémentaires 7

b) Répartition des particules dans un sédiJnent -

COUrbes granulamétriques •••••••••••••••••••••••••••••••••••• 8

c) Classement des différents sédiments •••••••••••.••••••••••••• 10

VI'1'ESSE DE amE DE:S PARTICULES ~ •••••••••••••••••••• 11
1.2.
a) Ecoulements laminaires, loi de stokes (vases et limons) ••••• 12

b) semi-turbulents, loi de Budl:yk (sables) ••••••••• 13

c) turbulents (graviers et galets) ••••••••••••••••• 14

1.3. VI'1'ESSE DE amE D'UN ENSEMBIB DE PARTICULES
~ mrRA.~ E"r ~ON' ••••••••••••••••••••••••••••••• .15

a) vitesse de chute entravée des sédiments non cohésifs

(sables - graviers - galets) en eau pure et en eau argileuse 15

b) Floculation des fines particules - Influence de la nature

des particules, de la concentration de la suspension et

du milieu aqueux sur la vitesse de chute des flocons........ 16

• Flc:x:::ll1ation ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 16

• Influence du diamètre équivalent des particules élémentaires 18

• de la concentration en solides dans la

~1on •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 18

• Influence du milieu aqueux ••••••••••.•••••••••••••••••••.• 19

• de la ~ture •••••••••••••••••••••••••••••.• 20

• D.1rée de refloculation ••••••••••••••••••••••••••••.•••••.• 20

c) Paramètres ad.ilnensionnels pour caractériser les particules .• 21

1.4. ~ DFJ3 ~ DE SEI)~ ••••••••••••••••••••••••••••• 22

a) Tassement des sédiments grossiers - Galets, graviers et

sables ••.•.•••••.•••••••...•••.•••......••••••.••••••••..... 22

b) des très fins - Vases - Limons - Boues.. 23

· ~iption du phénomène - Diversité des courbes de tassement 23

• IDis de ~t •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••.• 25

Influence de la dimension des particules 25
du milieu aqueux ...........•.................... 26
des conditions de sédimentation 26

Influence des matières organiques 26
du IX>urcentage de sable dans les vases 27

Variation des débits de drainage et de la pennéabilité des

dé:rX>ts 27

Répartition des gradients de concentration dans les dépôts

de vases ...•..•.....••..•.•....•••..••..••......•••••..... 28
­
­
- II
1.S. RHOOIDGIE DES SEDIMENl'S - ANGLE DE FRJTrEMENT - RIGIDITE INITIAIE

a::JIIF,.g:ION" - VI.sa:lSI'rE E'I' ~PIE ••••••••••••••••••••••••••••• 30

a) Sédiments grossiers - Galets - Graviers - sables 30

· sables sec:s éIoorgés ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 30

· sables i.IrIrœJ::'gés ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 31

· Mélange de sables et de vases 32

· sables lx:>1J.lant •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 32

b) Sédiments très fins - Vases - Limons - Argiles ...•.•........ 32

• Généralités - Méthodologie des ~ ••.•..•.•••••••.•••• 33

· Comparaison des rigidités et des viscosités de différentes

vases - !Dis gérlérales •.•...•.•..........•.•........•..•.. 37

• Influence de la nature et de la dimension des particules .. 40

· du ~1:age de sable......................... 42

• de la salinité des eaux •••••••••••••.••.•.•••.•. 44

• Influence du rernani~t des vases ................•....... 45

• des matières organiques ••••.••••••.•••.••••••••. 46

· de la température •••.••••.•.•••.•.•.•.•••..••..• 46

• Influence du temps de tassement sur la rigidité........... 46

I.6. PENTES D'~ DES ~ ••••••••••••••••••••••••••••••••••• 47

a) Sédiments grossiel:S •••••••.•••••••••.•••.•••.••••.••.•.•.••. 47

b) fins - Glissements et coulées lx>ueuses
Description des Ph~ .••............................... 48

• Influence de la nature et de la dimension des particules
él~tëii.res, •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 48

• de la concentration en particules solides et de

la rigidité fuitiale •.••••••••••.•.•••••.....•••••.•••.... 49

· Influence du ~1:age de sable ••.•••.••.•••••••••••.•.. 49

· du milieu aqueux ••••••..•.••....••.•.•.•••.•...• 50

c) ca.J.ra.nts de 'b.1rbidité ••••••••••••••••••..•••••••••.••••.•... 50

.pti d ph' .
• Descrl on es eI'lat'le.lleS. • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • 50
• vitesse de propagation des ex>Urants de turbidité •••••..•.. 50

• Importance des courants de turbidité et soutirage des vases

d'un l::>él.l:Ta.ge ••••••••.•••••••••••.••.••••••..••••••.••..... 52

amPITRE n - ACTION DES a::>tJRANrS SUR LES SEDIMENl'S
2.1. ~ON DES PHENOMENES •••••••••••••••••••••••••••••••••••••• S4
2.2. ~ liYDRAtJ'UQtJEf) ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• ss
a) vitesses IOCJYennes de l'écoulement en eau claire 55

b) Contrainte 'targentielle et vitesse de cisaillement exercées

IJêlr l'ea.u sur les forris •..•.....•••...•.••......•........... 56

c) Répartition des vitesses sur la verticale, relations entre

la vitesse moyerme et la vitesse de cisaillement en ea.u claire 56

· des vitesses sur la verticale 56

· Relation entre la vitesse moyenne U et la vitesse de

cisaill€l'I'l(2J1t u* 57

d) Répartition des vitesses au-dessus des fonds dans le cas d fun

écoulement d'eaux turbides - Macro-turbulence 58

· des vitesses ~......... 58

· l-1a.cro-turbuleTlCe 58
­
­
- III
2.3. RUOOSITE œ FOND ET CDEFFICIENr DE FROT1'EMENI' - LES ONDUIATIONS

IJE.S, ~ ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 59

a) Rugosité du fond et coefficient de frottement . 59

b) Orrllllatiol1S des forrls .........••......•..................... 61

c) Coefficient de STRICKIER et nIgosité dans le cas des fonds

62
de vases .
63
DEBUT D'ENTRAINEMENT DES SEDIMENTS •••••••••••••••••••••••••••••• 2.4.
a) Sédiments grossiers non cohésifs (galets - graviers - sables) 63

· Relations entre la contrainte critique et les caractéristi­
63
qtJ.~ des gra..iI1s •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••
64
• Paramètres adimensionnels de début d'entraînement ••••.•..•
· Proforrleur limite des fonds non pertu:rbés perrlant le trans­
l'C>rt d~ ~ts ..•••••••••••••••••••••••••••••••••••... 64

b) Sédiments très fins cohésifs (vases - lirrons - argiles) ••.•• 65

• les trois danaines d'érosion des sédiments fins ••••••••••. 65

• vitesse critiqtJ.e des vases en fonction de leur

coJ'lCeI'l"tra.tion •.••..••...••.••.••••.•••.••••••••••••••.•.•. 66

· vitesse critique d'érosion en fonction de la rigidité des

dé};:ôts ••••.••.••.••••••.•.•.••••••••••••••••••••••••••.... 66

• vitesse critiqtJ.e en de la diJnension des

sédiments et du "ten1};>s de ~t •••••••••••••••••••••.•. 67

• Influence de la salinité des eaux sur la vitesse critiqtJ.e

d'érosion •••.•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••.••• 68

2.5. DEBITS SOLIDES DES SEDDŒNl'S TRANSFORrES PAR :œs CDURANl'S 69

a) Gérlérali'"tés. • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • 69

b) Transports solides des sédiments grossiers : sables, graviers,

galets ••••••••••••••••••••••••••••••••••.•••••••••••••.•.••. 70

• Paramètres adimensionnels utilisés ••••••••••••••••••••••.. 70

• Transport par Charriage •.••••••••••••••••••.••••••••••..•. 71

• solide total •••••••••••••••••••••••••••••••••••• 73

c) Transports solides des sédiments fins cohésifs: vases,

l.i.ItoIlS, aI"g-iles •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••.• 75

· Description du phénomène •••••••••••••••••••••••••••••••••• 75

• Action d'un courant d'eau claire sur les fonds de vase .•.. 77

· turbide sur les de ••. 81

· Influence du gradient de concentration dans les dépôts de

vase sur l'érosion des fonds ••••••••••.•••••.•••••..••.•.. 84

2.6. INFUJEN::E DES OJURANTS SUR lA VITESSE DE CHUl'E DES PARTICUIES
RE:PARl'ITION I>F.S ~O!S 85

. Influence des courants sur la vitesse de chute des particules . 85

. Répartition des concentrations . 86

2.7. ES'l'IMM'ION DES AProRl'S SOLIDES EN FONCTION DES CAR1\CTERISTIQUES
ro B1\..S,Srn ~ ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 87
­
- IV
CHAPITRE III - 1\CrION DES ~ SUR LES SEDIMENTS
3.1. ~ON DES PHENOMENES •••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 91

a) Au la:t:g'e dLl déferlerneI1t .........•.••......•.••.••••••••••.•• 91

b) Dans la zone dLl déferlement ..•.....•...•..•..•.•....••••..•. 92

c) ~it litt:ora.l •..•.•.................•..........•...•.•..• 93

d) SUpeJ:position des courants et de la houle .....•...••.•.•.... 93

~ D'E:AIJ ~ PAR. lA. lB:JtJŒ ••••••••••••••••••••••••• 94
3.2.
a) Création et propagation des houles - Ies phénomènes de

réfraction, diffraction et réflexion, relation entre péricxle

et lla.\Iteur des 'Va.gues •••••..••••••••••.•.••.•••••••••••••••• 94

• .I::lE§.f.inition - syIn1:Jc>les ••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 94

• Relations entre les lla.uteurs des 'Va.gues irrégulières...... 95

• Evaluation des houles à partir du vent et du fetch •••••••• 96

Propagation des - Réfraction ••••••••••••••••••••••• 96

• Variation de la lla.uteur des 'Va.gues en fonction de la

profomeur- •••••••••••••.••••••••••••••.••••••••••••••••••• 97

• EneJ:gie et pression sur les forrls •.••••••••••••••••••••••• 97

• Diffraction de la houle •••••••••••••••.••••••••••••••••••• 97

• 'Réflex:ion de la ••••••.•••.•••••••••••••••••••••••.•• 98

• Ascension d'une vague sur un talus de digue ••••••••••••••• 99

• Relations entre périmes et hauteurs des vagues ••••••••••. 99

b) Mouvements d'eau près dLl fom au large du déferlement ••.••.• 99

• vitesses d'oscillations près dLl fom •••••••••••••••••••••• 99

• Courants de·translation et de COIl"lpeI'lSation •••••••••••••••• 100

c) .I::)E§.ferl~ de la houle •..•••..••••.•••••••••.••.•.••••••••• 101

• Conditions de déferlement •••••••••••••••••••••••••••••••••
• vitesses engen1rées par les vagues déferlantes............ 102

· Courants de retour ou "d'urrlert.cM" et "rip-cu.rrents" ••••.•
• Courant littoral ou courant de houle •••••••••••••••••••••• 103

• d'expansion latérale •••••••••••••••••••••••••••••
d) Actions superposées des houles et des courants •••••••••••••• 104

• MOOification des houles par les courants •.•••••••••••••.••
• Mcxlification des courants par les houles •••••....••••••.•• 104

3.3. ONIXJIATIONS DES FONDS SOUS lA lB:JtJŒ ET mJG:>SITES •••••••••••••••• 105

a) Orrlulations des fonds (sédiments sableux) •••••.••••••.•••.•. 105

b) Rugosités et coefficient de frottement (sédiments sableux) •. 106

c) Actions superposées des houles et des courants (sédiments

sableux) ..•.••..••..••....,.................................. 106

d) Orrlulations des fonds et rugosités des sédiments cohésifs... 107

3.4. ~ DES SEDDŒ::l'lrS AU IARGE DU DEFERLEMENT •••••••••••••••• 107

a) Début d'entraînement des sédiments par la houle - Profondeur

limite d'action de la houle sur les sédiments 108

· Sédiments grossiers (sables - graviers - galets)
· fins cohésifs (vases et limons) 110

b) Quantités remaniées à différentes profondeurs ..•.........•.. 112

· Sédiments grossiers (sables - graviers - galets) 112

· fins cohésifs (vases et limons) 115

c) ~blement de souilles draguées 117
­
­
- v
3.5. HJt.JVEMENrS DES SEDlMENI'S PERPENDICUIAIREMENT DANS LA ZONE DES

1.1.8
PE'I'I'IS Fmœ ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••
a) Epaisseur de la couche mobile des sables et graviers . 118

b) Estimation des quantités de sable en suspension . 119

c) Evolution des profils de plages ••••.••..••••.••.••••••.•.... 122

d) Triages granulométriques, pentes et rechargeme.nt des plages . 124

MXJVEMENr DES SEDlMENI'S PARALIELEMENl' AU LITroRAL.
3.6. ............ 1.25
TRANSIT LITroRAL GIDBAL ET REPARl'ITION DE CE TRANSIT
a) Description du phénomène - reconunarrlations •••••••••••••..... 126

b) Estimation du transit littoral des sédiments sableux .••••.•. 127

• I.a. foDllll1.e du Œ<C •••••• Ct _ • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • 127
• I.a. fonnule du L.N.H. (J. IARRAS, R. OONNEFILŒ,
128
L. ~) ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••
129
• I.a. fonnule de ~ ••••••••••••••••••••••••••••••..••••
130
• I.a. SOGREAH - L.C.H.F••••••••••••••••••••••••••••••
• Ordres de grarrleur du transit littoral des sédiments

g-ross1ers ••••••••••••••••• '. • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • 131

c) Estimation du transit littoral des sédiments fins (vases
l.inol'lS) ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 131

d) RéI;>artition du transit ••••••••••••••••••••••••••••• 133

• Mesures en modèle réduit ••••••••••••••••••••••••••••••••••
• Mesures en M'ture ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 133

e) MéthodolCXJie d'évaluation du transit littoral 134

EVO~ON DE ~ ~GNE DE ~ ••••••••••••••••••••••••••••••••• 135

a) Généralités - Notion de quantités de sédiments interceptés •. 135

b) Evaluation du déplacement de la ligne de rivage avant

contournement de l'ouvrage par les •••••••••.••••.. 137

c) du de la ligne de rivage après

sa.b..1ration de l'OlIVl:age ••••••••••••••••••••••••••••.••••...• 138

d) Evaluation de la ligne de rivage par un apport massif de

sé:::i.i.Ire.rlts ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 139

3.8. STABILITE DE GROS ENROCHEMEN.I'S SOtlMIS A L'ACrION DES HOULES ••••• 1.40
a) Générali tés, ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 140

b) Formule de stabilité des enrochements •••••••••••••••••••••••
c) Influence de la densité des enrochements •••••••••••••••••••• 141

d) l):Jrmna.ges des talus en ••••••••••••••••••••••••••
3 • 9 • '1V::rI~ CUMIJI.EES DES HOULES El' DES CX>tJRANrS ••••••••••••••••••••• 1.42
a) Eb.ld.es erl lal:x::>ra.'toire •.•..••••••••..•••.•..•................ 142

· Entre le déferlement et la côte •...••..•....•.............
• Au large du déferleI'lll2l1t . 143

b)' Formules de transport sous les actions cumulées des houles

et des aJtlrants . 144

• ~Q\10LD •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••
• FRLJI...:IlIJ'Œ -B~ •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 144

• EJGEIlJNG-HANSEN, mcx:lifiée par SWART ••••••••••••••••••.•••• 145

• A~-\...1-II'I'E •.••••••••••••••••••••••••••••••••.••••••••••• 14~
of" - VI

c) Paramètres intervenant dans le débit solide sous les actions

ClmIlllées des l1ol1les et des oouraIlts ••••••••••••••••••••••••• 146

• InflUetlCe d1.l diaInètre des sédiments •••••••••••••••••••••••
• InflUet1ce de la densité des sédilnetlts ••••••••••••••••••••• 146

• Influen.ce de la vitesse du CCJUraIlt ••••••••••••••••••••••••
• de la profondeur d'eau •••••••••••••••••••••••••• 146

InflUet1ce de la hauteur de la houle
• Influen.ce de la période de la hoUle 147

• de l'angle entre les directions de la houle et

du oouraIlt •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 147
• Influen.ce de la ntgOsité des fonds
amPITRE IV - ACTION œ VEN!' SUR 1&9 SEDDmNrS
4.1. ~aN DES PHENOMENES •••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 149

4.2. FORMUIES œ TRANSroRT IDLIEN DES SABLES SECS .................... 149

a) Début de mouvement des sables •..•..••.........•..••.•••..••. 149

b) Détennination de la vitesse de frottelnent sur le sol •.••.••• 150

Débit solide trar1s}?orté par le ven.t •......•..•.•••••••••••.• c) 150

4.3. F1\Cl'EORS M:>DIFIANr LE TRANSPORl' IDLIEN DES SABLES SECS 151

a) la <:X:JlIV'erb.1re v~ét:a.le •••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 151

b) L'htnnidité de l'air ..••...................••...•.•....••...•
c) la ~ur en. eau du.. sol ..•...•..•................•....151

4.4. DD?O~ DES TRANSPORTS ID1&IENS EN ~ ••••••••••••••••••••• 152

~OGRAPHIE ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 154
­
- 2
INTRODUCTION
Sous l'action des courants, des houles et des vents, agissant seuls ou se
superposant les uns aux autres, les particules solides qui forment les
sédiments que l'on rencontrent dans les fleuves, les estuaires et le long
des littoraux, peuvent être arrachées des fonds, entraînées en suspension
ou en charriage sur des distances plus ou moins grandes et déposées dans
les zones calmes.
Ces remaniements sédimentaires provoquent, dans certains cas, des érosions
ou des sédimentations préjudiciables à 1'équil ibre naturel d'un site ou à
son aménagement et il est nécessaire avant d'aborder 1a réal i sation d'un
ouvrage de tenir compte des interactions possibles entre le fluide en
mouvement et les sols sur lesquels il s'écoule.
Ces i nteract i ons sont extrêmement complexes en nature et 1es mouvements
sédimentaires que l'on peut constater dépendent de multiples paramètres.
Gradients de vitesses dans le fluide, tourbillons, géométrie des fonds,
tracés des rives, nature des matériaux qui pourront comporter des galets,
graviers, sables, silts ou vases, épaisseur sur le substratum, porosité et
cohésion des dépôts, caractéristiques du fluide ••. vont intervenir dans les
cond i t ions d'éros i on, de transport et de dépôt des matéri aux. Tous ces
paramètres, en plus, ne seront pas constants dans le temps mais subiront
des fluctuations et 1'équil ibre sédimentaire final sera une résultante
d' act ions hydrodynami ques où fl ui des et sol ides réagi ssent en permanence
les uns sur les autres.
Un certain nombre de loi s théori ques ou empi ri ques ont pu être défi nies
pour évaluer l'importance de ces mouvements sédimentaires dans des condi­
t ions hydraul i ques rel at i vement si mp1es : comportement des part i cul es en
eau calme,action des courants uniformes, action des houles, action des
courants se superposant à la houle, écoulements gravitaires, transports
éoliens sous l'action des vents ...
Ces lois seront présentées dans une première partie relative à "l'hydrody­
namique sédimentaire" en attirant l'attention sur le fait que ces lois ne
sont appl icables que dans des domaines particul iers propres à un type de
matéri aux ou d' écoul ement et que 1eur général isat i on à l' ensemb1e des
mouvements séd i mentaires doi t fa ire l'objet de réserves pour évi ter des
erreurs appréciables dans la quantification des phénomènes.
La deuxième partie de ce manuel sera consacrée à "l'érosion et à la sédi­
mentation du littoral" sous les actions combinées des différents facteurs
hydrodynami ques en exami nant success i vement 1a divers ité des paramètres
océanographiques, morphologiques et sédimentologiques qui peuventinterve­
ni r, l' importance des éros i ons dans 1e monde et plus part i cul i èrement 1e
long des côtes françaises, les ouvrages de défense du littoral, l'influence
des ouvrages portuaires et des dragages sur son équilibre.
Les problèmes relatifs aux phénomènes estuariens ainsi qu'aux moyens
d'étude des phénomènes séd i menta ires feront l' objet de rapports séparés
dans le cadre des études entreprises par la SOGREAH - L.C.H.F. pour le
compte du Service Technique Central des Ports Maritimes et des Voies
Navigables.