MODELISATIONS ET SIMULATIONS EN
MATIERE DE NEIGE
Pierre BEGHIN
François VALLA
Division Nlvologle, CEMAGREF Grenoble
La science de la neige a véritablement pris son essor en France au lendemain de la tristement célèbre catastrophe de Val d'Isère (39 morts, principalement des jeunes, dans un chalet de l'UCPA). En effet, les Pouvoirs Publics, conscients du retard que nous avions par rapport à nos voisins suisses entre autre, décidèrent de stimuler les recherches touchant à la neige et aux avalanches, en finançant des programmes.
C'est en 1974 que débutèrent les premières simulations et modèles touchant la neige et les avalanches, fruit d'wle collaboration menée par la Division Nivologie du CT·-GREF (actuellement CEMAGREF) ,avec le Laboratoire d'Hydraulique de l'Université de Grenoble, l'Ecole Centrale Lyonnaise et la SOGREAH. Ainsi débutèrent les premières études: une simulation d'avalanche par diverses poudres, la simulation de l'avalanche de poudreuse par de l'eau salée colorée dans un canal plein d'eau et la visualisation par fumée de l'effet d'une barrière à neige.
En une quinzaine d) années de travaux, notre Division a été amenée à traiter divers types de problèmes. En voici la liste, illustrée par quelques document s.
*) La simulation des avalanches de D~ig~ ~Q~Qr~~~~. Les photos n° l, 2 et 3 nous mo~tr~nt--ï'é~~l~tion-d'~~-a~aïanchedéclenchée artificiellement sur le site expérimentale du Col d'Ornon (38). Ces documents sont à comparer avec ceux obtenus sUr maquette, photos n° 4, 5 et 6.
*) L'étude des courants de turbidité. Cette longue étude a été menée à la demande d~-ï'Ïnstitut-d~-Pétr~ïe:-~t-a~~ë-sacollaboration.
*)L~ ~QQ~!i~~!iQ~ Q~~ Q~EQ!~ Q~ ~~ig~ E~r !~ y~~!. La photo nO? illustre bien l'effet d'une barrière à neige dans la nature On note l'existence de zones de dépôt et de zones déneigées. La photo n° 8 présente les résultats sur maquette. Divers sites réels sont en cours d'étude.
*)L~ ~QQ~!i~~!iQ~ ~~!M'!'.!!!iSll!~ Q~~~ Qn!:!~ Q~ !!!!Q!'!~!:!!iQ~ f!:~~~ l'~r
!~~rriy~~ Q~!!n~ .!!Y.!!!.!!~fh~ Q.!!~~ ~ E!.!!D Q~~~~. Cette étude correspond au cas concret de plans d'eau artificiels d'altitude soumis aux avalanches. Photo n09.
Nous allons détailler deux exemples de modélisations, celui des avalanches de neige poudreuse, et celui des congères de vent.
Les avalanches de neige poudreuse, les nuées ardentes volcaniques, cette poche de gaz carbonique échappée d'un lac africain (Cameroun) et tuant 2000 personnes par asphyxie, les avalanches sous-mar.ines comme celle de Nice, autant de phénomènes que les physiciens regroupent sous le nom de courant de gravité, c'est-à-dire descendant le long des reliefs par gravité.
Le caractère catastrophique de tels phénomènes empêche pratiquement toute étude quantitative sur le terrain.
c'est pourquoi, depuis plusieurs décennies, les scientifiques - géologues et mécaniciens des fluides - ont cherché à les reproduire en laboratoire.
Ainsi sont nées les modélisations physiques dites "en modèle noyé", ce qui signifie que les écoulements ont lieu sur des maquettes immergées dans l'eau.
Le principe consiste à remplacer l'aérosol constitué de particules de neige en suspension dans l'air par une suspension de particules (sable, argile, sulfate de barrium, poudre de PVC) dans l'eau.
Pour que la modélisation soit fidèle à la réalité, il est nécessaire de respecter un certain nombre de paramètres physiques reliant les vitesses, les dimensions et les densités des écoulements.
C'est à partir de 1974 que la Division NIVOLOGIE du C.E.M.A.G.R.E.F. de Grenoble a développé cette modélisation. Actuellement deux types d'études sont menés en parallèle;
*) d'une part l'étude théorique des courants de gravité afin de dégager les lois physiques qui les régissent.
*) d'autre part des études concrètes sur des maquettes de sites existants à la demande des gens de terrain (prévision des trajectoires et des forces d'impact des avalanches en vue de la protection des routes, voies ferrées, bâtiments, pylones de téléphériques ... ).
Enfin le caractère spectaculaire de ces experlences permet de mieux sensibliser le grand public aU danger que représentent les avalanches.
Le transport de neige par le vent conduit à la formation de congères qui entravent, lorsqu'ils ne les bloquent pas, les communication et les constructions en zone ventée.
Ce type de phénomène se modélise en laboratoire de deux façons
*
En soufflerie avec circulation d'air,dépats voies
ou de
*
En veine hydraulique dans laquelle le vent est remplacé par un écoulement d'eau et les particules de neige par des grains de sable.Pour obtenir un modèle représentatif de la réalité, i l est important de reprodujre aussi fidèlement que possible les caractéristiques du terrain et celles du vent transportant la neige ( relief, constructions présentes, rugosité du terrain, profils de vitesse du vent, rapport entre vitesse de chute des particules de neige et vitesse moyenne du vent, courbe de concentration en particules de neige transportées, .... ).
Le modèle hydraulique, s'il ne permet pas de reproduire exactement la forme des congères de neige, donne assez rapidement en revanche des
indicat ions SUl- les protect ions à met tl'e en place ou les modi ficat ions à apporter pour limi ter, supprimer ou déplacer les congères. Il est nécessaire cependant d'effectuer simultanément des observations et des mesures sur le terrain afin de vérifier que les modèles reproduisent correctement la réalité. C'est ce que l'on appelle: caler les modèles.
Pour conclure, nous exposerons l'étude d'un cas concret: la protection de la l'oute nationale 506 Chamonix-Argentièl'e. C'est cet exemple qui a été présenté en vidéo aux "Journées de Chamonix".
L'avalanche de la "Pendant" ou avalanche de la Verte descend depuis les flancs de l'Aiguille Verte et menace la route nationale. En févl'ier 1978, apl'ès une séquence météorologique particulièrement sévèl-e, cette avalanche descend avec une ampleur exceptionnelle, et fait quatre morts. La Direction Départementale de l'Equipement (D.D.E.), décide de réaliser une pl'otection sous forme de galerie, et confie l'étude sur maquette à la Division Nivolugie du CEMAGREF. Cette étude, SUI' maquette au 1/1000 détermine que des vitesses de 35 mètres par seconde peuvent être atteinte au niveau de la route, et propose une galerie d'une longueur de 450 mètres.
La construction de la galerie, en béton armé ( 6500 m3 ) nécessite deux saisons, et en 1985 la route est définitivement protégée, pour un coUt de 37,5 millions de francs.
Ainsi, dans le cadre d'un impol'tant ouvrage public l'interêt des études sur maquette apparaissait de manière évidente et spectaculaire de substentiel1es économies ont pu être faites sur la réalisation de la galerie alol's que le coUt d'une telle étude a été infédeur à 1% du budget.
ANNEXE:
DOCUMENTS CONSULTABLES AU CEMAGREf GRENOBLE ) ARTICLgS
baunJeri~~. J . fluld Mech. Y01 107, PP4ü7-4Z2, 1981.
• HOPPlNGER et rOCHON DANGUY
of G l a c i ù l o i Y nQ
19 ,1977 110PFIN\iEH etBRITTER
A mode! Sluay of powder enow avalanches. Jûurnal
GriJvllallonnal conn~ction from Inslànlaneout>
• 8EGHIH, CU/ltribllt Ion deL re5ult~t5 théorlques et expérlmenluux a la dynamique dt.'& aVald.fjclj-=~ ~ùUd'-t'U!:i02S Revue de l'ANEHA, mars 1982.
.. hAIIENNE ",t H EG H 1 N Apport des expériences en canal l 'lnterpr~tation SéàllIlt:.'11Lùl'J.lque Jli:'G ,jépOltl,j~ cOnes J é t r l t i q u e s sous marins, IF'P, 1983.
.. BEG~lrN et BhU~~oT Cuotrl[,ut Ion of theoritI c a ! and eXPt!I"lml.:'utal r e s u l t s l a
.. VILA M0jeli:;'dlion watllo?watique el 6iwulation numérique d'é\".oulelllent
surfil":e 1 1lJr e L .d Hüli1 I l e B 1 an che, 6/7 1 984 .
• bRUGHOT t l VILA Irlv€'Bliaations théoriques et eXPérimentales dea
caracteri&-tIques de~ &v~J6ncht.'s de Jlel~e dense. La Houille Blanche , 2 1~a5
* VILA l.a Plêvislorl des va~ues produites par la chute d'une aval~nche d~ns une
JùuJ"nal ut Gl<iclülugy, vol 33, Ige7.
2) J-"ILM.s ~[ VIOi0S
SIM/,V. simulatiun d'aValanches 15 mm, 10 mn 1974 . OUvRAGES A VENT,
.. VALLA .. VALLA
VE-rit , 16mln 8wn lg',S
éluû~ en soufflerie a bain d'huil~ d'une barrière a
., Cf:HAGhl:F, 1 FI', VALLA JOURNEES D~ L'HYDRAULIQUE, &jmulation~ d'avdlau~h~ssur
Wdl.,]U",tle5, t='rLse~ Je données sur le lo2'rraln, vid~o 3/4. pouces, 35 mo, 1986.
Phutl) 11·7 . S'r'st<:ffie de ll,jrrierè~
-;I~t,~ -~r;':llt....Lle~. \Ill note la
Wu-dl fic..JtlUll dll J\.'~,,)t dl; t..1 nelj{t.
Phuto n-8 étuJe d'ulle L..Jn1ère à nt::i~o:= t::flci.1r.,.d noy~. avec tnHl~vùrt Je partIcules
J~--~i..1bl~. On (t:lDù!'qlle 1't::.\l~tdIlCt: de Jépot t:n WDont ~t ~n aval Je l'ouvrage.
Photo n:Q: visualisatton sur
-é~r;ll d'une ond~ nt:! submersion
~ngendn~ep.Jr la chut!.:: d'unt:
~~g!~ O:!L~ ~! ~ ;troi~ ph~sc~ succes3ive5 d'une avalanche d~ nel,,-=: poudrcûst:. Col d'Ornun 38, d~clenchèllent iJrtifici~ll 2-83.
rb!:?lQ !!:J ....§ !:f§ ; di::ipm:Jitif txperimental de simulation physique d'iJvalfJnch~de pou-drt:use. t::t aval..inche::i tour lDdtluetle.
