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Submitted on 24 Jun 2011
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hyperconcentrées
Caroline Le Bouteiller
To cite this version:
Caroline Le Bouteiller. Dégradation des sédiments marneux et suspensions hyperconcentrées. Sciences de la Terre. Université de Grenoble, 2011. Français. �NNT : 2011GRENU018�. �tel-00603000�
THÈSE
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE GRENOBLE
Spécialité : Sciences de la Terre, de l’Univers et de l’Environnement
Arrêté ministérial : 7 août 2006
Présentée par
Caroline Le Bouteiller
Thèse dirigée par Florence Naaïm-Bouvet
préparée au sein du Cemagref ETNA
et de l’Ecole Doctorale Terre, Univers et Environnement
Dégradation des sédiments marneux et suspensions hyperconcentrées
Thèse soutenue publiquement le 5 mai 2011, devant le jury composé de :
Michel Esteves
LTHE-IRD, Président
Pierre Julien
Colorado State University, Rapporteur
Eric Lajeunesse
IPGP, Rapporteur
Jérôme Lavé
CRPG, Invité
Yves Le Bissonnais
LISAH-INRA, Examinateur
Nicolle Mathys
Cemagref ETNA, Co-Encadrant
Florence Naaïm-Bouvet
Cemagref ETNA, Directeur
Farhang Radjai
LMGC, Examinateur
Sur lesbassinsversantsdesTerres Noires, lessédimentsmarneuxsont dégradéstrès rapi-
dement.Lesmatériauxns ainsiproduits peuvent êtreàl'origined'épisodesde ruestrès
onentrées (800g/L).
La première partie de ette thèse traite des proessus responsables de la prodution de
sédimentsns.Cesproessusadviennentàdeuxéhellesdetemps:Along-terme,entreles
périodesderues,lesmatériauxdu litexposésauxintempériessont altéréssous l'eetde
ylesgel/dégel et humetation/dessiation. Pour quantier ette vitessed'altération, les
donnéeslimatiquesdeDraixsontombinéesàdesexpérienessurlasensibilitédesmarnes
auxalternanes de température et d'humidité. A ourt-terme, pendant les rues,les ma-
tériauxharriéssontsoumisà l'abrasionetàlafragmentation sousl'eetdesolliitations
méaniques. Des expérienes en anal irulaire permettent de quantier la dégradation
pendant les rues. On montre nalement qu'il est indispensable de onsidérer es deux
éhelles de temps pour rendre ompte de la vitesse de dégradation totale observée dans
leslits.
Pour étudier plus en détail la dégradation méanique pendant les rues, on investigue
l'eet de la fragmentation et de l'abrasion à l'éhelle d'un aillou par l'intermédiaire de
simulations numériques ave la méthode des éléments disrets et d'expérienes de frag-
mentation. Les propriétés de rupture de la marne ainsi obtenues sont ensuite intégrées
dansunemodélisation del'évolution d'unedistribution granulométrique sousl'eet de la
fragmentation et del'abrasion. Lesrésultats indiquent quela fragmentation etl'abrasion
sont également importantes mais que l'eaité de lafragmentation déroît au ours de
lasolliitation.
Dansuneseondepartie,onétudieleomportementd'unesuspensiondesédimentsnsde
marnes,etl'inuenedelaonentrationsursonéoulement.Cetteétudeestbaséesurdes
mesuresderhéométrieet surdesexpérienes d'éoulement en laboratoirepour diérentes
ongurations de pente, débit, rugosité, onentration. Les expérienes mettent en évi-
deneunetransitionversun omportement non-newtonien à forteonentration(au-delà
de 600 g/L). Cei setraduit notamment par un ralentissement de l'éoulement assoié à
l'apparitiond'une zone de "plug" non-isailléeL'éoulement devient alors laminaireet le
frottement augmente fortement.Cehangement de omportement surleterrainpeutêtre
unesoure d'erreurs non négligeable dansl'estimation desdébits lors desrueshargées.
Mots lés : Marne, sédiments, transport solide, fragmentation, abrasion, altération,
érosion,éoulement hyperonentré, uide non-newtonien.
Abstrat:OntheTerresNoiresmarlyathments,downstreamningpatternsandhigh
onentrations ofsuspended sediments(up to 800 g/L)areobserved.
The present work isorganised in twoparts.The rstpart investigatesthe proessesthat
areinvolvedintheprodutionofnesediments.Suhproessesourattwodierenttime
sales: Ata monthly sale,between the oods, bed sediments areexposedto weathering
duetofrost/thawandwetting/dryingyles.Therateofsuhlong-termproessesisesti-
matedusinglimatidataandexperimentsonmarlypebbles.Atthe shortertime saleof
aood(afewminutes),bedloadsedimentsaresubjettoabrasionandfragmentation due
tomehanial loading.The rateofthisshort-termproess isquantiedbyperformingex-
perimentsin anannularumedevie.Eventually, weshowthatbothshortand long-term
proessesareneessaryto explainthe eldobserved degradationrates.
To study more in detailthe mehanial degradation atthe pebble sale,numerial simu-
lationsof fritionand impatloading areperformedwith the DisreteElement Methods,
as well as fragmentation experiments on marl. The resulting rupture properties of marl
arethereforeinorporated into anewmodelthatdesribesthe evolution of thegrain-size
distribution of sediments. The model shows that fragmentation and abrasion are both
involved and thatthe eieny of fragmentation dereases.
The seond part of the work is foused on the behaviour of a suspension of ne marly
sediments, and on the inuene of the onentration on suh ow. This study is based
on rheometer measurements and ume experiments at various slopes, disharges, ume
roughnessesand onentrations.Theseexperimentsdemonstrate thatthe uid behaviour
beomesnon-newtonian at highonentrations (above 600 g/L). Thisreatesan unshea-
red plug zone that slows the ow down. The ow may therefore beome laminar with a
high frition oeient. With suh a hange in the uid behaviour, the method used in
the eldfor disharge estimationwill not work anymore for highlyonentrated oods.
Keywords : Marl, badlands, sediment transport, fragmentation, abrasion, weathering,
erosion,hyperonentrated ow, non-newtonian uid.
qui aurait aimélire ette thèse.
Remeriements
C'estavebeauoupdeplaisirmaisaussiunpeudenostalgiequejeprendslaplumepour
remerieraprèsestroisannéestouseuxquiontontribuéàl'aboutissementdeetravail.
Jetienstoutd'abordàremerierlesmembresdujurypouravoiraeptéd'enfairepartie,
etnotammentmesrapporteurs,pourleurreletureattentiveet leursommentaires.Meri
toutpartiulièrement à Pierre Julien d'avoirtraversé l'Atlantique pour masoutenane.
Je n'auraispasommené ettethèse sanslaonanede Didieret Mohamed, quim'ont
soutenue et enouragée lors de mon arrivée au Cemagref il ya 4 anspour lemontage de
e projet de thèse. Je les en remerie don, de même que Cyril Kao, qui m'a onseillée
et aidée dansma réexion à l'époque où mon oeur balançait entre politiqueagriole et
éoulementstorrentiels.
Cettethèse a étéréalisée dansleadre d'uneformation omplémentaire par lareherhe
auseindu Corpsdu GénieRural,desEauxet desForêts.Mesremeriements vont àtous
euxqui,au sein duorps,ont enouragéet permise projet.
J'ai eu lahane d'être enadrée par Floreneet Niolle,ave qui j'aidéouvert avoir en
ommun, au-delà d'unsujetde reherhe,unintérêt pour lesbainsdeboueet lesdesserts
inversement proportionnel à laapaité de se rappeler où on a mis ses lés. Nos sessions
de manip à Nany ou Grenoble, bien qu'épuisantes, resteront d'exellents souvenirs de
ma thèse. Meri à Niolle pour m'avoir partagé ses onnaissanes sur Draix omme ses
reettesde hoolats, à Flo quim'a aidée aprendre lespetites déisions detous lesjours
quipermettent d'avaner. Merià vousdeuxpour votreonane et vosenouragements
quiont sume motiver quand jene mesentais plus apablede rien.
MeriàGuillaume,Mohamed,Niolas,Thierry,Manu,Frank,pourleursélairagessien-
tiquesdansdesdomainesaussivariésquelastatistique, larhéologie, laméaniqueou la
manièred'érire unpapier,eséhangesm'ontbeauoupapportéetfaitprogresser.Meri
aussià Françoispour sesenouragementset sesonseils lors del'ériture demonpremier
artile.
Une grandepartiede etravailreposesurdesexpérienes,qui n'auraientjamaispuavoir
lieusanslaontributiondenombreusespersonnes.MeriàFred(Ousset),XavieretChris-
tianpour leuraidepréieuse.Quid'autre seraitapablede déniher unmoteur, déouper
une bétonnière, aronter des explosions de boue et réparer une pompe géante, ave une
telle gentillesse et disponibilité? Meri à Hervé qui n'est jamais à ourt de solutions et
toujours prêt à y onsarer tout son temps, et à Fred (Marine) qui n'a pas hésité à se
ouvrirde boue pour m'aider.Un grand meri à Sébastienqui pendant presque troisans
a patiemment prélevé et stoké à Draix 800 kg de boues en prévision des expérienes.
MeriàJérmepour l'emprunt desonanal,auxaueillantsmembres duSTEVAL,spé-
ialistesdu tamisage,et auxstagiaires Margot, Chloé, Carineet El Mahdiqui ont tourà
tourramassé,trié,assé,broyé,mélangé,tamiséoupesédelamarnesoustoutessesformes.
Meri à euxqui, au Cemagref,m'ont permis de travailler dansde bonnesonditions, et
toutpartiulièrement à Martine et Corinnepour leurpatiene et leurdisponibilité.
Merià touseuxquifontvivre leCemagref,qui partagent ungâteau, unegrille demots
roisés, des bulbes d'iris, leurs réits de montagne ou leur bonne humeur, j'ai vraiment
appréiéetteonvivialitédetouslesjours.Unmerispéial àPaoloetJoshpourlepetit
aféamério-italien qui sentait si bon dans le ouloir le matin, à Adeline pour sabonne
humeur et sadéoration orale, à Vito, Assia, Virginie, Benoît, Philomène, Niolas, Ro-
main,Pauline, auxstagiairesde passage,qui ont tousontribué àégayer l'atmosphère de
eouloir.
Rien ne vaut unbon dîner à lamaison, une sortie rafraihissante dans laneige, unpetit
airdemusiquepoursehanger lesidéesentredeuxhapitres, simulationsouexpérienes.
Ungrandmeridon àmesolosSam,Jim,Renaud,Jos,Jérme, Céline,Estelle,Paolo,
Xavier, Baptiste,Gio,YvesetBarnabépourvotrejoyeuseompagnie, àmesompagnons
deordée, de rando,de raid àskiet autres festivitéshivernales, aux amismusiiens, aux
amisplus éloignés maistoujours prohes, auxvisiteurs d'un week-end, à vous tousgrâe
àqui esannéesauront été beauoupplus qu'une simple thèse.
Meri à ma famille pour votre soutien disret et bienveillant. Et meri à Gio, qui m'a
montrélehemin et m'a soutenue jusqu'àlan même depuisl'autre boutdu monde.
Introdution 1
I Prodution de sédiments ns et dégradation des marnes 7
1 Quantiation in situ de la dégradation 9
1.1 Introdution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2 Généralités surledownstream ning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3 Méthodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.4 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.5 Interprétation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.6 Conlusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2 Quantiation de la dégradation par proessus de long-terme 19 2.1 Introdution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2 État del'art desproessusexistants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3 Mesure de lasensibilitédesmarnesauxintempéries . . . . . . . . . . . . . 22
2.4 Estimation destaux dedégradation annuels . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.5 Partde esproessusdansla dégradationtotale . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.6 Conlusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3 Quantiation expérimentale de la dégradation méanique 31 3.1 Introdution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2 État del'art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.3 Méthodes expérimentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.4 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.5 Conlusions et perspetives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4 Étude expérimentale de la fragmentation des marnes 51 4.1 Introdution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.2 Méthodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.3 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.4 Disussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.5 Conlusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5 Aggregate breakage under dynami loading 59 Préambule. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.1 Introdution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.2 Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.3 Results. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.4 Mehanial interpretation andmodelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.5 Disussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.6 Conlusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
Épilogue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
6 Modélisation de l'évolution d'une distribution granulométrique 79 6.1 Introdution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.2 Desription dumodèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.3 Détermination desfontions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
6.4 Méthodes numériques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
6.5 Résultats du modèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6.6 Interprétations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
6.7 Conlusions et perspetives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
II Éoulement de suspensions onentrées de marnes 105 7 Généralités surles éoulements hyperonentrés 107 7.1 Introdution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
7.2 Les uidesnon-newtoniens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
7.3 Le asdes éoulements hyperonentrés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
7.4 Conséquenes surles propriétés deséoulements . . . . . . . . . . . . . . . 114
7.5 Conlusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
8 Méthodes expérimentales 125 8.1 Introdution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
8.2 Matériau étudié . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
8.3 Caratérisation de larhéologie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
8.4 Dispositif expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
8.5 Instrumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
8.6 Expérienes réalisées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
9 Résultats et impliations 135 9.1 Introdution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
9.2 Rhéologie d'unesuspensionde marnes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
9.3 Éoulement d'unesuspension de marnes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
9.4 Analyse et disussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
9.5 Conséquenes surlamesure desdébits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
9.6 Conlusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
Conlusions 153
Annexe 1 : Dérivation des fateurs de orretion 159
Annexe 2 : Fontionnement de la sonde Doppler à émission pulsée 163
Annexe 3 : Liste des notations 167
Bibliographie 173
