Interactions entre classes de sédiments

Problématique scientifique

Les torrents de montagne et les rivières de piémont graveleux transportent de grande quantité de sédiments fins (sable fin, limon, argile), généralement issus de terrains marneux ou argileux ravinés par les eaux de ruissellement, mais aussi des sédiments beaucoup plus grossiers ; les sédiments transportés suivant ainsi une distribution granulométrique très étendue allant du bloc (particule décimétrique à métrique) à la vase (particule micrométrique). Ces sédiments sont habituellement classés en deux catégories en fonction de leur dynamique dans l’écoulement : les sédiments grossiers (graviers, sables) majoritairement transportés par charriage, et les sédiments fins (sables fins, limons et argiles) transportés en suspension. Même si leurs modes de transport sont différents, ces sédiments peuvent fortement interagir lors de phases d’érosion et de dépôt notamment.

Questions scientifiques

  • Comment le transport de sédiments grossiers est-il impacté par la présence de sédiments fins ?
  • L’impact des sédiments fins est-il lié à une modification de l’écoulement ou à une modification de la mobilité du lit ?
  • Quelles différences entre l’impact d’un sable, ou d’un limon cohésif ? Quelle est la part de la taille de ces sédiments et de leur caractère cohésif ?

Méthodologie & résultats

Nous avons choisi pour répondre à ces questions d’utiliser le canal  inclinable d’Irstea Lyon. Nous y avons installé des lits de graviers agencés par l’eau ou non, infiltrés de sable fin, de limon ou de sable plus grossier.

Les différents types de lits étudiés (Perret et al., 2017).

Nous avons ensuite réalisé des expériences lors desquelles nous avons mesuré pour différents débits liquides, le débit solide à la sortie et la contrainte de cisaillement.

Nos expériences ont permis de mettre en avant les processus clés régissant la mise en mouvement des graviers.  Notre étude a montré à une échelle globale que le transport de graviers était contrôlé à la fois par la force de l’écoulement mais aussi par la mobilité du lit. La résistance à l’écoulement (autrement dit la rugosité hydraulique) et la mobilité du lit (autrement dit la contrainte de mise en mouvement) sont toutes deux impactées par l’arrangement de surface, par la quantité de sédiments fins dans la couche de transport (couche où les interactions entre sédiments grossiers et fins s’effectuent) et par les changements de propriétés géotechniques du lit dues à la présence de sédiments fins (perméabilité ou cohésion/consolidation du lit). Plus le lit est arrangé, plus le transport de graviers est difficile. Nos expériences ont montré que même un faible arrangement du lit peut entraîner de fortes modifications au niveau du transport solide. Une méthode a été développée dans le but de caractériser l’arrangement initial de la surface du lit. Cette méthode est basée sur la mesure topographique du lit. Grâce à l’analyse de l’ensemble des élévations du lit, différents critères peuvent être calculés et ceux-ci peuvent permettre
de classer le lit en fonction de son arrangement (lit lâche ou lit arrangé). Les critères de surface sont la rugosité des grains, le degré d’armurage, la taille des formes du lit et des différentes structures ainsi que l’orientation des grains présents en surface. La présence de sédiments fins cohésifs dans la matrice
grossière réduit fortement le transport des graviers. Les sédiments fins non cohésifs, eux, ont un effet lubrificateur sur les graviers. Plus la concentration en sédiments fins dans la couche de transport est forte, plus le transport de graviers est augmenté. Cette concentration est directement liée au mode de transport des sédiments fins (charriage ou suspension) et à leur distribution dans la matrice grossière.

Projets

  • PHC FASIC 2014 FISME, Coordinateur Scientifique : Albert Herrero, Fisme project (FIne Sediment Mass Exchange) deals with the study of fine sediment infiltration into a channel bed formed by coarser material. Its main objective is to develop a theoretical tool to quantify mass exchange of fine sediment traveling in suspension within a river flow and validate it with laboratory and field observations.
  • Projet Agence de l’eau 2015 : Décolmatage des sédiments fins dans le lit d’une rivière à graviers

Thèses et post-doctorats

  • 2014-2017 : Perret Emeline, Transport de graviers à faibles contraintes : impact de l’arrangement et de l’infiltration du lit par les sédiments fins, Université C. Bernard, Lyon 1.
  • 2013-2015 : Herrero Albert, Infiltration de sédiments fins dans une matrice de sédiments grossiers.

Publications

Perret E., Berni C., Camenen B., Herrero A., et El Kadi Abderrezzak K. (2017) Transport of moderately sorted gravel at low bed shear stresses : the role of fine sediment infiltration. Earth Surf. Proc. Land., pages 956–962. doi : 10.1002/esp.4322.

Herrero, A. et Berni, C. (2016). Sand in ltration into a gravel bed : a mathematical model. Water Resources Research 52, p. 14. doi : 10.1002/2016WR019394.