Étude expérimentale de la ségrégation en transport solide par charriage

Experimental study of segregation mechanisms in bedload sediment transport

• Auteur / Autrice : Ashley Dudill
• Direction : Philippe Frey, Marwan A. Hassan, Jeremy G. Venditti, Michael Church
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'univers, et de l'environnement
• Date : Soutenance le 28/09/2016
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE) en cotutelle avec University of British Columbia (Vancouver, Canada)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble, Isère, France ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Érosion torrentielle, neige et avalanches (Grenoble, Isère, France ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Eric Barthélémy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Roger Beckie
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Lynne E. Frostick, Hervé Piégay

Mots clés

Mots clés contrôlés

Percolation (physique statistique)

Prolongement analytique

Mécanique des fluides

Mots clés libres

Transport de sédiments

Charriage

Ségrégation

Expérimental

Reproductibilité

Sediment transport

Bedload

Segregation

Experimental

Reproducibility

Résumé

Cette recherche porte sur les mécanismes de ségrégation dans le transport de sédiments par charriage. Des expériences simplifiées consistant à introduire un débit de particules fines sur un lit plus grossier, mobile, en équilibre, ont été entreprises dans un canal particulaire étroit en utilisant des billes de verre sphériques. Les expériences montrent des réponses différenciées en fonction du rapport de taille entre les particules grossières du lit (Dc) et les fines (Df). Des rapports de taille (Dc/Df) entre 7,14 et 1,25 ont été testés, pour différents débits solides de particules fines, tout en maintenant le débit solide des particules grossières constant. Des travaux antérieurs ont mis en évidence une augmentation des débits solides suite à l’introduction de grains fins. Les expériences présentées ici identifient les frontières au sein de ce comportement.Le tamisage cinétique a lieu à la surface du lit mobile, avec des sédiments plus fins se déplaçant vers le bas de la couche de charriage à l'interface du lit grossier quasi-statique. Le comportement à cette interface dicte comment le système répond à l’introduction de sédiments fins. Si, par percolation spontanée, le sédiment fin est capable de s’infiltrer dans le lit quasi-statique sous-jacent, le débit solide total augmente et le lit s’incise (diminution de pente). Toutefois, si les fines ne peuvent géométriquement s’infiltrer ou dépassent la capacité de transport, elles forment une couche quasi-statique sous la couche de charriage, qui empêche l'entraînement du lit sous-jacent, résultant en un exhaussement (augmentation de pente).Un essai formel de la reproductibilité des résultats ci-dessus a été effectué dans un autre laboratoire avec le même mode opératoire expérimental. La comparaison des résultats qualitatifs révèle les mêmes processus dominants. Cependant, des différences sont notées dans les résultats quantitatifs, du fait de la quasi-impossibilité de reproduire exactement la même expérience.Une dernière série d'expériences évalue les différences et les similitudes entre les expériences menées avec des billes de verre sphériques et des matériaux naturels ce qui permet d’étudier l’influence de la forme. Alors que les expériences avec des matériaux idéaux révèlent des mécanismes fondamentaux associés au transport granulaire et à la ségrégation, plusieurs nouveaux phénomènes sont observés avec des matériaux naturels, notamment une modification du potentiel d’infiltration et l’émergence de formes du lit.

This research focuses upon size segregation mechanisms in bedload sediment transport. Simplified experiments with fine grain inputs to a mobile coarse bed in equilibrium were undertaken in a small, narrow flume using spherical glass beads. The experiments demonstrate the influence of the size ratio between the bed (Dc) and the input (Df) upon the channel response. Size ratios (Dc/Df) between 7.14 and 1.25 were tested, with a constant coarse feed rate, and a variety of fine feed rates. Previous work has documented an increase in sediment transport rates as a result of a fine grain input; the experiments presented herein identify boundaries within this behaviour.Kinetic sieving takes place in the mobile bed surface, with the finer sediment moving to the bottom of the bedload transport layer at the interface to the underlying quasi-static coarse bed. The behavior at this interface dictates how a channel responds to a fine sediment input. If, by spontaneous percolation, the fine sediment is able to infiltrate into the underlying quasi-static bed, the total transport increases and the bed degrades causing a reduction in the slope. However, if the fine sediment input rate exceeds the transport capacity or is geometrically unable to infiltrate into the underlying bed, it forms a quasi-static layer underneath the transport layer that inhibits entrainment from the underlying bed, resulting in aggradation and an increase in bed slope.A formal test of the reproducibility of the aforementioned results was undertaken in a different laboratory, with the same experimental procedure. Comparison of the qualitative results reveals that the same dominant processes occur. Consistent differences, however, were present between the quantitative results; likely a result of differences in the experimental arrangement.A final set of experiments assesses the differences and similarities between experiments undertaken with spherical glass beads and natural materials to examine the complexities introduced due to particle shape. While the experiments with ideal materials reveal fundamental mechanisms associated with granular transport of mixed sizes, several key new phenomena are apparent in the experiments with natural materials, including changes in the infiltration potential and the emergence of bed structures.