Cette étude s'inscrit dans le développement de modèles à base physique de l'érosion hydrique à l'échelle des versants. L'objectif est la construction d'un modèle numérique (PSEM_2D, Plot Soil Erosion Model) couplant les mécanismes d'infiltration, de ruissellement et d'érosion. Les paramétrisations sélectionnées sont implémentées dans le modèle. Une première évaluation à partir de données de la littérature donne des résultats satisfaisants et montre l'intérêt d'un tel outil pour l'étude des transferts d'eau et de particules. L'étude se concentre ensuite sur les processus de l'érosion concentrée. L'analyse d'une base de donnée américaine portant sur la distribution granulométrique des particules exportées, l'hydraulique et les régimes d'érosion dans des rigoles révèle l'existence de différents comportements fonction de la texture des sols et sert de base à une comparaison avec PSEM_2D. Les formules de capacité de transport de Low (1989) et de Govers (1992) donnent les meilleurs résultats. Le modèle d'arrachement permet de reproduire les régimes d'érosion mais atteint ses limites quand des rigoles trop profondes se forment. Une étude expérimentale dans un canal de 3 m de long est menée pour améliorer la paramétrisation du transport de particules en distinguant transport en suspension et charriage en fonction en particulier de la taille et de la densité des particules. Enfin, le modèle numérique est utilisé pour une étude de cas de l'érosion hydrique sur une parcelle de 100 m² pour différentes configurations hydrologiques, topographiques et pédologiques. Les résultats sont analysés à l'exutoire de la parcelle et le long d'une toposéquence de 20 m de long divisé en cinq tronçons.

Les géo-structures telles que les barrages et les digues sont soumises à des écoulements hydrauliques variant dans le temps et dans l'espace. L'eau qui traverse ces milieux poreux peut entraîner le détachement et le transport de certaines particules des sols constituant les structures et leurs fondations. Ce problème est généralement appelé "érosion interne". Le terme suffusion, un type d'érosion interne, se réfère au détachement et au transport de particules les plus fines à traversune matrice de sol poreuse plus grossière en raison d'un écoulement hydraulique. L'évolution temporelle de la suffusion peut modifier les propriétés hydrauliques et mécaniques des sols et peut entraîner des changements importants dans le comportement de telles structures pouvant aller jusqu’à leur effondrement. Ce travail de thèse tente de contribuer à la conception et à la durabilité des ouvrages en ingénierie géotechnique et hydraulique en mettant un accent particulier sur les barrages, les levées et les digues. Il a été consacré à développer un modèle numérique de suffusion en introduisant d’une part le couplage des phénomènes hydrauliques et mécaniques et d’autre part le couplage des phénomènes d'érosion et de filtration. / Geo-structures such as dams and levees or dikes are subjected to seepage varying in time and space. The water flowing through these porous media can lead to the detachment and transport of part of the soil particles within the structures or their foundations. This problem is usually called internal erosion. The term suffusion, one type of internal erosion, refers to the detachment and transport of finer particles through a coarser porous soil matrix due to seepage flow. Suffusion can modify with time the hydraulic and mechanical properties of the soils and may trigger significant damage on such structures and lead eventually to their collapse. This research attempts to contribute to the design and sustainability of geotechnical and hydraulic engineering structures, with a particular focus on embankment dams, levees, and dikes. It aims to develop a numerical model of suffusion by introducing, on the one hand, the coupling of the hydraulic and mechanical phenomena and, on the other hand, the coupling of erosion and filtration.

En passant de 50 000 à plus d'un million d'individus en moins de 40 ans, la Grande Oie des neiges exerce une pression si forte sur son habitat que l'équilibre écologique de ce dernier est menacé.En effet, lors de ses haltes migratoires automnales et printanières, elle dévore tout sur son passage, en particulier les rhizomes de scirpe américain. Cette situation est fort préoccupante, particulièrement pour la préservation de l'intégrité écologique des marais. Il s'avère donc essentiel de déterminer avec le plus de précision possible à quel point l'évolution de la végétation des marais à scirpe est importante. Pour ce faire, une analyse spatio-temporelle a été effectuée pour les sites traditionnels d'halte migratoire, c'est-à-dire Cap Tourmente, Montmagny, l'Isle-aux-Grues et Cap-Saint-Ignace. Aux images satellitaires IKONOS datant de 2002 s'ajoutent des photographies aériennes prises au cours des quatre dernières décennies. Des classifications servant à identifier les groupements végétaux et les taux de recouvrement du scirpe sont réalisées à partir du logiciel eCognition ( Definiens ) afin de tirer profit de toutes les caractéristiques spectrales, texturales et contextuelles des classes identifiées. De nombreuses données prises sur le terrain servent à la fois à l'entraînement et à la validation des classifications. Les résultats tirés des analyses des secteurs de Cap-St-Ignace, Cap Tourmente et Montmagny révèlent une diminution des proportions de scirpe particulièrement importante à partir des années 1980 à l'intérieur du bas marais. Cette transition s'effectue généralement au profit de la zizanie aquatique dont les populations se sont sensiblement accrues au cours de la même période. De plus, un phénomène important d'érosion a été observé à la limite entre le haut et le bas marais pour pratiquement l'ensemble des secteurs étudiés. Le taux d'érosion peut atteindre 1,5 m/année à plusieurs endroits, ce qui met en péril l'équilibre écologique de ces milieux.

Nous avons visualisé et quantifié, grâce à un rhéomètre transparent contra-rotatif, les mécanismes de dispersion (érosion et rupture) d'un amas de noir de carbone dans une matrice élastomère soumise à un cisaillement simple. Des lois de dispersion ont été déterminées: la rupture est caractérisée par une contrainte critique de rupture qui s'avère être inversement proportionnelle à la taille de l'amas, l'érosion est définie par une loi reliant le volume érodé à la contrainte et à la quantité de déformation appliquées, loi qui ne dépend pas de la taille de l'amas. L'effet de paramètres clés pour la dispersion (infiltration, concentration) a été étudié. Une infiltration partielle de l'amas par la matrice ou la concentration en charge (via la fréquence de collision) accélèrent l'érosion. Un modèle de dispersion a été construit. Il permet de prédire l'évolution de la taille d'un amas de noir de carbone au cours du mélangeage et peut être utilisé pour optimiser la dispersion en mélangeur.

L’objectif du présent travail est l’analyse du fonctionnement des aménagements antiérosifs les plus répandus en Tunisie, les banquettes et les lacs collinaires. L’évaluation des banquettes a été basée sur leur caractérisation, le diagnostic de leur état, leur incidence sur le développement et la croissance de la culture de l’orge et leur impact sur certains paramètres physico-chimiques du sol. La reconstitution des apports hydriques, l’estimation des prélèvements pour l’irrigation et la détermination des apports solides moyens et exceptionnels ont été utilisés comme indicateurs pour l’évaluation des lacs collinaires. L’analyse diachronique a mis en évidence l’importance des cultures annuelles du périmètre aménagé en banquettes et la régression des espaces réservés aux terrains de parcours au cours du temps. Les résultats montrent que certaines banquettes ont été surdimensionnées tel que pour les écartements, les superficies des inter-ouvrages et leur longueur. Le diagnostic de l’état des ouvrages montre qu’une forte proportion des banquettes a été affectée par diverses formes de dégradation qui semblent être en rapport avec l’événement pluvieux exceptionnel de l’hiver 2003. L’évaluation des effets de l’aménagement en banquettes sur la production des céréales montre que la croissance, le développement végétatif et la production de matière sèche de la culture d’orge ont été significativement améliorés pour la zone située à proximité de l’ouvrage en comparaison avec la zone non aménagée. Après plus de trois décennies de la réalisation de l’aménagement, l’accroissement du rendement attribué à la mise en œuvre des banquettes a été évalué à 33% à proximité du bourrelet et à près de 10% en intégrant la superficie de l’ensemble de l’inter-banquette. Par ailleurs, l’aménagement en banquettes permet d’accroître la profondeur du sol, la teneur en matière organique, la capacité de rétention de l’eau, la fraction fine du sol et de réduire le taux de cailloux dans la zone limitrophe des ouvrages. Le taux de carbonates, le pH et la conductivité électrique semblent être non affectés par la mise en œuvre des banquettes. L’évaluation des prélèvements annuels, pour les besoins en eau d’irrigation, en moyenne durant la période de suivi, au niveau des lacs collinaires sur l’oued Fathiza I, l’oued Ras Rmal et l’oued Sned sont plus faibles que les apports effectifs indiquant une sous-utilisation de l’eau. Les apports moyens effectifs représentent entre 36% et 195% des apports estimés selon les ouvrages. Les apports solides moyens initialement estimés pour chacun des trois ouvrages ont été sous évalués se traduisant ainsi par une sédimentation prématurée. Les taux élevés de sédimentation risquent de compromettre la durée de vie des réservoirs. Les pertes de capacité, à la suite des précipitations exceptionnelles de l’hiver 2003, varient de 3,5% à 7,3% de la capacité initiale. Ces taux de sédimentation montrent l’impact des évènements paroxysmiques sur l’érosion au niveau des bassins versants de ces lacs collinaires. La spatialisation de la sédimentation à travers les cuvettes montre que l'essentiel du dépôt solide a lieu à l'amont des cuvettes.

L'impact environnemental est un paramètre prépondérant dans l'élaboration de nouveaux matériaux. Dans le secteur du transport, l'introduction de silice précipitée comme charge renforçante en remplacement d'une partie du noir de carbone a permis de mettre au point des pneus plus respectueux de l'environnement.L'objectif de notre projet consiste à déterminer l'effet des conditions d'élaboration et de traitement de la silice sur l'aptitude des granules de silice à se disperser dans l'élastomère, sans compromettre leur résistance à la fragmentation en milieu sec lors des opérations du procédé. Pour ce faire, différentes caractérisations ont été effectuées. Tout d'abord, une analyse de la texture des agglomérats de silice est réalisée dans le but d'obtenir une description morphologique de ces granules (surface spécifique, granulométrie, structure 3D). Une étude du comportement des granules sous contraintes mécaniques (ultra-sons, transport pneumatique) a permis de quantifier la cinétique de désagglomération des micro-granules de silice. Ces différentes mesures expérimentales nous permettent de mettre en évidence l'impact des étapes du procédé sur les propriétés des granules de silice. Ceci nous a permis de mettre en avant différents mécanismes de fragmentation des granules. Enfin, nous proposons une modélisation de la fragmentation au moyen d'un modèle matriciel. Ce modèle a permis, à partir de données expérimentales, de remonter aux mécanismes de fragmentation.

Les alignements d'îles nées d'un point chaud sont le dispositif idéal pour étudier l'évolution d'un relief volcanique sur le long-terme et suivant des stades caractéristiques (Hawaï, Société). Notre travail aborde cette problématique sous l'angle des rythmes de construction et de destruction. Le site des Iles Canaries est privilégié car la lenteur de déplacement de la plaque africaine et un point chaud composite prolongent les effets du volcanisme dans le temps (20-25 Ma), multipliant ainsi les repères chronologiques et morphologiques. Corrélés à ces particularités géodynamiques, les rythmes de construction volcanique sont estimés en couplant les datations K-Ar et les mesures du paléomagnétisme rémanent. Lors des premiers stades de construction (stade bouclier), la destruction se manifeste surtout par des déstabilisations instantanées et massives, impliquant plusieurs dizaines de km³. Ces évènements ont des conséquences directes (cicatrices, avalanches de débris, tsunamis), mais conditionnent aussi en partie l'évolution volcanique et morphologique ultérieure des îles. Nous avons élaboré une base de données morphométrique de 122 barrancos et amphithéâtres d'érosion. Les vitesses d'érosion sur le long-terme (vitesses d'incision linéaire et vitesses de recul des versants des barrancos), particulièrement importantes lors des phases de régénérescence volcanique, et les taux de sédimentation sous-marine sont principalement dépendants des rythmes, de la répartition spatiale et des dynamismes de construction volcanique, et de la récurrence des déstabilisations massives. La méthodologie développée ici aux Iles Canaries est applicable aux autres archipels de point chaud.

Ce travail de thèse porte sur l'étude des mécanismes de blocage d'un écoulement d'eau dans un milieu granulaire par injection d'un produit de colmatage, et s'inscrit plus généralement dans la problématique de l'érosion interne des sols (Projet National ERINOH). Cette recherche, à dominante expérimentale, s'appuie sur une modélisation physique unidimensionnelle. Pour cela, une conduite d'écoulement de 18 cm de diamètre intérieur et 300 cm de longueur maximale, constituée par plusieurs tronçons de 50 cm de longueur assemblés, a été développée. Celle-ci est tout d'abord remplie du matériau granulaire perméable à étudier ; on établit ensuite un écoulement d'eau permanent à pression imposée à l'amont ; finalement on vient injecter localement un produit de colmatage pour essayer de bloquer l'écoulement. Le dispositif est équipé de plusieurs capteurs de pression, de débitmètres, d'un turbidimètre afin de mettre en évidence les paramètres significatifs qui contrôlent le processus de blocage. Les paramètres expérimentaux sont les caractéristiques du milieu granulaire (type de sol, conductivité hydraulique, état de compacité…), les caractéristiques de l'écoulement (vitesses, gradients hydrauliques, régime de l'écoulement…), les propriétés rhéologiques du coulis d'injection (densité, viscosité, seuil de cisaillement…) et la technique d'injection associée. Sur la base des résultats obtenus, on propose des critères de blocage de l'écoulement combinant ces derniers paramètres sous une forme suffisamment simple, utilisable dans la pratique, pour répondre à la demande des industriels impliqués dans le projet de recherche ERINOH, qui sont confrontés à ces pathologies / The present PhD thesis focuses on the mechanisms of blocking permanent water flow through a granular soil by injection of a grout. This work is part of the more general problem of internal erosion of soils (French National Project ERINOH). This research, mainly experimental, is based on a one-dimensional physical modelling. For this, a new original prototype setup, allowing to generate permanent flow in a 18 cm inner diameter and 3 m long plexiglas pipe, has been developed. It is first filled with a highly permeable granular medium, then permanent flow of water is generated at controlled upstream pressure, and finally the grout is injected locally in order to try to block the water flow. The set-up is equipped with multiple pressure sensors, flowmeters, a turbidimeter to monitor the significant parameters that control the clogging process. The experimental parameters are the characteristics of the granular medium (soil type, hydraulic conductivity, density ...), the flow characteristics (flow rate, hydraulic gradient, flow regime ...), the rheological properties of the grout (density, viscosity, yield stress ...) and the associated injection technique. Based on the results obtained, clogging criteria are proposed, as a function of the parameters involved, in a simple form for use in practice.Key-words: internal erosion, clogging, injection, grout, bentonite, yield stress, viscosity.

L’énergie hydraulique, où l’énergie cinétique de l’eau est transformée en énergie électrique, représente une contribution importante aux énergies renouvelables. L’eau qui passe par les turbines hydrauliques contient toujours une partie solide, par exemple du sable et de l’argile. Ces sédiments peuvent atteindre des niveaux de concentration élevés, ce qui nuit considérablement à la structure de la turbine par un mécanisme d’endommagement appelé érosion hydro-abrasive. Des types de turbine impliquant des vitesses d’écoulement très élevées, comme les turbines Pelton, sont particulièrement sensibles à l’érosion hydro-abrasive. Les simulations numériques présentent un moyen efficace d’étudier le sujet de l’érosion hydro-abrasive dans les turbines Pelton car elles permettent facilement la variation des nombreux paramètres. Ainsi, une réponse immédiate aux questions opérationnelles, de conception ou d’optimisation peut être obtenue. Cependant, il a été démontré que l’application des modèles d’érosion généraux et souvent utilisés ne fournit pas de résultats corrects en raison des propriétés particulières du matériel et de l’écoulement des turbines Pelton. Par conséquent, ce travail étudie le potentiel de la modélisation de l’érosion directe basée sur des principes fondamentaux. Cela implique que le mouvement des sédiments dans le fluide est simulé, leurs paramètres au moment de l’impact enregistrés et ensuite l’endommagement macroscopique global du matériel calculé sur la base des simulations de structure en microéchelle. Une formulation très appropriée pour les simulations fluides dans les turbines Pelton est une méthode sans maillage, plutôt nouvelle, qui s’appelle Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). Par conséquent, la première partie de ce travail aborde la mise en oeuvre et l’évaluation d’un modèle Lagrangien de transport des sédiments dans le cadre de cette méthode où les sédiments sont transportés par une équation de mouvement. L’effet du bruit inhérent à la méthode SPH sur le mouvement des sédiments est évalué par rapport à l’effet de la dispersion turbulente des sédiments, qui a été introduite par un modèle basé sur l’équation de Langevin. En outre, les termes liés aux différentes forces dans l’équation du mouvement sont étudiés dans le cadre de la méthode SPH. Une deuxième partie de ce travail développe une approche efficace et généralement applicable pour obtenir l’endommagement globale sans adopter des modèles d’érosion. Pour obtenir cet endommagement global en macroéchelle, l’endommagement causé par un seul impact de sédiment, qui est calculé par des simulations de structure en microéchelle, est combiné avec les statistiques d’impact des simulations du fluide. / Hydraulic energy represents one important contribution to the growing source of renewable energies where the kinetic energy of water is transformed into electric energy. The water flowing through the hydraulic turbines always contains a solid part, for example sand and clay. Those sediments can reach high concentrations, harming importantly the turbine structure by a mechanism called hydro-abrasive erosion. Turbine types implying very high flow velocities, like Pelton turbines, are in particular sensitive to hydro-abrasive erosion. Numerical simulations present an efficient way to study the topic of hydro-abrasive erosion in Pelton turbines as they allow the variation of numerous parameters. Thus an immediate response to operational, design or optimization questions can be obtained. However it has been shown that the application of general, widely used erosion models do not deliver physical correct results due to the particular material and flow properties of Pelton turbines. Consequently this work investigates the potential of erosion modeling based on first principals. That means the sediment movement in the fluid is simulated, their state at impact tracked and then the overall macroscopic material damage calculated based on microscale structural simulations. A convenient formulation for fluid simulations in Pelton turbines is the rather novel, meshless method Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). Therefore the first part of this work addresses the implementation and evaluation of a Lagrangian sediment transport model in the framework of this method where sediments are transported by a particle equation of motion. The effect of the SPH method inherent noise on the sediment movement is evaluated against the effect of the turbulent dispersion of the sediments, which has been introduced via an ad-hoc model based on the Langevin equation. Furthermore the different force terms in the particle equation of motion are investigated with respect to the SPH method. A second part develops an efficient and general applicable approach to obtain the overall erosion damage without adopting erosion models. Therefore the damage caused by a single sediment impact is calculated by structural simulations on the microscale in a first step. In a second step that isolated damage is combined with impact statistics from the fluid simulations and hence gives the overall damage profile on the macroscale.

L’histoire géologique récente de Mars reste peu étudiée, comparativement à l’histoire « primitive » de Mars (>3,5 Ga). Cependant, l’arrivée de nouvelles images haute résolution a permis d’identifier la présence de ravines à la surface de terrains très récents. Dans ce travail, nous nous sommes attaché à caractériser la morphologie des ravines et les processus qui les ont générés. Ces nouvelles observations relancent la question de la présence d’eau liquide actuellement à la surface de Mars que ce soit à l’état pur ou sous forme de mélange (saumure, coulée de débris...). Des simulations expérimentales en chambre froide à la pression atmosphérique de Mars et de la Terre ont été menées. Elles ont notamment permis de quantifier le rôle de la teneur en eau dans la couche active du pergélisol sur le mécanisme de formation des ravines et leur mobilité. Nous avons également décrit l’évolution saisonnière de petits réseaux ramifiés qui se sont développés chaque année au printemps durant la période 2007-2012. / The recent geological history of Mars remains poorly studied, in comparison to theearly history of Mars (>3,5 Ga). However, the acquisition of new high-resolution imagesallowed to identified the presence of gullies on the surface of recent landforms such asdunes. In this work, we focused on characterizing the morphology of gullies and theirprocess(es) of formation. These new observations revive the issue of the presence of liquid water present on the surface of Mars than either pure or as a mixture (brine, debris flow ...). Experimental simulations in a cold room at Martian and terrestrial atmospheric pressure have been conducted. In particular, they allowed us to quantify the role of water content in the active layer of the permafrost in order to better constrain the mechanism of formation of gullies and their motion. We also described the seasonal evolution of small branched networks developed at spring during the 2007-2012 period.