Cette thèse consiste en l’étude expérimentale de l’érosion d’un milieu granulaire horizontal par un jet vertical. Dans un premier temps, nous étudions finement le seuil d’érosion. L’injecteur est placé à une distance donnée de l’empilement, et la vitesse débitante du jet est progressivement augmentée jusqu’à l’observation du déplacement des premiers grains à la surface du sédiment. La variation de la distance pour la mesure du seuil conduit le jet à passer par différents régimes d’écoulement, notamment laminaire et turbulent. Une analyse est menée à partir des modèles auto-similaires des jets en régimes laminaire et turbulent, qui prévoient une décroissance de la vitesse axiale en fonction de la distance au point source de l’écoulement appelé origine virtuelle. Il est alors possible d’estimer la vitesse locale au niveau de l’empilement, ce qui permet de montrer que le mécanisme local d’érosion décrit par le nombre de Shields est inertiel et indépendant du régime du jet. Dans un second temps, nous menons une étude sur la morphologie des cratères formés au-delà du seuil d’érosion. A nombre de Shields inertiel croissant, le cratère passe d’une forme entièrement parabolique à une forme plus complexe, composée d’une partie parabolique invariante à l’aplomb du jet et d’une couronne avalancheuse de pente constante sur les flancs. Nous montrons que l’épaisseur de l’empilement n’a pas d’influence sur les caractéristiques des cratères tant que le jet n’atteint pas le support. Lorsque c’est le cas, nous observons alors une troisième forme de cratère composée d’une région centrale sans grains et conservant une partie avalancheuse sur les flancs, raccordée au support par une petite zone parabolique. Nous montrons enfin que les caractéristiques du cratère sont contrôlées par la distance jet-empilement et qu’il est nécessaire de tenir compte de l’écart du nombre de Shields à sa valeur seuil dans cette analyse en fonction de la distance. / The present thesis consists in the experimental study of the erosion of a horizontal granular bed by a vertical jet. In a first part we study in details the erosion threshold. With the injector fixed at a given distance from the granular surface, the mean jet velocity is gradually increased until the displacement of first grains at the bed surface. Depending on the jet-bed distance, different jet flow regimes are observed, from laminar to turbulent. Using self-similar jet models in either laminar or turbulent regimes, which predict the axial velocity decay as a function of the distance from a flow point source called virtual origin, the local velocity at the bed position is estimated, allowing us to show that the local erosion mechanism described by the Shields number is inertial and independent of the jet regime. In a second part, we study the shape of craters formed above erosion threshold. Increasing the Shields number, the crater goes from a shape entirely parabolic to a more complex one with an invariant parabolic region close to the jet axis and a constant avalanching slope further on the side. We show that the bed thickness has no influence on the crater characteristics as long as the jet does not reach the bottom wall. When it does, we observe a third shape for the crater composed of a central flat region without any grains connected to the avalanching crown on the side by a small parabolic crown. We show the crater characteristics are governed by the jet-bed distance and that it is necessary to take into account the difference between the Shields number and its threshold value in this distance analysis.

En morphodynamique littorale, les environnements côtiers sont habituellement traités comme des milieux naturels où les interventions humaines sont susceptibles de perturber leur équilibre. Dans ce travail de recherche, une approche différente est adoptée. Il s'agit de décrire des comportements morphosédimentaires en supposant a priori que certaines morphogenèses sont (au moins partiellement) d'origine anthropique. Trois sites représentatifs ont été sélectionnés dans la Zone des Pertuis Charentais : la lagune de La Belle-Henriette, la dune de Saint-Trojan et la plage de Marennes. Sur ces sites, les interactions du passé entre les processus naturels et anthropiques ont résulté sur une progression historique du trait de côte. L'évolution actuelle des conditions environnementales y est perçue comme une contrainte forte, car elle induit d'importants phénomènes d'érosion, notamment lors des tempêtes. Les responsables locaux de l'aménagement du littoral s'interrogent sur la pertinence des méthodes qui leur sont proposées pour prévoir ces phénomènes. Leurs critiques ne portent pas sur la scientificité des modèles mais sur leur mise en pratique. Pour répondre à cette demande sociale en prédiction du dommage, une nouvelle méthode est proposée. Il s'agit d'employer un modèle de comportement pour construire un indice d'érosion localement défini et facile à mettre en oeuvre. Cette méthode est d'abord validée a posteriori à partir de mesures archivées depuis le début de l'année 2003 et à partir du cas de l'ouragan du 27 décembre 1999. Elle est ensuite validée a priori en tant qu'outil de prédiction à l'occasion de plusieurs tempêtes récentes.

La chaîne de l'Himalaya, longue de près de 2500 km, résulte de la collision des continents indien et asiatique qui a été initiée il y a 55 Ma. Depuis cette collision initiale, la morphologie des paysages au niveau de l'ensemble Himalaya/Tibet n'a pas cessé d'évoluer, façonnée par la tectonique et l'érosion. A son extrémité nord-ouest, la chaîne de l'Himalaya montre une mosaïque de reliefs contrastés. Des zo-nes aux reliefs vigoureux enchâssent des régions caractérisées par un relief faible mais à haute altitude. Le meilleur exemple en est sans doute le Plateau de Deosai. Situé à ~4000 m d'altitude moyenne sur les terrains de l'Arc Kohistan/Ladakh, il est entouré de massifs aux reliefs très incisés, tels que la chaîne du Karakorum au nord-est et le Massif du Nanga Parbat à l'ouest. Ces massifs regroupent à eux deux 6 des 14 sommets de plus de 8000 m au monde.<br />Cette étude présente une analyse couplée morphologique et thermochronologi-que de l'Himalaya du nord-ouest, appuyée sur deux campagnes de terrain sur et autour du Plateau de Deosai. Cette approche pluridisciplinaire nous à permis : (1) de préciser les caractéristiques morphologiques de l'Himalaya du nord-ouest et (2) d'éclairer l'histoire de la formation et de l'exhumation des régions de faible relief à haute altitude jusqu'alors peu étudiées dans ce contexte. <br />Les analyses morphologiques, à l'échelle du nord-ouest Himalaya, montrent que plusieurs zones de faible relief à haute altitude existent à l'ouest de la Faille du Ka-rakorum, de part et d'autre de la suture Indus-Tsangpo. Les travaux de thermo-chronologie permettent de proposer les premiers âges thermochronologiques de basse température (AFT, et (U-Th)/He sur apatite et zircon) de cette partie de l'Arc Kohistan/Ladakh. Ils suggèrent, grâce à la modélisation d'histoires thermiques et leur comparaison avec les données de la littérature, que les surfaces de faible relief à haute altitude se sont formées depuis 30 à 40 millions d'années. Ces dernières ont, depuis ce stade, évolué lentement, à la faveur de vitesse d'exhumation faible (~200 m.Ma-1), au contraire des massifs incisés dont l'exhumation est rapide (plu-sieurs km.Ma-1 pour le Nanga Parbat depuis ~10 Ma). L'étude morphologique des profils des rivières drainant le Plateau de Deosai et la modélisation thermo-cinématique de l'évolution de sa bordure nord, nous permettent de montrer que l'érosion est localisée dans les grandes vallées et peu efficace à l'intérieur du pla-teau. L'histoire d'exhumation et les caractéristiques morphologiques des régions de faible relief à haute altitude très proches de celles de l'ouest Tibétain, suggèrent qu'à l'Éocène ils ne formaient qu'un seul ensemble. Les régions de faible relief à l'ouest de la Faille du Karakorum ont petit à petit été individualisées à la faveur d'une érosion localisée dans les grandes vallées et dirigée par les grands accidents tectoniques.

L'érosion des revêtements des digues de rivière peut affecter la stabilité des talus des rives et mettre en danger la sécurité des constructions voisines, et des écoulements de débris peuvent être déclenchés par le sol et les roches érodées de la rive et accumulées dans le lit de rivière. Des travaux d'amélioration sont nécessaires pour augmenter la stabilité des revêtements aussi bien que réduire la possibilité de rupture. Les pratiques actuelles impliquent habituellement la construction d'un épais revêtement en béton, causant des impacts négatifs sur l'environnement et une instabilité des rives sous l'effet de l'érosion à long terme. Afin de remplacer le béton, il est donc crucial de trouver des matériaux de construction respectueux de l'environnement et appropriés à la construction de revêtements sûrs.<br />Les géotextiles, en tant que matériau de protection de rive sont non seulement plus respectueux de l'environnement, mais aussi plus stables à long terme, comparés au béton. Cependant, une mauvaise conception d'un revêtement géotextile peut entraîner une perte considérable du sol de la rive, ce qui peut conduire à la rupture. Aujourd'hui de nombreuses études sur le comportement de revêtements géotextiles soumis à l'érosion ont été réalisées, mais chacune d'entre elles s'est intéressée uniquement à un type d'écoulement. Le comportement réel d'un revêtement géotextile soumis à écoulement est assez compliqué, et suivant le type d'écoulement on définit dans cette étude trois zones : la zone de flux unidirectionnel, la zone de flux cyclique bidirectionnel, et la zone de flux tangentiel.<br />Dans ce projet, le comportement sous érosion de sols non cohésifs ou peu cohésifs avec les trois conditions de flux mentionnées ci-dessus a été étudié avec des essais utilisant un équipement développé pour chaque condition de flux. Les résultats d'essais révèlent qu'un écoulement souterrain dans la zone de flux unidirectionnel peut provoquer l'érosion interne du sol et qu'une partie des particules de sol entraînées peut passer à travers les ouvertures du géotextile. Le reste de ses particules peut se colmater à l'intérieur des fibres du géotextile ou s'accumuler derrière le géotextile, formant une couche filtrante naturelle et réduisant la vitesse de l'écoulement. Une fois que la vitesse d'écoulement est plus basse que la vitesse critique, l'érosion interne du sol cesse.<br />La zone de flux cyclique bidirectionnel peut être identifiée en fonction des conditions de flux de : « flux cylique à court terme » et de cycliques à long terme », selon la période du cycle du flux, pour laquelle le comportement du revêtement géotextile diffère lors de l'érosion. Ainsi, deux instruments d'essais ont été développés. Les résultats d'essais dans un canal à vague grandeur nature avec des conditions de flux cycliques à court terme révèlent que le sol de la couche supérieure de la zone de flux cyclique bidirectionnel est soumis à la charge cyclique des vagues, ce qui peut entraîner un excès de pression interstitielle et aboutir à l'écroulement, tandis que le sol dans la couche moyenne peut être érodé par le flux tangentiel le long de la rive et accumulé en aval. En outre, en plus de l'ouverture du géotextile, le taux de couverture des roches sur le géotextile est aussi un facteur clef qui contrôle le ravinement du sol. Les résultats d'essai utilisant l'instrument de flux cyclique bidirectionnel à long terme, pour une période de flux cyclique particulièrement longue (600 secondes/cycle), montrent que la vitesse d'écoulement dans la couche de sol est trop faible pour déplacer les particules de sol, et on ne s'attend donc à aucune érosion. Cependant, quand la vitesse d'infiltration augmente, la contrainte effective dans le sol diminue en raison de l'augmentation de pression de l'écoulement, causant ainsi un phénomène de boulance (boiling) et un entraînement considérable de sol ainsi que le tassement de celui-ci. En plus, la profondeur d'influence avec cette condition de flux est plus grande qu'avec la condition de flux cyclique à court terme. En outre, d'après les valeurs de gradient hydraulique déduites des mesures réalisées avec deux piézomètres installés au-dessus et au-dessous du géotextile, aussi bien que d'après les images de microscopie électronique de fibres du géotextile, on peut constater que l'extension de la zone de colmatage par les particules de sol n'est pas aussi importante que pour des flux unidirectionnels.<br />Le comportement en érosion dans la zone de flux tangentiel a été étudié avec l'instrument d'essai d'érosion parallèle. Le résultat révèle que le comportement en érosion tangentiel sur la surface de sol peut être défini par la vitesse de flux. Si la vitesse de flux est inférieure que la vitesse critique (vc), aucune érosion n'apparaît. Si la vitesse de flux est entre la vitesse critique et la vitesse de rupture (vf), une érosion permanente se produira à la surface de sol. Si la vitesse d'écoulement est plus grande que la vitesse de rupture, une érosion intense se produira dans le sol et entraînera la rupture du revêtement. De plus, la présence d'un géotextile sur la surface du revêtement a une influence non négligeable sur le comportement en érosion. Les revêtements sans géotextile sur la surface sont soumis à une érosion continue et peuvent finalement s'effondrer en raison d'éboulements en pied de pente. Une couverture géotextile appropriée sur la surface du revêtement peut non seulement éviter l'érosion, mais aussi former une couche filtrante naturelle au-dessous du géotextile qui empêche que l'érosion du sol continue. Une fois que la couche de filtre naturelle est complètement formée, le revêtement est stabilisé.

Les différentes études menées sur la dynamique naturelle du couvert végétal, les propriétés germinatives des semences, le développement du système racinaire et la production grainière aboutissent à une meilleure connaissance d'une quinzaine d'espèces végétales herbacées autochtones. Ainsi, le comportement germinatif des semences de Graminées est contrôlé par une inhibition tégumentaire qui disparaît plus ou moins rapidement en fonction du temps et des conditions de conservation ; les semences des Papilionacées sont dites dures et ne peuvent germer qu'après la fissuration du tégument. En conditions contrôlées et sur le substrat naturel, les vitesses d'enracinements observées vont de 2.2 mm/j pour la Koelérie du Valais à 5.7 mm/j pour le Brome érigé ; elles augmentent lorsque la granulométrie du substrat est plus fine. En outre, les Poacées favorisent la production de matière racinaire alors que les Papilionacées favorisent la production de matière aérienne. Les simulations de pluie sur micro-parcelles et le suivi du fonctionnement érosif de 2 ravines élémentaires végétalisées et instrumentées montrent l'importance de la couverture végétale quant à la réduction des matériaux transportés. La faisabilité de la végétalisation des marnes noires de la Durance est démontrée.

Cette thèse porte sur la détermination des caractéristiques de la houle à la côte. Les études réalisées s'intéressent aux phénomènes de réfraction et diffraction de la houle, à la reflexion sur un ouvrage ainsi qu'à la transmission au-dessus d'une structure immergée. Un code de calcul numérique de propagation de la houle est développé sur le principe des limitations angulaires. L'ajout dans les équations d'un paramètre de diffraction facilite la prise en compte de cet effet. Une étude expérimentale sur le comportement de la surface libre de la houle au passage d'un haut-fond a aussi été réalisée. Elle met en évident la compétition entre les effets de réfraction et de diffraction, et montre que les crêtes d'une houle monochromatique ne croisent pas mais tendent plutôt à se déphaser quand le haut-fond est immergé. Conjointement, des travaux de recherche fondamentale sur l'extraction de l'énergie des vagues ont conduit à des essais en canal en houle régulière, afin de caractériser expérimentalement l'action des forces de pression résultant des effets de Longuet-Higgins lorsqu'une houle se réfléchit sur un ouvrage. Suie à ces essais, on entrevoit la mise au point d'un nouveau système de récupération de l'énergie de la houle. Le calcul de son rendement énergétique est effectué en houle irrégulière, et une estimation de la production énergétique est faite pour un cas d'implantation sur site réel. Enfin, un récif artificiel en géotextiles immergés est dimensionné et testé en canal pour deux projets industriels, afin d'en évaluer les coefficients de transmission.

Une préoccupation environnementale majeure des espaces littoraux concerne le déplacement et le dépôt des vases. La maîtrise de la gestion de ces régions nécessite de mieux comprendre ces processus complexes et leur dépendance vis-à-vis des propriétés mécaniques des vases. Cette thèse constitue une étude expérimentale sur la problématique de l'érosion et le lien avec les propriétés rhéologiques des sédiments cohésifs (vases). On considère que le phénomène d'érosion correspond à une transition solide-liquide du matériau qu'il faut caractériser à la fois macroscopiquement et localement. On fait le choix d'utiliser des matériaux modèles stables et reproductibles pour simuler les sédiments cohésifs. Deux dispositifs ont été employés : un RhéoScope1 et un mini-canal annulaire à érosion. Les techniques de µPTV et de PIV ont été mises en oeuvre pour caractériser respectivement les déformations du matériau et le champ hydrodynamique. Deux fluides modèles transparents, utilisant le carbopol et la laponite, ont également été mis au point. Ces fluides se caractérisent par des valeurs voisines de contrainte seuil et par des propriétés thixotropes différentes. Grâce aux techniques rhéo-physiques présentées, il a été montré que les conditions aux limites des expériences, comme l'état de surface de la géométrie utilisée en rhéométrie ou l'état de confinement de la section de mesure en étude d'érosion, conditionnent le comportement en transition. Outre la résistance mécanique du matériau, le caractère thixotrope affecte fortement la dynamique de transition. Les essais en canal d'érosion ont mis en évidence le rôle déstabilisateur des phénomènes d'échange à l'interface du fond sédimentaire.

Cette thèse consiste en l'étude expérimentale de la dynamique d'une interface granulaire inclinée et cisaillée par un écoulement d'eau laminaire, continu. Dans le canal de géométrie contrôlée, deux modes de transport sédimentaires sont observables: par érosion hydrodynamique et par écoulement gravitaire en masse. Une première étude est consacrée aux seuils de mise en mouvement des particules. Deux modèles simples prenant en compte la gravité, la friction entre particules et le cisaillement du fluide, permettent de retrouver l'influence de la vitesse de l'écoulement d'eau et de la pente du lit sur les seuils de transport par érosion et par avalanche. Le régime d'écoulements gravitaires est ensuite exploré pour des pentes au-delà de l'angle maximal de stabilité. Les mesures d'évolution de la pente du tas et du débit de particules (par PIV) montrent que l'avalanche atteint rapidement un régime quasi-stationnaire. La vitesse des grains dépend uniquement de la pente du tas, dans une relation quantitativement prédite par un modèle adapté des développements récents de modélisation de la rhéologie des granulaires. Dans une troisième partie on s'intéresse à la déformation de l'interface granulaire dans un régime particulier. La formation de rides à tourbillon est observée à la surface de l'avalanche, lorsqu'on applique un écoulement d'eau qui tend à transporter les particules dans la direction opposée. Après une phase initiale de croissance exponentielle, l'amplitude des rides sature. La zone de recirculation à l'arrière de la ride semble contrôler la forme des structures tandis que la quantité de matière transportable par l'avalanche semble déterminer leur amplitude.

Parmi les processus d'érosion, l'incision des rivières est classiquement décrit comme un processus clé contrôlant l'érosion des paysages. L'efficacité de l'incision est principalement influencée par le climat et par l'érodabilité. Ce dernier paramètre ne dépend pas seulement de la nature du substratum rocheux, mais aussi de sa déformation passée qui affecte ses propriétés rhéologiques équivalentes. Les principaux objectifs de cette thèse sont: (1) de mieux contraindre les relations entre propriétés équivalentes et érodabilité, et (2) de quantifier l'influence de l'érosion et de l'érodabilité sur la formation ou la décadence, spatiale et temporelle, de la topographie. Plusieurs outils numériques sont développés. Un formalisme 1D d'évolution des paysages est proposé, prenant en compte simultanément l'incision des rivières avec une distribution stochastique des débits en eau et l'érosion des versants par glissements de terrain. Un nouvel algorithme de remaillage appelé Surface Lagrangian Remeshing (SLR) est développé. Il permet de prendre en compte l'érosion à long terme dans les codes numériques 2D Lagrangiens basés sur des éléments finis triangulaires. Ensuite, la possibilité de mesurer in-situ l'érodabilité avec un marteau de Schmidt (R) est évaluée pour: l'orogène actif de Taiwan, les grès diagénétiques d'Annot et la zone de faille de St Clément. Les résultats suggèrent un fort contrôle de R par les propriétés équivalentes des roches testées. Un modèle linéaire, basé sur la théorie des milieux équivalents, est appliqué à une zone de faille avec une résolution inégalée (750 mesures, 25 mesures par mètre carré). Le modèle permet de corréler avec succès la densité de fracture et R. Ces résultats démontrent empiriquement que l'élasticité équivalente ainsi que l'érodabilité sont sensibles à la densité et à la nature des fractures. Enfin j'étudie les conditions d'érosion et de rhéologie qui permettent de reproduire l'évolution des chaînes de montagnes post-orogéniques. Un modèle couplant érosion en surface et soulèvement isostatique régional est compatible avec les observations. Les taux de décroissance topographique et de diminution du rapport de l'élévation de surface sur l'épaisseur de racine crustale sont contrôlés au premier ordre par la géométrie initiale de la chaîne de montagne et par l'efficacité de l'érosion. Ce nouveau modèle met en évidence le contrôle du climat et de l'érodabilité sur la décroissance topographique et de la rhéologie lithosphérique sur la persévérance des racines crustales.

Le suivi et la compréhension de la dynamique spatio-temporelle de l'érosion par ravinement en zones de Badlands ont besoin de méthodes de caractérisation détaillée, rapide et facilement reproductibles de ces phénomènes et de leurs manifestations sur le terrain. Nous avons testé deux approches d'observation spatiales afin de répondre à ces besoins : une approche aérienne (stéréophotogrammétrie d'images drone), et une approche terrestre (LiDAR terrestre). Pour l'approche aérienne, une combinaison adéquate de la préparation de terrain, la compensation des erreurs systématiques issues de l'acquisition d'images et la stratégie de corrélation d'image, nous a permis d'obtenir une précision, un détail et une cohérence hydrographique des MNT drone à la limite de la donnée (résolution d'image originale au sol autour de 3 cm). Par rapport à l'approche terrestre, l'analyse du bruit de la mesure LiDAR sur tôles avec des formes géométriques connues nous montre une dispersion autour de 1 cm pour une distance de mesure de 30 m. L'application d'une moyenne simple à un pas régulier d'un centimètre permet de réduire le bruit et aussi de récréer les formes de plus de 3 cm. Le rapport " avantages-contraintes " entre ces deux approches nous montre que l'approche aérienne produit des MNT avec une étendue et une continuité importante, tandis que l'approche terrestre produit des MNT plus précis et détaillé. Les résultats révèlent l'énorme potentiel du vecteur drone pour le développement des MNT peu coûteux. D'autre part, le LiDAR terrestre se révèle comme un système de lever de terrain permettant une rapidité et une répétitivité de mesure, ainsi qu'un niveau de détail intéressant.