Ce travail porte sur l'évolution morphologique des profils transversaux des plages sableuses soumis à l'action de houles irrégulières. L'étude s'appuie sur de la modélisation physique menée dans le canal du LEGI (36 m). L'originalité consiste en l'utilisation d'un sédiment de faible densité permettant de respecter les lois d'échelle et d'obtenir des plages expérimentales en similitude avec des plages observées en nature. Le concept de plage à l'équilibre morphologique pour un climat de houle donné a pu être vérifié et la classification de Wright & Short (1984) est ici raffinée dans le domaine des nombres de Dean intermédiaires (1

Malgré les nombreuses études qui ont été effectuées en raison des applications directes au niveau de l’érosion côtière, les processus physiques qui régissent la morphodynamique des plages nécessitent d’être mieux définis. L’objectif de ce travail est d’apporter une contribution à l’étude de ces processus à partir d’une modélisation physique bien contrôlée, menée dans un canal de 10 m de long du LOMC. Le cas particulier des plages intermédiaires selon la classification de Masselink & Short (1993) et mégatidal à marnage relatif faible est considéré. L’évolution temporelle des profils de plage est suivie par méthode acoustique. L’évolution de la surface libre au large et dans la zone de levée de la vague est enregistrée à l’aide de sondes résistives. La surface libre et le fond sableux sont suivis dans la zone de déferlement, la zone de surf et la zone de swash avec une méthode optique. L’effet de la marée sur les profils de plage a été analysé. Une barre intertidale (slip-face bar) est générée et leur processus de formation est analysé mettant en évidence le rôle de la barre subtidale et du déplacement des zones hydrodynamiques d’action au cours du cycle de marée. La dynamique du swash sur une plage mégatidale est étudiée par méthode optique. Une analyse détaillée de la dépendance du runup vis-à-vis des différentes variables est conduite. Celle-ci a permis d’identifier les paramètres les plus appropriés pour prédire le runup. Les résultats montrent qu’il est préférable d’utiliser la pente de la zone de surf et la hauteur de la houle au point de déferlement pour estimer cette grandeur. Une nouvelle formule de calcul du runup adaptée aux plages étudiées est développée. / Numerous studies have been carried out on sandy beach morphology; however, the physical processes which govern beach morphodynamics need to be better defined, despite the significance of this subject in view of the direct applications for coastal erosion. The aim of the present work is to bring a contribution to the study of these processes from well controlled tests carried out in a 10 m long wave flume at LOMC laboratory with a megatidal regime simulation. The tests were performed in the intermediate regime according to the Masselink and Short (1993) classification. The temporal evolution of beach profiles was obtained using an acoustic method. The incident waves and the free surface in the shoaling zone were measured with resistive probes. The free surface and bed level in the breaker, surf and swash zones were recorded with an optical method. The effect of tides on beach profiles was analyzed. Intertidal bar identified as a slip-face bar was generated. Formation processes of this bar were analyzed. The bar is alternately exposed to swash zone processes at low tide and breaker zone processes at high tide. The intertidal bar is fronted by a subtidal bar involved in its formation. Swash hydrodynamics were investigated on a megatidal beach using an optical method. A detailed analysis of the relationship between measured runup elevations and various variables was carried out. This allowed to determine the best parameters to predict runup. The results suggested that the slope of the surf zone and the wave breaking height should be used to estimate runup. A new runup estimation formula adapted to the studied beaches was proposed.

Ce travail porte sur l’étude de l’évolution morphologique dans la zone de swash à haute résolution spatiale et temporelle afin de pouvoir analyser l’influence de la houle. Cette étude s’appuie sur deux campagnes de mesures menées dans le grand canal à houle CIEM (Barcelone), l’une avec application d’un forçage aléatoire érosif de type JONSWAP et l’autre avec application d’une série de forçages bichromatiques. L’originalité de l’étude proposée ici consiste en l’analyse, par une méthode de stéréoscopie optique, de l’évolution du fond avec une excellente précision tout en quantifiant précisément l’évolution des fronts d’eau sur une surface continue, la majorité des techniques de mesure ne donnant en général accès qu’à des relevés ponctuels dans cette zone. La position du lit de sable est estimée avec une précision de quelques centaines de μm. Sur des temps longs, le forçage JONSWAP érosif engendre un recul global et quasi-homogène dans la zone de swash. Cependant, cette évolution ne semble pas influencer la réponse hydrodynamique qui reste similaire dans la zone de swash lorsque l’on répète la série. Ceci a été confirmé dans le cas des forçages bichromatiques, répétés sur des fonds différents. Au sein d’une série d’un forçage aléatoire, différentes échelles de temps sont observées : l’échelle gravitaire (période caractéristique du signal) et les ondes infragravitaires (large gamme d’événements plus longs). Cette coexistence de plusieurs échelles de temps a pu être associée à la forte variabilité du profil de plage, notamment dans la direction cross-shore. Le cas bichromatique montre quant à lui une convergence du profil de plage vers un état qui ne dépendrait que du forçage en entrée. L’interaction d’une seule onde infragravitaire avec l’onde gravitaire ne peut donc pas être responsable de la variabilité du fond observée avec le forçage aléatoire. En revanche, cette étude semble confirmer la présence d’événements particuliers à l’origine d’une forte modification du fond sableux. Le lien entre ces événements et l’interaction entre des événements hydrodynamiques spécifiques et la forme du fond n’est pas encore complètement établi. Enfin, pour le forçage aléatoire la variabilité transverse induite par les ondes courtes est forte alors qu’elle semble plus faible à l’échelle de l’onde longue. Pour le forçage bichromatique, cette variabilité transverse a également pu être observée mais son lien avec le forçage reste encore à élucider. / This study investigates the morphological evolution in the swash zone at high spatial and temporal resolution to be able to analyze the swell influence. The study is here based on two measurement campaigns in the large CIEM wave flume (Barcelona), using both a random erosive JONSWAP and bichromatics forcing. The originality of the proposed study lies on analysis, by an optical stereoscopic method, of bottom evolution with a very good precision while getting an accurate quantification of water fronts evolution on a continuous area, most of the measurement techniques generally allowing only to obtain punctual measurements in this area. The sand bed position is estimated with an accuracy of a few hundred μm. Over long periods, erosive JONSWAP forcing generates an overall and almost homogeneous backward movement in the swash area. However, this trend does not appear to influence the hydrodynamics response that remains similar in the swash area when the series is repeated. This was confirmed in the bichromatic forcings case, repeated on different bottoms. During a random forcing series, different time scales are observed : the gravity scale (characteristic period of the signal) and infragravity waves (wide range of longer events). This coexistence of several time scales could be associated with the observation of a strong variability of the beach profile, especially in the cross-shore direction. The bichromatic case shows meanwhile convergence of beach profile to a state that would depend only on forcing conditions. The interaction of a single infragravity wave with the gravitational wave can therefore not be responsible for the observed bottom variability with the random forcing. In contrast, the present study seems to confirm the presence of specific events responsible of a strong change in the sandy bottom. The link between these events and the hydrodynamic interaction between specific events and the bottom shape is not yet completely established. Finally, for the random forcing the transverse variability induced by short wave is strong as it seems weak at long wave time scale. For bichromatic forcing, the transverse variability has also been observed but its link with the forcing still remains to be elucidated.

Cette thèse présente le développement d'un modèle numérique avancé, capable de simuler les interactions entre des vagues de surface de cambrure quelconque et des corps rigides immergés ayant des mouvements de grande amplitude. Fondé sur la théorie potentielle, il propose une résolution couplée de la dynamique vagues/structure par la méthode implicite de Van Daalen (1993), encore appelée méthode du potentiel d'accélération par Tanizawa (1995). La précision du modèle à deux dimensions est testée sur un ensemble d'applications impliquant le mouvement forcé ou libre d'un cylindre horizontal immergé, de section circulaire : diffraction par un cylindre fixe, radiation par un cylindre en mouvement forcé de grande amplitude, absorption des vagues par le cylindre de Bristol. Pour chaque application, les résultats numériques sont comparés à des résultats expérimentaux ou analytiques issus de la théorie linéaire, avec un bon accord en particulier pour les petites amplitudes de mouvement du cylindre et pour les vagues de faibles cambrures. La génération de vagues irrégulières et la prise en compte d'un second corps cylindrique immergé sont ensuite intégrées au modèle, et illustrées sur des applications pratiques avec des systèmes récupérateurs d'énergie des vagues simples. Enfin, le modèle est étendu en trois dimensions avec des premières applications au cas d'une sphère décrivant des mouvements de grande amplitude / This PhD is dedicated to the development of an advanced numerical model for simulating interactions between free surface waves of arbitrary steepness and rigid bodies in high amplitude motions. Based on potential theory, it solves the coupled dynamics of waves and structure with the implicit method by Van Daalen (1993), also named the acceleration potential method by Tanizawa (1995). The precision of this two-dimensional model is tested on a wide range of applications involving the forced motion or free motion of a submerged horizontal cylinder of circular cross-section : diffraction by a fixed cylinder, radiation by a cylinder in specified high amplitude motions, wave absorption by the Bristol cylinder. In each of these applications, numerical results are compared to experimental data or analytical solutions based on the linear wave theory, with a good agreement especially for small amplitude motions of the cylinder and small wave steepnesses. The irregular wave generation by a paddle and the possibility to add an extra circular cylinder are integrated in the model and illustrated on practical applications with simple wave energy converters. The model is finally extended to three dimensions, with preliminary results for a sphere in large amplitude heaving oscillations

À notre connaissance, nous avons présenté le premier ensemble d'expériences qui mènent aux profils d'équilibre. Parmi ces profils, deux morphologies schématiques sont obtenues:<br />une plage barrée et une plage en forme de terrasse. La vitesse de chute adimensionnelle ou<br />le nombre de Dean , est le paramètre principal.<br />La réponse morphologique est comparée avec la classification de Wright and Short (1984).<br />Nous avons réalisé une classification plus fine au niveau du type de la plage<br />pour les valeurs intermédiaires de nombre de Dean.<br /><br />A propos des effets correspondant à la présence des ondes-infragravités sur la formation et stabilité des barres, nous avons constaté que la conjonction de noeud des vagues infragravités et le point<br />de déferlement est favorable à la formation et la stabilité de la barre d'avant côte.

Cette thèse présente une simulation, en canal à houle, des processus naturels hydrodynamiques etde transport sédimentaire de la zone de déferlement bathymétrique. L’analyse spatio-temporelle dela structure moyenne et instantanée de l’écoulement repose sur un jeu de mesures hauterésolutions.On effectue une étude des processus de couche limite et de l’impact des processus desurface libre sur le fond sédimentaire.Un profil de plage en forme de terrasse est engendré par le déferlement de séries de vagues irrégulières(JONSWAP) sur un fond mobile constitué de sédiments de faible densité (_ _ 1.19). Dans cesconditions, la mesure acoustique (ADVP) de profils de vitesse, de concentration et de flux de sédimentsest synchronisée à des séquences d’images vidéo et à des mesures de hauteurs de vagues.Une analyse de l’évolution des quantités moyennes hydrodynamiques et de transport solide est réaliséedans la zone de déferlement. Une analyse à l’échelle intra-vague aborde la structure del’écoulement sous le déferlement de vagues irrégulières. Enfin, on s’attache à une comparaison de lacontrainte au fond sous une vague déferlée calculée par des modèles physiques, à celle obtenue parmesures directes. / This thesis presents a wave channel simulation of the hydrodynamic and sediment transportprocesses in the wave breaking region. The spatio-temporal analysis of the mean and instantaneousflow structure relies on a full set of high resolution data. The study focuses on processes related tothe wave boundary layer and to the impact of surface breaking on the mobile bed.A terraced beach profile is generated by the breaking of irregular wave sequences (JONSWAP) on amobile bed constituted of low density sediments (_ _ 1.19). In these conditions, the acoustic measurementof velocity profiles, concentration profiles and sediment flux profiles are synchronised withsequences of video images and wave heights. An analysis of the evolution of mean hydrodynamicand sediment transport quantities is undertaken across the entire wave breaking zone. An intra-waveanalysis on the flow structure below irregular breaking waves is carried out. Finally, bed shear stressbelow a breaking wave predicted by different physical models and direct measurements, are comparedand discussed.

Cette thèse vise à étudier expérimentalement, analytiquement et numériquement, les conséquences de variations et d'oscillations hydrodynamiques à forte variabilité temporelle en milieux poreux partiellement saturés. Les problèmes que nous étudions comportent des surfaces libres tant à l'extérieur qu'à l'intérieur des milieux poreux, celles-ci étant définies comme des isosurfaces de pression d'eau égale à la pression atmosphérique (Pwater = Patm). Les différentes études expérimentales réalisées en laboratoire sont, respectivement : une expérience d'imbibition dans une boite à sable avec effets capillaires importants; la transmission d'oscillations de la surface libre à travers un massif sableux intercalaire dans un petit canal à houle (IMFT, Toulouse); l'étude de la dynamique et de la propagation des oscillations des niveaux d'eau dans un grand canal à houle (HYDRALAB, Barcelone), partiellement recouvert d'un fond sableux incliné, avec mesures de niveaux d'eau en pleine eau et sous le sable, et mesures du fond sableux (érosion/dépôts). Pour les études théoriques, nous avons développés des solutions analytiques linéarisées. Un exemple de problème traité analytiquement est: l'équation linéarisée de Dupuit-Boussinesq (D-B) transitoire à surface libre, en hypothèse d'écoulements plans et vidange/remplissage instantané : oscillations forcées, transmission et dissipation d'ondes à travers une boite à sable rectangulaire. Nous avons aussi développé une solution de l'équation faiblement non linéaire de Dupuit- Boussinesq (D-B) pour étudier le problème d'imbibition avec variation abrupte du niveau d'eau amont (suivi temporel du front de saturation). Nous avons pu étudier les différents types de problèmes transitoires liés aux expériences citées plus haut par simulation numérique. En particulier, nous avons simulé des écoulements partiellement saturés et insaturés, en coupe verticale, à l'aide d'un code de calcul (BIGFLOW 3D) qui résoud l'équation de Richards généralisée en régime transitoire. Nous avons ainsi étudié numériquement en régime non saturé, l'expérience d'imbibition dans un sable initialement sec à frontières verticales (IMFT sandbox), puis l'expérience de propagation d'ondes dans le grand canal à houle de Barcelone (laboratoire HYDRALAB) comportant une plage de sable inclinée, avec un couplage complètement intégré entre les zones micro-poreuse (sable) et “macro-poreuse” (pleine eau). Pour analyser les résultats de cette dernière expérience et les comparer aux simulations, nous avons utilisé plusieurs méthodes de traitement et d'analyse des signaux : analyse de Fourier (spectres de fréquences) ; ondelettes discrètes multi-résolution (Daubechies) ; analyses corrélatoires simple et croisée. Ces méthodes sont combinées avec des méthodes de préfiltrage pour estimer dérives et résidus (moyennes mobiles ; ondelettes multi-résolution). Cette analyse des signaux a permis de comprendre et quantifier la propagation à travers une plage de sable. Au total, les différentes approches de modélisation mis en oeuvre, associé à des procédures de calage en situation de couplage transitoire non linéaire ont permis de reproduire globalement les phénomènes de propagation de teneur en eau et de niveau d'eau dans les différentes configurations étudiées. / This thesis aims at investigating experimentally, analytically and numerically, the consequences of hydrodynamic variations and oscillations with high temporal variability in partially saturated porous media. The problems investigated in this work involve “free surfaces” both outside and inside the porous media, the free surface being defined as the “atmospheric” water pressure isosurface (Pwater = Patm). The laboratory experiments studied in this work are, respectively: Lateral imbibition in a dry sand box with significant capillary effects; Transmission of oscillations of the free surface through a vertical sand box placed in a small wave canal (IMFT, Toulouse); Dynamics of free surface oscillations and wave propagation in a large wave canal (HYDRALAB, Barcelona), partially covered with sand, with measurements of both open water and groundwater levels, and of sand topography (erosion / deposition). For theoretical studies, we have developed linearized analytical solutions. Here is a sample problem that was treated analytically in this work: The linearized equation of Dupuit-Boussinesq (DB) for transient free surface flow, assuming horizontal flow and instantaneous wetting/drainage of the unsaturated zone: forced oscillations, wave transmission and dissipation through a rectangular sandbox. We also developed a weakly nonlinear solution of the Dupuit-Boussinesq equation to study the sudden imbibition (temporal monitoring of the wetting front). We have studied the different types of transient flow problems related to the experiments cited above by numerical simulation. In particular, we have simulated unsaturated or partially saturated transient flows in vertical cross-section, using a computer code (BIGFLOW 3D) which solves a generalized version of Richards’ equation. Thus, using the Richards / BIGFLOW 3D model, we have studied numerically the experiment of unsaturated imbibition in a dry sand (IMFT sandbox), and then, with the same model, we have also studied the partially saturated wave propagation experiment in the large Barcelona wave canal (HYDRALAB laboratory), focusing on the sloping sandy beach, with coupling between the micro-porous zone (sand) and the “macro-porous” zone (open water). To interpret the results of the latter experiment and compare them to simulations, we use several methods of signal analyzis and signal processing, such as: Fourier analysis, discrete multi-resolution wavelets (Daubechies), auto and cross-correlation functions. These methods are combined with pre-filtering methods to estimate trends and residuals (moving averages; discrete wavelet analyses). This signal analyzis has allowed us to interpret and quantify water propagation phenomena through a sandy beach. To sum up, different modeling approaches, combined with model calibration procedures, were applied to transient nonlinear coupled flow problems. These approaches have allowed us to reproduce globally the water content distributions and water level propagation in the different configurations studied in this work.