L'érosion de contact est un type d'érosion interne qui se développe à l'interface entre deux couches de matériaux de granulométries différentes. Les particules d'un sol fin (sable, limon, argile…) sont détachées par l'écoulement et entraînées à travers les pores du sol grossier au contact (gravier…). Bien que l'on suspecte sa présence dans de nombreux ouvrages, ce processus d'érosion a été peu étudié jusqu'à présent. Aussi ce travail de thèse s'est attaché à mieux le comprendre pour parvenir à le modéliser. A l'échelle du pore, l'écoulement à l'interface entre deux milieux poreux a été caractérisé, grâce à un dispositif expérimental développé au Cemagref d'Aix-en-Provence qui combine fluorescence induite par laser, méthode PIV et milieu iso-indice. L'importance de la variabilité des sollicitations hydrauliques a ainsi été soulignée. A l'échelle de l'échantillon, des essais sur sols réels et sols reconstitués ont été menés au LTHE, afin d'identifier les phénomènes en jeu. Ont également été obtenues sur ce dispositif des mesures du taux d'érosion en fonction de l'intensité de l'écoulement, pour différents types de sols fins et de sols grossiers. Une modélisation stochastique de ces essais a ensuite été proposée. Enfin, des essais à grande échelle ont été conduits au laboratoire de la Compagnie Nationale du Rhône pour étudier l'éventuelle influence d'effets d'échelle ainsi que les conséquences de cette érosion de contact sur le comportement global et l'intégrité d'un ouvrage. Il a ainsi été mis en évidence la possibilité qu'une érosion de conduit soit initiée par érosion de contact. Cette thèse a été réalisée dans le cadre du projet ERINOH (ERosion INterne dans les Ouvrages Hydrauliques), en convention CIFRE avec le Centre d'Ingénierie Hydraulique d'EDF. / Contact erosion is a type of internal erosion which occurs at the interface between two soil layers of different particle sizes. Particles from the fine soil (sand, silt, clay…) are pulled and driven by the flow through the pores of the surrounding coarse soil (gravel ...). Although its presence is suspected in many earthfill embankments, this process has been little studied so far. The aim of this thesis was to better understand and, possibly, to model contact erosion. At pore scale, the flow at the interface between two porous media was characterized thanks to an experimental device, developed in Cemagref, combining Planar Laser Induced Fluorescence, PIV method and Refractive Index Matching. The spatial variability of flow shear stress has been emphasized. At sample scale, several tests on real and reconstituted soils were carried out in LTHE, in order to identify the phenomena involved in contact erosion. Erosion rates as a function of flow magnitude have also been measured for different types of fine and coarse soils. Then, a stochastic model was proposed to account for these experiments. Finally, large scale tests were conducted in the laboratory of Compagnie National du Rhône, to study the influence of scale effects as well as the consequences of contact erosion on global behavior and integrity of the embankment structure. The possibility of piping initiation by contact erosion was underlined. This thesis is part of the project ERINOH project and was funded by EDF-CIH.

L'érosion de contact est un type d'érosion interne qui se développe à l'interface entre deux couches de matériaux de granulométries différentes. Les particules d'un sol fin (sable, limon, argile...) sont détachées par l'écoulement et entraînées à travers les pores du sol grossier au contact (gravier...). Bien que l'on suspecte sa présence dans de nombreux ouvrages, ce processus d'érosion a été peu étudié jusqu'à présent. Aussi ce travail de thèse s'est attaché à mieux le comprendre pour parvenir à le modéliser. A l'échelle du pore, l'écoulement à l'interface entre deux milieux poreux a été caractérisé, grâce à un dispositif expérimental développé au Cemagref d'Aix-en-Provence qui combine fluorescence induite par laser, méthode PIV et milieu iso-indice. L'importance de la variabilité des sollicitations hydrauliques a ainsi été soulignée. A l'échelle de l'échantillon, des essais sur sols réels et sols reconstitués ont été menés au LTHE, afin d'identifier les phénomènes en jeu. Ont également été obtenues sur ce dispositif des mesures du taux d'érosion en fonction de l'intensité de l'écoulement, pour différents types de sols fins et de sols grossiers. Une modélisation stochastique de ces essais a ensuite été proposée. Enfin, des essais à grande échelle ont été conduits au laboratoire de la Compagnie Nationale du Rhône pour étudier l'éventuelle influence d'effets d'échelle ainsi que les conséquences de cette érosion de contact sur le comportement global et l'intégrité d'un ouvrage. Il a ainsi été mis en évidence la possibilité qu'une érosion de conduit soit initiée par érosion de contact. Cette thèse a été réalisée dans le cadre du projet ERINOH (ERosion INterne dans les Ouvrages Hydrauliques), en convention CIFRE avec le Centre d'Ingénierie Hydraulique d'EDF.

Le réseau de digues français s'étend sur 9000 km et protège moult enjeux humains et socio-économiques. Les surverses se produisent lorsque le niveau d'eau dépasse la crête de la digue et sont responsables de nombreuses ruptures d'ouvrages. La prévision des caractéristiques des brèches (vitesse de développement, taille finale et hydrogramme) reste délicate, d'autant que les effets de la dynamique de la rivière n'ont jamais été étudiés.Cette étude expérimentale est basée sur cinq essais réalisés en canal sur des modèles physiques de digue cohésifs. Les phases classiques du développement de brèches ainsi que le mécanisme de headcutting ont été observés. L'érosion s'est manifestée à trois échelles spatiales (grain, mm et cm) et la durée des essais a varié entre 1h30 et 10 jours selon les sols. Nous avons constaté que le développement d'une brèche et de la fosse d'érosion devient asymétrique en présence d'une vitesse longitudinale amont. Des essais géotechniques originaux menés à l'IRPHE ont permis de relever des différences importantes sur le mode et la cinétique d'érosion entre les sols testés, toujours en bon accord avec les observations menées sur les modèles de digues.Des essais en brèche de largeur fixe nous ont mis à jour l'émergence d'une hydraulique particulière dans la brèche lorsque le vitesse longitudinale incidente augmente (ressauts, recirculations) qui a un impact sur l'hydrogramme de brèche.Enfin, des simulations menées sous RUBAR20 ont permis de retrouver de nombreuses observations expérimentales tant sur le fonctionnement hydraulique des brèches que sur la sensibilité de la cinétique d'érosion à la contrainte critique d'érosion et à l'érodibilité. / France's embankment network stretches over 9000~km, protecting people and infrastructures. Overtopping occurs when water level rises above the embankment's crest, often leading to breach development. Reliable forecasting of breaches' characteristics (widening rate, final geometry and breach hydrograph) remains a challenging task. Furthermore, the effects of river dynamics have never been studied.This work is based on a campain of five overtopping tests performed on scaled homogeneous cohesive model embankments, carried out in an eight meters recirculated flume. The classical steps of dike breaching were observed, as wall as headcutting. Depending on soil type and water content, erosion occured at three distinct scales (sand grain, mm, cm) while the experiments' durations ranged from 1h30 to 250~h. Evidence was brought that river dynamics can result in a completely asymmetric development of both the breach and scour pit. Simple geotechnical tests showed notable differences on erosion modes and rates among tested soils, consistently with the flume experiments.The study of fixed-width breaches showed that distinguish hydraulic phenomena such as hydraulic jumps and recirculations arise when lateral flow speed increases on the river side, which comes with an important drop in breach flow.In addition, bidimensional numerical simulations offered a practical and satisfying way of modelling breach hydraulics. In particular, the strong surface deformation and important velocity gradients in the vicinity of the breach were well-rendered. Elements relative to breach formation sensitivity to erosion parameters (threshold stress and erodibility coefficient) are also provided.