Ce travail s’intéresse au phénomène de colmatage créé par la précipitation de la calcite dans les dispositifs des systèmes de drainage du réseau ferroviaire en particulier des lignes à grande vitesse (LGV). En effet, le colmatage de ces drains peut indirectement affecter la tenue géométrique de la voie. Maintenir les équipements hydrauliques dans leur état de fonctionnement optimal est un enjeu fort pour SNCF Réseau. L’objectif de cette recherche est de déterminer les processus et causes de l’entartrage et sa cinétique, en intégrant l’environnement naturel (géologie) et ferroviaire (matériaux anthropiques) ainsi que les types de dispositifs de drainage. La finalité de cette recherche est un double enjeu industriel: préventif et curatif. Les dysfonctionnements de ces dispositifs que ce soit en pleine voie ou en tunnel entrainent en effet une présence d’eau dans les structures d’assise des voies ferrées pouvant provoquer une dégradation de leurs caractéristiques mécaniques, et à terme induire des défauts de nivellement de rail pouvant mener à des impacts sur les circulations. L’obstruction des dispositifs de drainage par des dépôts carbonatés précipités est une cause majeure de réduction de la fonctionnalité de ces dispositifs sur le RFN : 546,8 km de linéaire de LGV (LN1 à LN6) sont potentiellement sous cet impact. Sur certaines lignes, cet impact est important. Par exemple, on a estimé que sur 78 km (LN2) de linéaire de LGV drainée par un collecteur drainant (CD), que le colmatage des CD lié à la précipitation de dépôts carbonatés pouvait représenter jusqu’à 80 % des cas de dysfonctionnement de drainage. Les techniques actuelles utilisées sont l’hydrocurage ou le marteau piqueur pour les dépôts très durcis mais tous les deux de faible rentabilité au vu du linéaire potentiellement colmaté. Afin de proposer des solutions innovantes de conception ou de traitement adaptées, l’étude des mécanismes en jeu a fait l’objet d’une campagne de mesures de plus de deux ans sur un site pilote de LGV (Chauconin, 77) instrumenté à cet effet permettant l’analyse des paramètres physico-chimiques de l’eau drainée ainsi que celle des dépôts précipités dans leur contexte géologique, géotechnique et hydrométéorologique. Cette approche a été complétée par l’étude de 8 sites complémentaires choisis en pleine voie et en tunnels à l’échelle de RFN et présentant une diversité de contextes environnementaux et ferroviaires. Le modèle hydrogéochimique développé ensuite sur cette base offre la possibilité de reproduire les processus observés sur le site de Chauconin: processus physique (Pluie-Débit) et processus physico-chimique (Modèle Transfert-Réaction), et de quantifier les quantités de dépôts prévisibles à terme dans les dispositifs. Ce modèle conceptuel est basé sur un modèle hydrologique empirique de deux réservoir de terrain en couplant les processus transport et réaction (dissolution – précipitation). Les premières analyses d’eau et de matériaux encaissants sur le site de Chauconin montrent que, en absence d’une nappe drainée, celle-ci est riche en calcium et sulfates. L’analyse fine des matériaux montre qu’une partie des matériaux rapportés utilisés dans la fondation de la plateforme ferroviaire contient du gypse dont la dissolution par l’eau d’infiltration pourrait expliquer la composition de l’eau du drainage. Les eaux sur les sites supplémentaires que soit avec une présence de nappe permanent ou temporelle, sont essentiellement calcium carbonate. La composition de ces eaux est cohérente avec la géologie calcaire. Le modèle développé peut être extensible à d’autres sites ferroviaires comme tunnels. A ce stade de notre travail de recherche, nous proposons donc un outil d’aide à la décision à double objectif : diagnostic du risque de précipitation de calcite et justification du choix des typologies de solutions techniques préventives ou curatives / This thesis focuses on the clogging phenomenon linked to the precipitation of calcite in high-speed line drainage systems (HSL). Indeed, the clogging of these drains can affect the geometric behavior of the track. Maintaining hydraulic devices in its optimal operating condition is a major challenge for SNCF Réseau. The objective of this research is to determine the processes and causes of calcite formation and its kinetics, by integrating the natural environment (geology) and railway context (anthropogenic materials) as well as the types of drainage devices. The purpose of this research has double industrial goals: preventive and curative. The dysfunction of the devices of the HSL drainage systems, whether along the track or in the tunnel, cause the presence of water in the foundation of the tracks, which can lead to a degradation of their mechanical characteristics, and in the long term induce rail levelling that can lead to impacts on traffic. The clogging of drainage devices by precipitated carbonate deposits is a major cause of reducing the functionality of these devices on the French Railway Networks (RFN): 546.8 km of HSL (Line 1 to 6) are potentially under this impact. In some ways, this impact is essential. For example, it has been estimated that over 78 km (HSL 2) of HSL equipped with draining collector, that the clogging of the devices related to the precipitation of carbonate deposits could represent up to 80% of cases of drainage dysfunction. The curent techniques used are the hydrocuring or the jackhammer for very hardened deposits but both of low profitability in view of the potentially clogged kilometers. In order to propose innovative design or treatment solutions adapted to the different site contexts, the study of the mechanisms involved was the subject of a site monitoring lasting more than two years at a HSL pilot site (Chauconin, 77) instrumented for this purpose allowing the analysis of the physico-chemical parameters of the drained water as well as that of precipitated deposits in their geological, geotechnical and hydrometeorological context. This approach was complemented by the study of 8 other complementary sites selected in full-scale of RFN including tunnels under variant geology as well as covering all existing drainage devices in the railway infrastructure.The hydrogeochemical model developed on this basis offers the possibility of reproducing the processes observed on the Chauconin site: the physical process (Rain-Flow) and the physicochemical process (Transfer-Reaction Model) according to their context in order to quantify predictably the deposits in the drainages devices. This conceptual model is based on an empirical hydrology model of two ground reservoir by coupling the processes of transfer and reaction (dissolution - precipitation). The first analysis of water and surrounding materials on the Chauconin site show that, in the absence of a drained aquifer, this drained water is rich in calcium and sulphates. The detailed analysis of the materials shows that some of the reported materials used in the foundation of the railway platform contain gypsum whose dissolution by infiltration water could explain the composition of the drained water. The waters on the additional sites with a presence of permanent or temporal aquifer are essentially calcium carbonate. These drained waters are consistent with their calcareous or Gypsums geology.The developed conceptual model could be expanded to other railway sites as tunnel. At this stage of our research work, we propose a conceptual decision-making tool with two objectives: diagnosis the calcite precipitation and justification of the choice of typologies of solutions

Le ruissellement pluvial est à l’origine de phénomènes violents tels que des inondations, de l’érosion ou des coulées de boue. Les voies ferrées interceptent les écoulements de surface, ce qui peut engendrer une dégradation précoce de l’infrastructure ou la destruction d’éléments, tels que la plateforme ou les talus. La méthode IRIP, « Indicateur de Ruissellement Intense Pluviale », permet de représenter le ruissellement en trois cartes, la production, le transfert et l’accumulation. La méthode IRIP se veut simple et robuste, pour un usage sur tous types de territoires et sans calage. Comme tout modèle de ruissellement, l’évaluation de la méthode IRIP se heurte au manque de données. Pourtant, l’évaluation est une étape cruciale dans le développement de modèles. Pour un usage opérationnel ou pour poursuivre les développements, il est nécessaire d’estimer la valeur et la fiabilité des informations produites. L’objectif de la thèse est donc de proposer une méthode d’évaluation de la méthode IRIP par comparaison à des données d’impacts sur les voies ferrées. La difficulté réside dans la différence de fond et de forme des données à comparer et dans la nécessité de prendre en compte la vulnérabilité de l’infrastructure. La méthode d’évaluation proposée est basée sur le calcul de tableaux de contingence et d’indicateurs de performance, couplé à des analyses détaillées d’incidents. Après une estimation de la performance de la méthode IRIP, des développements sont testés et évalués grâce à la méthode d’évaluation élaborée. La lisibilité des cartes est finalement améliorée, tout en gardant de bons scores de performance. En appliquant la méthode IRIP à des contextes opérationnels, il est montré en quoi IRIP peut être considéré comme un outil d’aide à l’expertise. Différentes tâches du processus de gestion des risques sont testées, telles que les diagnostics de risques sur les voies ferrées, les retours d’expérience post-évènement ou encore la réalisation de zonage règlementaire. De manière générale, cette thèse contribue à l’amélioration des connaissances sur le phénomène du ruissellement et propose des méthodes pour améliorer la gestion des risques liés au ruissellement. / Surface runoff is the source of severe hazards such as floods, erosion or mudflows. Railways can disturb natural surface water flow path, which can generate accelerated deterioration of the infrastructure, or the destruction of railway elements, such as the roadbed or the embankments. The IRIP method ‘Indicator of Intense Pluvial Runoff’ (French acronym) allows mapping surface runoff through three maps, generation, transfer and accumulation. The IRIP method aims to be simple and reliable, in order to be used on all types of lands, without calibration stage. As for others surface runoff models, the IRIP method evaluation faces the lack of data. However, evaluation is a crucial stage for the development of models. In the perspective of an operational use, or simply for the model development, it is essential to estimate the value and the reliability of the model outputs. The thesis objective is to provide an evaluation method using surface runoff impacts on railways. Difficulties lie in the fact that data to be compared differ in terms of form and content. Moreover, the infrastructure vulnerability must be characterized. The proposed evaluation method is based on the computation of contingency tables and of verification indicators, together with detailed analysis of specific impacts. After an estimation of the IRIP method performance, further developments can be tested and evaluated thanks to the proposed evaluation method. Finally, maps comprehensibility is enhanced, while preserving satisfying performance scores. By applying the IRIP method to operational contexts, it has been shown how the IRIP method can be used as a tool in expert appraisals. Different tasks of the risk management process have been studied such as risk analysis on railways, post-event investigation or the realisation of regulatory zonings. More generally, this thesis contributes to improve knowledge about surface runoff and provide methods for improving the risk management.

Actuellement, la majorité des convertisseurs embarqués dans des trains circulant sous une caténaire alternative est composée d’un transformateur basse fréquence, puis de redresseurs,alimentant des moteurs de traction via des onduleurs de traction. Les inconvénients majeurs de ces structures sont un volume et une masse embarqués importants, dus au transformateur fonctionnant en basse fréquence. Le rendement est également mauvais, à cause des contraintes de volume et de masse. Grâce aux développements des semiconducteurs haute tension et forte puissance et des transformateurs moyenne fréquence, i.e. de l’ordre de quelques kilohertz, de nouvelles topologies de convertisseurs embarqués, appelées transformateurs électroniques, sont à l’étude. Si plusieurs topologies ont déjà été étudiées dans la littérature, elles n’ont jamais été comparées. L’objectif principal de cette thèse est donc de proposer une méthodologie de dimensionnement des différentes topologies de transformateurs électroniques, afin de pouvoir les comparer. Un état de l’art des différentes structures proposées dans la littérature est présenté dans le premier chapitre de ce mémoire. Le chapitre 2 est consacré à la comparaison de structures indirectes. Pour cela, une méthodologie, permettant d’optimiser le dimensionnement de chaque structure afin de maximiser son rendement sous des contraintes de masse et de volume, a été développée. Elle est ensuite appliquée sur des topologies utilisant des MOSFET SiC, contrairement aux structures à IGBT Si développées dans la littérature. L’inductance magnétisante est considérée afin d’assurer un fonctionnement en commutation douce, et ainsi limiter les pertes. Un troisième chapitre propose un filtre actif innovant, intégré aux DC-DC du convertisseur. Celui-ci a pour but de réduire le volume du condensateur de filtrage des bus intermédiaires, et ainsi le volume total du convertisseur, sans dégrader la fiabilité intrinsèque de celui-ci. Son fonctionnement et son impact sur les pertes du DC-DC y sont étudiés. Enfin, le dernier chapitre est dédié à l’étude des interactions entre le convertisseur embarqué et l’infrastructure ferroviaire. Pour cela, des modèles d’infrastructure 25 kV-50 Hz ont été réalisés. Ceux ci comportent notamment un circuit original modélisant l’effet de peau dans la caténaire. Des résonances à certaines fréquences, caractéristiques de la géométrie du réseau et de la position du train sur celui-ci, ont été mises en évidence dans l’impédance vue par le train. Ces modèles ont aussi été implémentés dans un simulateur numérique, pour alimenter une maquette petite échelle de convertisseur. Ce type de test n’a, a priori, jamais été réalisé sur un transformateur électronique. Une conclusion générale et des perspectives sur les travaux présentés concluent ce mémoire / Current on-board converters, running on AC catenaries, are mainly composed by a low frequency transformer, then rectifiers, supplying traction motors through three-phase inverters. Due to volume and mass constraints on the converter, the efficiency of the transformer is limited. Moreover, this transformer is quite bulky and heavy. Thanks to the development of high voltage and high power semiconductors, such as Si IGBTs or SiC MOSFETs, and of medium frequency transformer, i.e. operating at a few kilohertz, new topologies of on-board converters, named Power Electronic Traction Transformer (PETT), are studied. Though several structures have been studied in the literature, they have never been compared. The main objective of this thesis is, thus, to develop a methodology to size PETT topologies, in order to compare them. In the first chapter, a state of the art of the PETT structures proposed in literature is presented. The second chapter is dedicated to the comparison of indirect topologies. A methodology, optimising the sizing of each structure to maximise its efficiency under mass and volume constraints, is developed. It is applied on topologies using SiC MOSFETs, contrary to Si IGBT structures developed in the literature. The magnetizing inductance is also considered to insure soft switching and reduce the losses. In the third chapter, an novel active filter, included in the DC-DCs of the converter, is proposed. The aim is to reduce the volume of the filtering capacitors on the intermediate buses, and thus, of the entire converter, without impacting the intrinsic reliability of the converter. Its impact on the losses of the DC-DC is studied. The last chapter deals with the interactions between the on-board converter and the infrastructure. Thus, the 25 kV-50 Hz railway network is modeled. It includes a novel circuit, modelling the skin effect in the catenary. Some resonances, dependant on the sector geometry and the train position, are highlighted in the impedance seen by a train. Moreover, the models are implemented in a numerical simulator to supply a small scale mock-up of a PETT. PHIL tests have, a priori, never been carried on a PETT. A conclusion and some perspectives of future work close thisdissertation.

Les marges de progression pour le système ferroviaire français et européen restent nombreuses tant du point de vue de la gouvernance que de la compétitivité. C’est la conclusion à laquelle tend ce travail. Les résultats du consortium de recherche Enerdata-LET (2014) montrent que dans le respect du facteur 4 à horizon 2050, le report de la demande en transport vers le ferroviaire pourrait être massif. Face à cela, la situation de la LGV Paris-Lyon, déjà à la limite de la saturation, interroge sur la capacité du système à accueillir de nouveaux trafics. Deux écoles s’affrontent sur cette question. D’un côté, les tenants du SNIT proposent un quasi doublement du réseau LGV pour répondre aux futurs besoins tandis que la commission « Mobilité 21 » privilégie la recherche de rendements croissants à partir de l’existant. Sans prétendre résoudre le débat, ce travail tente d’apporter des éléments de compréhension sur l’interaction entre demande et offre dans le ferroviaire.L’étude de la concordance entre augmentation de la demande et offre ferroviaire nous mène à poser la question de la performance. Elle sous-entend d’être en premier lieu capable de définir la capacité d’une infrastructure ferroviaire. En second lieu, la mise en évidence de limites conduit à interroger le phénomène de saturation ou congestion. Enfin, interroger la notion de saturation mène inévitablement à mettre en perspective la relativité des limites et à poser la question de leur dépassement.L’objectif de cette recherche est d’appliquer cette problématique au système ferroviaire en tenant compte de ses spécificités. On tient compte de sa constitution en tant qu’industrie de réseau et de monopole naturel dans le cas de l’infrastructure (gestionnaire d’infrastructure). Sans prétendre trancher le débat sur le mode de gouvernance, on considère que cette particularité peut influencer le comportement des acteurs et indirectement la performance du système. On considère également l’évolution législative du système au niveau européen. On ne peut aborder la question de la performance sans resituer le secteur dans son contexte juridique. Enfin, l’essentiel de l’analyse repose sur l’étude de la saturation de la LGV Paris-Lyon. On considère cette LGV représentative de la performance souhaitée pour le réseau ferroviaire français. Elle concentre à la fois les défis techniques et économiques de la capacité qui constituent le cœur de notre réflexion sur la performance, ses conditions et les marges de progression du réseau français. / There is still much progress to make concerning the French and the European railway networks, both from governance and competitiveness standpoints. This is the conclusion this work lead to. The results from the Enerdata-LET research consortium (2014) illustrate that, considering factor 4 for horizon 2050, the modal shift of demand in transport towards railway could be massive. Regarding this, the situation of Paris-Lyon high-speed line, already up to its saturation level, addresses the issue of the capacity a system possesses to bear new traffics. Two schools oppose there. On one side, the supporters of the SNIT suggest a quasi-doubling of the high-speed railway network, in order to cope with futures needs, whereas on the other side, the “Mobilité 21” commission gives priority to the search of increasing returns from the existing infrastructure. Without claiming to solve the issue, this work attempts to bring up comprehension elements on the interaction between demand and offer in the railway sector.Studying the accordance between an increase in railway demand and offer leads us to question performance. It means being able to define capacity of the railway infrastructure, first. But it also means questioning its limits, which addresses the phenomenon of saturation, also called congestion. Eventually, this all inevitably leads to put into perspective the relativeness of these limits and to question the ways to overcome them. The objective of this research is to apply this issue to the railway system, accounting its specificities. We consider its constitution as a network industry and as a natural monopoly, when considering the infrastructure (infrastructure manager). Without pretending to conclude the debate on governance, we consider that this particularity might influence actors and, thus, performance. We also consider the legal framework at the European scale. One can’t question performance without framing the railway sector within its legal context. Then, the main purpose of the analysis stands in the study of saturation of the Paris-Lyon high-speed line. We consider the line as representative of the expected performance level of the whole French railway network. It challenges both technical and economic capacities that are in the core of our rationale on performance, its requirements and the opportunities of the French network.