Dans le présent travail, nous étudions l'impact sur un obstacle rigide d'un écoulement transitoire à surface libre de fluide viscoplastique. Cette étude est conduite numériquement à l'aide de la méthode SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics), en y intégrant le modèle rhéologique de Herschel-Bulkley. Le code employé est adapté à nos besoins et validé sur des cas test classiques. Les caractéristiques locales de l'écoulement à proximité de l'obstacle sont analysées et deux régimes d'impact sont mis en évidence en fonction de la pente d'écoulement. L'étude des pressions exercées sur l'obstacle, conduite spatialement et temporellement en fonction de ces régimes d'impact, nous permet de mettre en évidence les rôles respectifs des composantes gravitationnelle et cinétique de la pression. Nos résultats sont comparés systématiquement à des résultats expérimentaux issus de travaux précédents et sont cohérents avec ces derniers. Une étude comparative de nos écoulements de fluide viscoplastique avec des écoulements de matériau granulaires de propriétés similaires nous conduit à mettre en évidence des caractéristiques communes entre les deux matériaux. / In this work, we study the impact of a transient free-surface flow of viscoplastic fluid on a rigid obstacle. This study is conducted numerically using the SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) method, and the Herschel-Bulkley rheological model. The SPH code is adapted to our needs and validated on classic benchmarks. The local characteristics of the flow near the obstacle are analysed and two impact regimes are highlighted depending on the slope angle. By studying of the pressure exerted on the obstacle, both spatially and temporally, with regards to these impact regimes, we evidence the respective roles of the gravitational and kinetic components of the pressure. Our results are systematically compared with experimental data from a previous work and are shown to be consistent. A comparative study conducted on both our viscoplastic flows and flows of granular material of similar properties highlights common characteristics of the two materials.

Turbulent bedload transport represents the main contribution to the riverbed morphological evolution, and associates the non-trivial collective granular behavior with a turbulent fluid flow. Therefore, its description is both a scientific challenge and a societal issue. The present numerical approach focuses on the granular phase characterization, and considers idealized steady uniform bedload transport, with monodisperse spherical beads and a unidirectional fluid flow. This simplified configuration allows to study the underlying physical mechanisms.A minimal coupled numerical model is proposed, associating a three dimensional discrete element method with a one-dimensional volume-averaged fluid momentum balance resolution. The model is compared with classical experimental results of dimensionless sediment transport rate as a function of the Shields number. The comparison is extended to granular depth profiles of solid volume fraction, solid velocity and sediment transport rate density in quasi-2D bedload transport configurations. Parameter sensitivity analysis evidenced the importance of the fluid-particle phase coupling, and showed a robust agreement of the model with the experiments. The validated model is further used to analyze the granular depth structure in bedload transport. Varying the channel inclination angle and the specific density, it is shown that the classical Shields number and dimensionless sediment transport rate formulations do not take appropriately into account the effects of these two parameters. Analyzing the solid depth profiles and the continuous two-phase flow equations, the neglected fluid flow inside the granular bed is identified as the missing contribution. Its importance is enhanced near the transition to debris flow. A rescaling of the Shields number is proposed and is shown to make all the data collapse onto a master curve when considering the dimensionless sediment transport rate as a function of the modified Shields number. Lastly, the bedload transport granular rheology is characterized by computing locally the stress tensor as a function of the depth. The lowermost part is shown to follow a creeping regime and exhibits signature of non-local effects. The dense granular flow on the top of it, is well described by the mu(I) rheology and is observed to persist up to unexpectedly high inertial numbers. It is characterized by the co-existence of frictional and collisional contributions. The transition from dense to dilute granular flow is controlled by the Shields number, the slope and the specific density. Saltation is observed in the uppermost granular layer. These findings improve the understanding of bedload transport granular mechanisms and challenge the existing granular rheologies. / Turbulent bedload transport represents the main contribution to the riverbed morphological evolution, and associates the non-trivial collective granular behavior with a turbulent fluid flow. Therefore, its description is both a scientific challenge and a societal issue. The present numerical approach focuses on the granular phase characterization, and considers idealized steady uniform bedload transport, with monodisperse spherical beads and a unidirectional fluid flow. This simplified configuration allows to study the underlying physical mechanisms.A minimal coupled numerical model is proposed, associating a three dimensional discrete element method with a one-dimensional volume-averaged fluid momentum balance resolution. The model is compared with classical experimental results of dimensionless sediment transport rate as a function of the Shields number. The comparison is extended to granular depth profiles of solid volume fraction, solid velocity and sediment transport rate density in quasi-2D bedload transport configurations. Parameter sensitivity analysis evidenced the importance of the fluid-particle phase coupling, and showed a robust agreement of the model with the experiments. The validated model is further used to analyze the granular depth structure in bedload transport. Varying the channel inclination angle and the specific density, it is shown that the classical Shields number and dimensionless sediment transport rate formulations do not take appropriately into account the effects of these two parameters. Analyzing the solid depth profiles and the continuous two-phase flow equations, the neglected fluid flow inside the granular bed is identified as the missing contribution. Its importance is enhanced near the transition to debris flow. A rescaling of the Shields number is proposed and is shown to make all the data collapse onto a master curve when considering the dimensionless sediment transport rate as a function of the modified Shields number. Lastly, the bedload transport granular rheology is characterized by computing locally the stress tensor as a function of the depth. The lowermost part is shown to follow a creeping regime and exhibits signature of non-local effects. The dense granular flow on the top of it, is well described by the mu(I) rheology and is observed to persist up to unexpectedly high inertial numbers. It is characterized by the co-existence of frictional and collisional contributions. The transition from dense to dilute granular flow is controlled by the Shields number, the slope and the specific density. Saltation is observed in the uppermost granular layer. These findings improve the understanding of bedload transport granular mechanisms and challenge the existing granular rheologies.

La plupart des ruptures des structures géotechniques sont associées aux phénomènes de localisation des déformations, qui s'accompagnent toujours d'un adoucissement de la résistance. De nombreuses observations expérimentales montrent que d’importants réarrangements et rotations de particules se produisent à l'intérieur des bandes de cisaillement. Cette thèse vise à étudier numériquement les phénomènes de localisation des déformations dans les matériaux granulaires. Considérant les problèmes de dépendance au maillage dans l'analyse par éléments finis dans le cadre de la modélisation continue classique, un modèle de sable basé sur l' état critique a été formulé dans le cadre de la théorie micropolaire. Un code d'éléments finis pour les problèmes bidimensionnels a été développé dans ce cadre. Ensuite, les simulations d'essais bi-axiaux ont permis d’étudier en profondeur les caractéristiques des bandes de cisaillement en termes d'apparition,d'épaisseur, d'orientation, etc. Dans le même temps, l'efficacité de l'approche micropolaire, en tant que technique de régularisation, a été discutée. L'analyse de l'instabilité dans un continuum micropolaire basé sur le travail du second-ordre a également été effectuée. Enfin,pour une application plus large dans la simulation des défaillances en ingénierie géotechnique, le modèle 2D a été étendu à un modèle 3D. Sur la base de l'étude, les modèles 2D et 3D ont démontré leurs capacités de régularisation pour éviter les problèmes de dépendance au maillage et reproduire raisonnablement les bandes de cisaillement dans les géostructures. / Most of the progressive failures of geotechnical structures are associated with the strain localization phenomenon, which is generally accompanied by strength softening. Many experimental observationsshow that significant rear rangements and rotations of particles occur inside the shear bands. The aim of this thesis is to investigate numerically the strain localization phenomena of granular materials. Considering the mesh dependency problems in finite element analysis caused by strains oftening within the classical continuum framework, a sand model based on critical-state has been formulated within the framework of the micropolar theory, taking into account the micro rotations, and implemented into a finite element code for two dimensional problems. Then, the simulations of the shearband in biaxial tests are comprehensively studied in terms of onset, thickness, orientation, etc. At the same time, the efficiency of the micropolar approach, as a regularization technique, is discussed. This is followed by an instability analysis using the second-order work based on the micropolar continuum theory. Finally, for a wider application in simulating failures in geotechnical engineering, the 2D model has been extended to 3D model. Based on the entire study, both the 2D and 3Dmodel demonstrate obvious regularization ability to relieve the mesh dependency problems and to reproduce reasonably the shear bands in geostructures.

De nombreux procédés industriels nécessitent la manipulation de matériaux sous forme pulvérulente. L’émission de poussières générée par leur manipulation peut s’avérer dangereuse pour la santé des travailleurs ou bien causer un risque d’explosion. Afin de mieux comprendre les mécanismes de dispersion des poussières, le cas de la décharge d’un silo est étudié par simulation numérique avec une approche Euler-Euler. Deux configurations ont été étudiées au cours de cette thèse. La première, sans silo, a permis d’étudier l’influence de perturbations de vitesses imposées à l’entrée de la chambre de dispersion en lieu et place du silo. Cette étude a révélé que ces perturbations peuvent influencer l’élargissement du panache de poudre. Seules les perturbations avec une corrélation temporelle ont généré une ouverture importante du jet tombant semblable à celle relevée expérimentalement. Dans la deuxième configuration, le silo et la chambre de dispersion sont représentés afin d’étudier le couplage entre la dispersion du jet et l’écoulement dans le silo. L’une des difficultés de ces simulations est de prédire les différents régimes d’écoulements granulaires, allant de l’état quasi-statique dans le silo au régime très dilué lors de la dispersion du jet tombant, en passant par le régime collisionnel à la sortie du silo. La théorie cinétique permet de modéliser le régime dilué et collisionnel. En revanche pour la partie quasi-statique un modèle semi-empirique a été utilisé, implémenté et validé sur différentes configurations. La seconde étude a montré l’importance du rapport entre le diamètre de l’orifice et le diamètre des particules sur la structure du jet. En effet, lorsque ce paramètre est faible, le coeur du jet se contracte immédiatement après la sortie du silo puis s’ouvre en aval. Pour des valeurs grandes, l’ouverture du jet est négligeable. Cependant, il semblerait que l’angle du silo modifie le comportement de l’écoulement, ce qui nécessitera des études supplémentaires. / A wide range of industrial processes requires the handling of granular material in a pulverulent form. The subsequent dust emissions due to these processes can be harmful to the health of workers or hazardous explosion risks. In order to understand dust dispersion mechanisms, a case of a free falling granular jet discharged from a silo is studied by numerical simulations using an Euler-Euler approach. Two types of numerical simulation are conducted. First, the influence of velocity fluctuations at the inlet chamber is studied on the plume behavior, instead of the silo. This study reveals that fluctuations are enable to reproduce the jet expansion. It is established that only fluctuations with temporal correlation generate a large jet opening similar to the experiment. The second type of setup shows the coupling between the silo and the chamber. One of the major challenges is the ability to predict the different flow regimes going from quasi-static regime inside the silo, to the very dilute regime in the dust spread and include the collisional regime occurs through the silo. Kinetic theory allows modeling of the dilute and collisional regime. By contrast, frictional models have been used, implemented and validated in different cases. The second study highlights the key role of the ratio defined by the orifice diameter on the particle diameter. Indeed, when this parameter is small, the jet powder core contracts immediately after the exit of the silo dump plane and expands downstream. For high values, the granular jet does not exhibit dispersion anymore. This study suggests that the silo half-angle has an impact on the flow field which justifies the need for further investigations.

Ce travail de thèse concerne l'étude numérique du transport par charriage d'un lit de grain dans un écoulement de Couette laminaire. La méthode numérique employée est un modèle de type Euler-Lagrange, où la taille de la cellule de calcul eulérienne est supérieure mais du même ordre de grandeur que le diamètre moyen des grains. Elle repose pour la phase fluide Eulérienne sur les équations de Navier-Stokes moyennées par un terme de porosité et pour la phase solide Lagrangienne sur les équations de Newton résolues pour chaque particule via une méthode aux éléments discrets. Un terme d'interaction fluide-particule permet de coupler les deux phases. Dans un premier temps, des simulations en petit domaine sont effectuées afin d'étudier l'influence du nombre de Shields , du nombre de Reynolds particulaire Rep et du rapport de densité p/f sur le transport granulaire. Nous montrons, en particulier, que ce modèle numérique permet de retrouver le seuil de mise en mouvement du lit granulaire et les lois de débit granulaire fonction de comme obtenus dans la littérature. De plus, il est mis en évidence que ce débit granulaire q ne dépend que plus faiblement de Rep et p/f. Dans un second temps, des simulations sur de longs domaines permettent d'observer l'influence de ces mêmes paramètres sur le développement d'instabilités. Plus particulièrement, le développement de l'instabilité de lit sur les temps courts et sur les temps longs sont discutés. / This work deals with local numerical simulations of laminar shear flow eroding a bed of spherical particles. The numerical method used is an Euler-Lagrange model, based on the resolution of the Navier-Stokes equations, averaged over cells containing several particles, and Newton's equations for the solid phase using the discrete element method (DEM). The averaging procedure brings out a solid volume fraction term for the fluid phase, which mimics the porosity of the effective medium. A fluid-particle interaction term enables a two-way coupling. Firstly simulations are performed on a relatively small domain, allowing to reach a steady state without any instability development. The influence of the Shields number , the particle Reynolds number Rep and the density ratio p/f is observed independently from each other. Simulations agrees well with experiments and lower scale simulations, giving a granular transport largely governed by the Shields number compared to the other dimensionless numbers and a pretty good estimation of the threshold Shields number c, which delineates static and moving bed. Secondly, simulations on a larger domain are performed in order to capture the formation and the development of ripples. The influence of the three dimensionless numbers on the ripple characteristics, such as wavelength or amplitude, is investigated. These preliminary results seems to be in a reasonable agreement with experimental and simulation data. In particular, the relative influence of and Rep is discussed.

Le comportement mécanique de matériaux granulaires est intrinsèquement lié aux propriétés individuelles des grains constitutifs ainsi qu’à leur assemblage (texture, distribution des vides, contact entre grains…). Soumis à un chargement extérieur, cet assemblage se déforme incluant le déplacement relatif entre les particules mais également la déformation propre des grains jusqu’à leur rupture si elle se produit. Pour étudier la rupture d'une seule particule, des études expérimentales et numériques ont été réalisées. Quatre particules sphériques formées de billes d’argile expansée légère ont été testées en compression à déplacement contrôlé jusqu’à la rupture (essai brésilien). Des photos ont été prises avec une fréquence d’acquisition de 4 images par seconde pour suivre la déformation des grains durant l’essai. La structure interne d'une particule a une influence significative sur l'initiation de la fissure. Pour approfondir cet effet, une micro-tomographie par rayons X a été utilisé pour scanner une particule afin d'obtenir la structure géométrique réelle en 3D. Ensuite, un modèle numérique 3D basé sur la géométrie des particules incluant la porosité interne a été construit avec Abaqus pour les mêmes conditions de chargement. Une comparaison des résultats des tests de laboratoire et des simulations a été faite. Sur la base des résultats, l’initiation des fissures, leur localisation dans le grain et la classification des ruptures de particules ont été établies. Afin d’étudier le rôle de l’anisotropie et en particulier de la fabrique d’un matériau granulaire soumis à un chargement externe, cinq essais de compression biaxiaux ont été réalisé sur un assemblage de grains quasi-sphériques placés dans une chambre confinée. Des photos ont été prises pendant les tests et ont été enregistrées selon une fréquence définie. Un programme écrit sous Matlab a été utilisé pour traiter les photos, obtenir le champ de déplacement et analyser les résultats. Un intérêt particulier a concerné l’orientation des contacts, le tenseur de fabrique et son évolution durant le chargement. L'impact de certains facteurs clés tels que la densité de compactage, la pression de confinement, la taille des plateaux de chargement, la taille des particules et l’épaisseur des échantillons sur la déformation des échantillons ont été étudiés. Une attention particulière s’est portée sur les grains subissant une rupture. Nous avons déterminé le nombre de contact sur ces grains et les avons reproduits, dans le modèle numérique (grain 3D) soumis à un chargement diamétral, par le biais de contraintes cinématiques / The mechanical behaviour of granular materials is deeply related to both the individual particle properties and to the assembly of grains (fabric, void distribution …). Subjected to an external loading, the assembly deforms which is not only dependent on relative grain displacements but also on the grain deformation and to grain breakage when occurring. Experimental and numerical studies of single particles were performed. Four approximately spherical particles of light expanded clay were tested to investigate the breakage phenomenon under diametric displacement-controlled compression load. Photos were taken with a frame rate of 4 images per second during the testing. Since the interior of a heterogeneous particle has significant influence on the failure initiation, an X-Ray micro tomography system was used to scan particles. Moreover, the post-processing enables us to obtain the real 3D volumetric structure. Then a 3D numerical model including pore structure was built in Abaqus for the same loading conditions. A comparison of results from laboratory tests and simulations was made. Based on the results, the crack initiation process, its location and classification of particle failures were set. For purpose of understanding the anisotropy and in particular fabric of packing of granular material when disturbed under external loading, five biaxial compression tests were performed on an assembly of approximately spherical particles settled in a chamber under confining pressure. During the test, photos were taken by the camera and saved to a computer at periodic intervals. Software written with Matlab codes was used to process the photos, determine the displacement field and analyse the results. Focus on contact orientation, fabric tensor and its evolution during testing were put on. Impact of some key factors such as packing density, confining pressure, sizes of the covers, sizes of the particles and thickness of samples on the packing characteristic were analysed. In order to understand mechanical behaviour and kinematic of multiple particles under external load considering particle breakage, six biaxial compression tests were performed on an assembly of approximately spherical particles. Photos were taken to record the location of each particle during the tests. Software written with of Matlab codes was used to process the photos and trace the displacement of all particles in order to analyze kinematical behaviour of the particles. A particular attention was payed to given particles subjected grain breakage within the assembly. Their contacts and relative displacements were introduced in the numerical model of single grain breakage and conclusions were derived

Le stockage de grains est une problématique qui date du développement de l’agriculture afin de répondre au besoin de conservation des céréales. Afin de faciliter la vidange de silos, l’entreprise Vibrafloor propose une solution de vidange automatisée basée sur l’agitation du contenu par vibration d’un plancher flexible. L’objectif de cette thèse est de développer un modèle numérique robuste qui puisse prédire le comportement du système vibrant sous charge, au cours d’un cycle de vidange. Ces travaux peuvent être décomposés en trois parties principales : - Le développement d’un modèle numérique fiable d’un module vibrant ; - Le développement d’un modèle numérique du milieu granulaire ; - La mise en interaction de ces deux modèles. Enfin, l’exploitation de ces modèles numériques a permis de proposer des règles d’utilisation du système à l’industriel et de proposer les prémisses d’un outil d’étude du procédé de vidange dans sa globalité. / The grain storage is an issue that dates agricultural development to address the need for cereal preservation. In order to facilitate the emptying silos process, Vibrafloor provides an automated emptying solution based on the agitation of the contents by vibration of a flexible floor. The objective of this thesis is to develop a reliable numerical model that can predict the behavior of the vibrating system under load during a drain cycle. These works can be divided into three main parts: - The development of a reliable digital model of a vibrating module - The development of a numerical model of the granular media - The interaction of these two models. Finally, the exploitation of these numerical models helped provide system usage rules for industrial and the beginnings of a study tool for the entire automatic drain process.

La stabilité gravitaire des ouvrages hydrauliques (digues fluviales, barrage en remblai, ...) est un problème complexifié par la présence d'infiltration d'eau au sein même de l'ouvrage et de ses fondations. Le territoire national compte près de 10000 km de digues, d'où un enjeu important en terme de risque d'inondation. Les déstabilisations gravitaires observées sur les ouvrages hydrauliques se distinguent par leur brièveté et par leur faible emprise spatiale. L'objectif de ce travail de thèse est d'étudier spécifiquement ces instabilités brèves et de faible déplacement cumulé le long de la pente dans le cas de matériaux granulaires saturés. Dans un premier temps, une campagne expérimentale a été effectuée sur la base d'un protocole de chargement progressif dans lequel un échantillon de sol est lentement incliné jusqu'à obtenir une déstabilisation massive. Il en ressort une phénoménologie complexe composée d'un nombre de précurseurs d'avalanche dépendant de la fraction volumique de l'échantillon. Une forte influence de la fraction volumique du sol sur le seuil de stabilité est également mise en avant. Une deuxième campagne expérimentale basée sur un protocole d'effondrement contrôlé, à inclinaison imposée, a été menée dans le but d'amplifier la cinématique de déstabilisation observée en chargement progressif. Mis à part les échantillons les plus denses qui produisent de simples avalanches de surface, on observe dans les autres cas un ou plusieurs événements successifs, d'allure circulaire, mobilisant des profondeurs très importantes contrairement aux avalanches de surface.. Outre l'inclinaison, on voit bien que, là encore, la fraction volumique est un paramètre clé dans le contrôle de la cinématique de déstabilisation. Des essais préliminaires laissent cependant entendre que, au-delà de la fraction volumique, c'est la microstructure qui semble être le vrai paramètre de contrôle à travers notamment la forme des grains et leur enchevêtrement. / Gravitational stability of hydraulic structures (river dykes, embankment dam,...) is a problem complicated by the presence of water infiltration within the structure and its foundations. Our country has about 10,000 km of dikes and gravitational failure is a major challenge in terms of flood risk. In hydraulic structures, these destabilizations are characterized by their brevity and their small spatial extent. The objective of this thesis is to study specifically this type of brief instabilities in the case of a saturated granular material. A first series of experiments was carried out on the basis of a progressive loading protocol in which a soil sample is tilted slowly until a massive destabilization is triggered. It shows a phenomenology complex consisting of a number of precursory events prior final avalanching, dependent on the solid volume fraction of the sample. A strong impact of the solid volume fraction of the soil on the stability threshold is also highlighted. A second series of experiments based on a protocol of collapse controlled at imposed slope was conducted to amplify the kinematics of destabilization observed by progressive loading. Apart from the denser samples that produce simple surface avalanches, one or more successive events are observed in other cases. Unlike surface avalanches, these events mobilize grains much deeper, in an almost semi-circular area. In addition to slope angle, solid volume fraction is once again a key parameter in controlling the kinematics of destabilization. Preliminary tests suggest, however, that, beyond solid volume fraction, microstructure appears to be the true control parameter, particularly through grain shape and texture.

Le transport sédimentaire contrôle l'évolution morphologique des rivières, l'érosion du littoral et l'équilibre des écosystèmes. Il constitue également un facteur de risque pour les populations et les infrastructures. Le sheet-flow, ou charriage intense, est un régime de transport sédimentaire qui s'établi lors de crues dans les fleuves et les rivières ou lors du déferlement des vagues littorales sur les plages sableuses. Le fort taux de transport associé à ce régime le rend très morphogène et une bonne compréhension des processus physiques impliqués est fondamentale pour prédire la morphodynamique. Cependant, les interactions granulaires et les fluctuations turbulentes, qui sont les principaux mécanismes à l'œuvre dans ce phénomène, constituent des verrous scientifiques pour la modélisation du régime de sheet-flow. Cette déficience s'explique essentiellement par le manque de données expérimentales haute résolution. Partant de ce constat, l'objectif de la thèse est de proposer un modèle diphasique et un dispositif expérimental haute résolution permettant de mieux caractériser les mécanismes impliqués. indent Dans un premier temps, le modèle diphasique est présenté et les résultats obtenus sont confrontés aux données de la littérature. L'analyse des résultats montre que la rhéologie des écoulements granulaires denses ($mu(I)/phi(I)$) et l'approche de longueur de mélange utilisées sont des fermetures appropriées pour reproduire les principales caractéristiques du régime de sheet-flow pour une large gamme d'écoulements et de propriétés sédimentaires. La deuxième partie de la thèse est consacrée à la mise en place d'un dispositif expérimental capable de fournir des mesures instantanées de vitesse et de concentration en régime de sheet-flow uniforme. Dans la troisième partie les grandeurs moyennes sont analysées pour décrire la structure verticale de l'écoulement. Les résultats obtenus montrent qu'une formulation en longueur de mélange et un profil de Rouse permettent de décrire la contrainte turbulente et le profil de concentration dans la suspension à condition de fortement modifier le paramètre de von Karman ($kappa approx 0.2$) et le nombre de Schmidt ($sigma_s=0.44$). La rhéologie frictionnelle ($mu(I)/phi(I)$) et la théorie cinétique des écoulements granulaires prédisent qualitativement le comportement observé, mais échoue à reproduire quantitativement les mesures. Le lien étroit existant entre les structures cohérentes turbulentes et la dynamique du lit sédimentaire illustre l'importance des fluctuations et de l'intermittence de l'écoulement. Ce couplage pourrait expliquer l'écart observé entre le comportement prédit par les modèles de contraintes inter-granulaires et les mesures expérimentales. Finalement, la comparaison des analyses statistiques en régime de sheet-flow et en écoulement sur fond fixe rugueux permet de montrer que l'énergie cinétique turbulente est peu affectée par la présence des sédiments mais que le niveau de corrélation entre fluctuations horizontales et verticales est sensiblement diminué, impliquant une diminution de la longueur de mélange et de la viscosité turbulente. Une augmentation significative de la rugosité équivalente induite par le lit mobile est aussi observée. / Sediment transport controls river morphological evolution, coastal erosion and ecosystem equilibrium. It represents a risk factor for populations and infrastructures. The sheet-flow, or intense bed-load, is a regime of sediment transport occurring during river floods or in the coastal wave breaking region above sandy beaches. The large amount of sediment transported in this regime is the main source for morphological evolution in our natural systemswater bodies. A good understanding of the underlying physical processes is a pre-requisite for accurate morphodynamic predictions. However, particle-particle interactions and turbulent flow interactions, which are the main driving mechanisms in this problem, constitute the scientific bottlenecks for sheet-flow modelling. This deficiency is mainly caused by the lack of high resolution experimental data. Based on this observation, the objective of the present thesis is to propose a novel two-phase model and to generate a new set of high resolution experiment data to improve process based sheet-flow modelling. indent First, the two-phase flow model is presented and the obtained results are compared with data from the literature. The result analysis has shown that the dense granular flow rheology ($mu(I)/phi(I)$) combined with a turbulent mixing length concept predicts the main sheet flow characteristics over a wide range of flow and sediment properties. Secondly, the experimental set up providing high-rate measurements of velocity and concentration under a uniform sheet-flow regime is presented. Third, the measured mean flow quantities are analysed to describe the vertical structure of the flow. The obtained results show that a mixing length formulation and a Rouse profile allow to describe the turbulent stress and the concentration profiles in the turbulent suspension layer, provided that the von Karman parameter and the Schmidt number are modified ($kappa approx 0.2$ and $sigma_s=0.44$). The frictional rheology ($mu(I)/phi(I)$) and the kinetic theory of granular flows predict qualitatively the observed behaviour but fail to reproduce measurements quantitatively. The observed link between the turbulent coherent structures and the bed dynamic illustrates the importance of flow fluctuations and intermittency. This coupling could be responsible for the discrepancy found between the predictions from the intergranular stresses models and the measurements. Finally, the comparison between the statistical analysis performed for a sheet-flow regime and for a clear water flow over a rough fixed bed demonstrates that the turbulent kinetic energy is weakly affected by the presence of sediments whereas the turbulent correlation level between horizontal and vertical fluctuations is significantly reduced, leading to a decrease of both the mixing length and the turbulent eddy viscosity. An increase of the equivalent roughness height induced by the moving bed is also observed.

Des études de terrain, expérimentales et numériques ont été menées pour rendre compte de l'incision des rivières à fond rocheux par le transport sédimentaire. Toutefois, le caractère fluctuant du système étudié rend difficile l'établissement de lois générales. La thèse s'articule autour de l'analyse des résultats fournis par un programme informatique qui simule la mise en mouvement de sédiments par un écoulement turbulent. La modélisation et l'intégration des interactions entre les sédiments et le fluide ainsi que les contacts entre sédiments se basent sur la description mécanistique du système. La validation du modèle numérique a été effectuée par la comparaison de paramètres dont les valeurs pour des rivières naturelles ou expérimentales sont abondantes dans la littérature. Le nombre de Shields critique de mise en mouvement, la relation entre la vitesse du fluide et le débit de sédiment sont ces grandeurs de références. Le travail échangé entre les sédiments et le fond est comptabilisé et ce flux d'énergie est rattaché au taux d'érosion avec des paramètres mécaniques de la roche. Nous avons établi une relation entre le taux d'érosion et le nombre de Shields. Les variations du taux d'incision avec masse de sédiment présente dans le lit de la rivière montrent que nous reproduisons le « tool-effect » et le « cover-effect ». Nous prédisons l'existence d'un nombre de Shields critique propre à l'incision qui est supérieur au nombre de Shields critique de transport. Les travaux échangés entre la couverture sédimentaire et les parois du canal permettent de quantifie le taux d'érosion latérale. Les travaux échangés au sein de la couverture sédimentaire sont utilisés pour évaluer le taux d'usure des sédiments. À partir du bilan de puissance du sous-système couverture sédimentaire, nous proposons un scénario pour la croissance du chenal d'une rivière à fond rocheux. Plusieurs études paramétriques rendent compte de l'influence de la rugosité du fond, du coefficient de restitution et de la gravité. / Field measurements, empirical studies and numerical approaches had been led in order to explain bedrock river incision due to transport of sediments. However, the studied system is roughly fluctuating, what make difficult to establish general laws. The thesis is based on the analysis of data extracted from a numerical code that simulate the motion of sediment by a turbulent flow. The interactions between the sediments and the fluid and the contact between sediments are modeled on physical basis and integrated following the principles of mechanics. The numerical process has been validated by comparison between two parameters extracted from natural rivers and experimental setup. The critical Shields number for sediment transport and the relationship between flow velocity and flux of sediments has been compared to values taken from literature. The work of dissipative forces between sediments and bedrock is computed. We propose a quantification of vertical incision rate based on rock resistance parameters. We have established a relationship between incision rate and Shields number that fit with a power law. We reproduce the two antagonistic effects that rules incision process: tool-effect and cover-effect. We predict the existence of a critical Shields number for incision that is higher than sediment transport threshold. We quantify the lateral incision rate with the work of dissipative forces between channel benches and sediments. We also quantify the attrition rate of the sediments with the value of energy dissipated within the sediment cover. The power balance of the sub-system sediment cover gives basis that lead to a scenario for bedrock river channel growth. Other results about influence of bedrock roughness, coefficient of restitution and surface gravity on incision rate are exposed.