Les ‘laves torrentielles' constituent un risque naturel majeur dans la plupart des zones de montagne. Ce terme désigne des volumes importants d'un mélange d'eau, de sédiments de toute taille et de matières organiques, fortement concentré s'écoulant dans les torrents de montagne. L'énergie considérable mise en jeu et la taille parfois considérable des bassins versants torrentiels rendent souvent peu efficaces les solutions techniques de protection contre ces écoulements. Traditionnellement, les études cherchant à évaluer les volumes sédimentaires potentiellement mobilisables portent soit sur la production détritique des versants, soit sur la fourniture sédimentaire uniquement en sortie de bassin versant, mais rarement sur l'évaluation des matériaux sources potentiellement mobilisables provenant à la fois du lit et des versants. Ainsi, des travaux scientifiques ont été engagés sur la base d'une meilleure connaissance du fonctionnement des laves torrentielles. Pour cela, nous avons développé une approche fondée sur l'analyse spatiale (mesuresn observations in-situ et cartographie SIG), des essais de caractérisation physique, géomécanique et rhéologique et une modélisation numérique. Le site expérimental du torrent de Faucon (Alpes du Sud), où deux importantes laves se sont déclenchées au cours de ces dix dernières années, a été choisi pour cette étude. La complexité des laves ne permet pas d'utiliser un seul code couplé, ainsi pour chacune des trois phases des laves (déclenchement, propagation et dépôt/étalement) des modèles spécifiques ont été utilisés. Cette thèse contribue à améliorer la connaissance scientifique des processus torrentiels et propose de nouvelles pistes de recherche pour le développement de futurs modèles.

Dans les bassins versants abrupts de montagne, de larges quantités de sédiments provenant des pentes escarpées viennent se déposer dans la partie supérieure des torrents et sont remobilisées par les laves torrentielles ou par charriage. Le but de ce travail était d'étudier le transport des sédiments grossiers dans les petits bassins versants torrentiels et d'analyser l'influence du stockage de ces sédiments dans le chenal sur les laves torrentielles. Cela a requis sur le terrain une intense surveillance géomorphologique des événements d'écoulement dans les bassins versants des torrents du Manival et du Réal, susceptibles de produire des laves torrentielles et du transport solide par charriage chaque année.Le bilan sédimentaire du Manival a été réalisé grâce à des mesures topographiques répétées entre les événements importants d'écoulements (sections transversales et relevés au scan laser terrestre). Deux évènements de laves torrentielles et plusieurs évènements de charriage ont été observés. La reconstitution de leur budget sédimentaire a révélé que la majeure partie de leurs volumes a été apportée par l'érosion du chenal. Les évènements de charriage de l'automne ont contribué à la recharge sédimentaire du chenal principal par le dépôt de grands bancs de gravier. Ce processus est fondamental au déclenchement de laves torrentielles lors des printemps et été suivants. Un décalage dans le temps des séquences érosion /dépôt a été observé entre les parties supérieure et inférieure du chenal, révélant un transfert discontinu de sédiments dans le bassin versant. Un modèle conceptuel de transfert des sédiments est proposé pour les différentes magnitudes d'écoulement.Dans le Réal, le volume de sédiment transporté est similaire à celui du Manival avec une augmentation importante du volume dans le chenal. La plus importante lave torrentielle observée a révélé une diminution en aval des hauteurs d'écoulement maximales, des contraintes de cisaillement, de la vitesse et de la résistance à l'écoulement. Cela suggère que le front de la lave torrentielle érode et déstabilise le chenal, mais qu'il ne peut pas transporter les matériaux en raison de sa concentration élevée en sédiments. La vague hyperconcentrée qui suit se charge des matériaux restants, croît en volume et fusionne avec la lave torrentielle en décélération. Le front et les vagues suivantes jouent un rôle essentiel pour l'érosion lors d'un événement de lave torrentielle.Les laves torrentielles ont créé une érosion significative à la variabilité spatiale importante alors que les déformations du lit induites par le charriage sont en équilibre. L'érosion du chenal par les laves torrentielles est contrôlée étroitement par la pente en amont et les conditions de stockage des sédiments et peut être prédite par une relation logarithmique. Les matériaux les plus sensibles à l'érosion dans le Manival sont les bancs de gravier non consolidés formés par le charriage. Ils constituent une surface lisse au sein du chenal rugueux qui peut être automatiquement cartographiée à partir de données de laser scan terrestre ou aérien. Ceci fournit une évaluation des zones sensibles à l'érosion dans un chenal au moment du relevé au scan laser.Cette étude a permis d'alimenter le domaine des laves torrentielles en observations quantitatives sur le terrain. Des bases de données détaillées ont été obtenues par l'intégration de multiples relevés des différentes sections transversales, des nombreux balayages laser et des données des stations de mesure à haute fréquence. Les mesures de transfert de sédiments, des interactions/contrôles dans le chenal, de la dynamique des laves torrentielles. La caractérisation des stockages dans ces bassins différents fournit une base solide pour le développement de modèles conceptuels et statistiques. Ces observations ont également mis en évidence les paramètres importants à mesurer sur le terrain qui ont une influence sur les laves torrentielles.

Dans les bassins versants abrupts de montagne, de larges quantités de sédiments provenant des pentes escarpées viennent se déposer dans la partie supérieure des torrents et sont remobilisées par les laves torrentielles ou par charriage. Le but de ce travail était d'étudier le transport des sédiments grossiers dans les petits bassins versants torrentiels et d’analyser l’influence du stockage de ces sédiments dans le chenal sur les laves torrentielles. Cela a requis sur le terrain une intense surveillance géomorphologique des événements d'écoulement dans les bassins versants des torrents du Manival et du Réal, susceptibles de produire des laves torrentielles et du transport solide par charriage chaque année.Le bilan sédimentaire du Manival a été réalisé grâce à des mesures topographiques répétées entre les événements importants d’écoulements (sections transversales et relevés au scan laser terrestre). Deux évènements de laves torrentielles et plusieurs évènements de charriage ont été observés. La reconstitution de leur budget sédimentaire a révélé que la majeure partie de leurs volumes a été apportée par l'érosion du chenal. Les évènements de charriage de l’automne ont contribué à la recharge sédimentaire du chenal principal par le dépôt de grands bancs de gravier. Ce processus est fondamental au déclenchement de laves torrentielles lors des printemps et été suivants. Un décalage dans le temps des séquences érosion /dépôt a été observé entre les parties supérieure et inférieure du chenal, révélant un transfert discontinu de sédiments dans le bassin versant. Un modèle conceptuel de transfert des sédiments est proposé pour les différentes magnitudes d’écoulement.Dans le Réal, le volume de sédiment transporté est similaire à celui du Manival avec une augmentation importante du volume dans le chenal. La plus importante lave torrentielle observée a révélé une diminution en aval des hauteurs d'écoulement maximales, des contraintes de cisaillement, de la vitesse et de la résistance à l'écoulement. Cela suggère que le front de la lave torrentielle érode et déstabilise le chenal, mais qu’il ne peut pas transporter les matériaux en raison de sa concentration élevée en sédiments. La vague hyperconcentrée qui suit se charge des matériaux restants, croît en volume et fusionne avec la lave torrentielle en décélération. Le front et les vagues suivantes jouent un rôle essentiel pour l'érosion lors d'un événement de lave torrentielle.Les laves torrentielles ont créé une érosion significative à la variabilité spatiale importante alors que les déformations du lit induites par le charriage sont en équilibre. L’érosion du chenal par les laves torrentielles est contrôlée étroitement par la pente en amont et les conditions de stockage des sédiments et peut être prédite par une relation logarithmique. Les matériaux les plus sensibles à l'érosion dans le Manival sont les bancs de gravier non consolidés formés par le charriage. Ils constituent une surface lisse au sein du chenal rugueux qui peut être automatiquement cartographiée à partir de données de laser scan terrestre ou aérien. Ceci fournit une évaluation des zones sensibles à l'érosion dans un chenal au moment du relevé au scan laser.Cette étude a permis d’alimenter le domaine des laves torrentielles en observations quantitatives sur le terrain. Des bases de données détaillées ont été obtenues par l'intégration de multiples relevés des différentes sections transversales, des nombreux balayages laser et des données des stations de mesure à haute fréquence. Les mesures de transfert de sédiments, des interactions/contrôles dans le chenal, de la dynamique des laves torrentielles. La caractérisation des stockages dans ces bassins différents fournit une base solide pour le développement de modèles conceptuels et statistiques. Ces observations ont également mis en évidence les paramètres importants à mesurer sur le terrain qui ont une influence sur les laves torrentielles. / Steep mountain catchments typically experience large sediment pulses from hillslopes which are stored in headwater channels and remobilized by debris-flows or bedload transport. The purpose of this research was to investigate the coarse sediment transport through steep catchments and how channel storage can influence debris-flows. This required intensive field-based geomorphic monitoring of flow events in the Manival and Réal torrent catchments which can experience debris-flows and bedload transport every year.In the Manival Torrent, the sediment transfers were characterized at a seasonal time scale by a complete sediment budget of the catchment derived from multi-date topographic measurements between important flow events (cross-section surveying and terrestrial laser scanning). Sediment budget reconstitution of two debris-flows revealed that most of their volumes were supplied by channel scouring (more than 92%). Bedload transport during autumn contributed to the sediment recharge of high-order channels by the deposition of large gravel wedges. This process is recognized as being fundamental for debris-flow occurrence during the subsequent spring and summer. A time shift of scour-and-fill sequences was observed between low- and high-order channels, revealing the discontinuous sediment transfer in the catchment during common flow events. A conceptual model of sediment routing for different event magnitudes is proposed.In the Réal Torrent, post-event surveying and high-frequency monitoring stations were used to compare and compile measurements of flow events. Three debris-flow events and three periods of bedload transport with small headwater debris-flows were observed. Sediment transport volumes for debris-flows were very similar to the Manival with important volume growth in the channel. The largest observed debris-flow revealed a downstream decrease of maximum flow heights, shear stress, velocity, and flow resistance. We hypothesize that the debris-flow front scours and destabilizes the channel, but it cannot transport the material because of its high sediment concentration. Therefore, the trailing hyperconcentrated surge picks up the remaining material, grows in volume, and coalesces with the decelerating debris-flow. Both the front and following surges play an integral role for net erosion during a debris-flow event.Multi-date cross-sections in the Manival and Réal have shown that debris-flows have significant scouring with large spatial variability. Bedload transport was observed to be at equilibrium with little variability. Field observations of channel deformations show that debris-flow scouring is strongly controlled by upstream slope and storage conditions. A logarithmic relationship is proposed as an empirical fit for the prediction of channel erosion. The most susceptible materials for erosion in the Manival are the unconsolidated gravel wedges developed from bedload transport. This material has a smooth surface within the rugged channel which can be automatically mapped with a 20 cm digital elevation model from either terrestrial or airborne laser scans by calculating roughness with a one meter window. This provides an automatic assessment of erodible areas in a channel at the time of the laser scan survey.This study has contributed to the need of quantitative field observations in the realm of debris-flow research. Complete and thorough databases were obtained by integrating multi-date cross-section surveys, multi-date laser scans, and high-frequency monitoring stations. Quantified evidence revealing sediment transfers, channel interactions/controls, debris-flow dynamics, and storage characterizations in two different catchments provides a strong basis in the development of conceptual and statistical models. These observations also highlighted the significant field parameters that have an influence on debris-flows and steep catchment systems.

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.

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.

L’objectif de cette thèse est de développer un modèle numérique 3D afin d’étudier le phénomène de laves torrentielles ; écoulements visqueux fortement chargés en matière solide, surgissant en montagne lors d’orages violents. Aujourd’hui, la prévision des zones de vulnérabilité s’appuie sur des outils de calcul 0D, 1D ou 2D. Or ces outils ne peuvent représenter pleinement le comportement à surface libre des écoulements du fait de nombreuses approximations et hypothèses. Ainsi cette thèse met en œuvre un code numérique 3D pour étudier ces écoulements. Ce travail aboutit à la construction d’un modèle 3D à partir de données réelles de terrain. Plusieurs scénarios ont été étudiés et comparés à des résultats issus d’un modèle 2D. Les résultats mettent en évidence les apports non négligeables de la modélisation 3D : zones d’étalement et de dépôt, phénomènes d’encombrement, modélisation fine des écoulements dans les zones chenalisées. Préalablement, le modèle 3D a été validé en comparant les résultats numériques à des données expérimentales issues de la littérature, pour des typologies d’écoulement représentatives de celles observées sur des sites grandeur nature. / The objective of this thesis is to develop a 3D numerical model to assess debris flow. These viscous flows, heavily loaded with solid matter, form when heavy rain occurs in mountains. Today, forecasts of potentially impacted areas are based on 0D, 1D and 2D numerical tools. However, these tools cannot fully represent the free surface behaviour of debris flows due to the approximations and assumptions on which they are based. Thus, this work utilises a 3D numerical code to study this phenomenon. A specific model is built with real field data. Several flow scenarios are studied and compared with a 2D numerical model. The results highlight the significant benefits of a 3D approach by providing information on the fine representation of flow dynamics over the catchment area. The model also predicts the impact of debris flow (overflowing on a road bridge) and the zones of deposition and spreading. It highlights possible congestion phenomena and reproduces flows in the channels by fully accounting for parietal friction, capabilities not provided by 2D models. Prior to this application, the 3D model was evaluated with five sets of experimental data to validate its ability to represent viscoplastic flows. Different types of flows are studied and are representative of those observed on real sites when debris flow occur.

Les ‘glissements de type écoulement' (flow-like landslides) constituent un risque naturel majeur dans la plupart des zones de montagne. Ce terme générique regroupe un ensemble de phénomènes variés (glissement-coulée, coulée de débris, lave torrentielle) qui peuvent s'enchaîner dans le temps ; leur trait commun caractéristique est le transport en masse d'un mélange très concentré d'eau et de particules solides. L'énergie considérable mise en jeu rend souvent peu efficace les solutions techniques de stabilisation ou de protection. Il est donc indispensable de mettre en place dans les zones exposées des stratégies de prévention-surveillance. Diverses études dans le domaine de la modélisation ont permis de progresser dans cette voie, sans toutefois conduire à des résultats véritablement satisfaisants. Des approches par la mécanique des sols ou la mécanique des fluides permettent d'obtenir des représentations généralement convenables des écoulements au laboratoire, mais la généralisation de ces modèles à l'échelle du terrain, sur des évènements réels, est souvent délicate. Des travaux scientifiques ont été engagés sur la base d'une meilleure connaissance du fonctionnement hydro-mécanique de ces objets. Pour cela, nous avons développé une approche fondée sur des mesures in-situ, le traitement statistique de séries temporelles, des essais de caractérisation hydrodynamique, géomécanique et rhéologique, et une modélisation numérique. Le site expérimental du glissement-coulée de Super-Sauze (Alpes du Sud), représentatif des aléas gravitaires à composante visqueuse (roches marneuses et schisteuses), est notre observatoire d'étude. Un modèle conceptuel hydro-mécanique de comportement des glissements-coulées est proposé. Des lois de comportement des matériaux sont définies pour différents gradients de cisaillement. Le modèle conceptuel est introduit dans plusieurs codes de calculs pour représenter les différents stades du mouvement (glissement lent, écoulement rapide, étalement). La complexité de ces phénomènes ne permet pas d'utiliser un seul code couplé. Les fluctuations de pressions interstitielles sont modélisées à l'aide du modèle hydrologique spatialisé à base physique STARWARS. Le modèle hydrologique est calé (teneurs en eau, pressions interstitielles) sur différents pas de temps et sites de mesures. Les données simulées sont utilisées en conditions initiales de plusieurs modèles géomécaniques (GefDyn). Les simulations indiquent qu'une loi de comportement élastoplastique avec effet visqueux doit être introduite pour représenter les vitesses de déplacement. Les modèles sont calés à l'échelle d'une année. Dans certaines conditions topographiques et géométriques, la génération de surpressions interstitielles conduit à de forts déplacements et à la liquéfaction du matériau. La propagation et l'étalement des écoulements rapides libérés sont représentés avec les modèles rhéologiques Bing et Cemagref-1D / 2-D. Les distances de parcours et hauteurs d'écoulement sont bien représentés avec une loi de comportement viscoplastique (Herschel-Bulkley). Des prédictions et des scénarios d'évènements sont proposés. Utilisés en chaîne, ces différents modèles permettent de représenter les stades successifs d'évolution des glissements-coulées. Ils fournissent ‘individuellement' de bonnes simulations et sont calés sur des observations réelles. Ce calage croisé permet de justifier leur performance, la validité de leur formalisation numérique et de dégager leurs avantages et inconvénients pour l'expert en charge de la gestion de l'aléa.

En ingénierie des risques torrentiels, les praticiens sont actuellement confrontés à un problème de gestion lié à la méconnaissance des volumes sédimentaires mobilisés par les crues. Généralement, les études cherchant à estimer ces volumes sédimentaires portent soit sur la production détritique des versants, soit sur la fourniture sédimentaire uniquement en sortie de bassin versant, mais rarement sur l'évaluation des stockages-déstockages le long du talweg ; elles ne fournissent donc pas de méthode (pluriel discutable) d'estimation des volumes sédimentaires satisfaisante. C'est pour répondre à ce questionnement des gestionnaires qu'est née cette recherche appliquée en géomorphologie torrentielle, basée sur la compréhension des processus de recharge et de transit sédimentaires au sein du chenal.<br />L'approche «globale» présentée ici peut être un complément aux travaux plus fréquents concernant la rhéologie et le comportement mécanique des matériaux, étudiés à une échelle plus fine, ainsi qu'aux études détaillées de certains processus géomorphologiques. Pour mener à bien ce travail, de nombreux outils ont été utilisés : photogrammétrie, observations de terrain et mesures topographiques, cartographie sur SIG et Modélisation Numérique de Terrain, géophysique, relevés pluviographiques et traitements statistiques, recueil d'archives. L'étude approfondie du bassin versant du Manival (Isère, Alpes-du-Nord) a permis de mieux comprendre le fonctionnement des processus sédimentaires et de mettre au point une méthode d'estimation des volumes en jeu. Cette méthode, qui permet de prédire le volume maximal d'une lave torrentielle majeure à venir (PREVENT), est basée sur une approche systémique et sur un concept du fonctionnement torrentiel privilégiant la dynamique sédimentaire du système.<br />La méthode de PREVENT a été par la suite appliquée à deux autres bassins versants isérois du même type, le Merdarêt et les Arches. L'étude diachronique des volumes sédimentaires de ces torrents montre que les résultats de la méthode proposée ont une cohérence satisfaisante. Cette thèse contribue à améliorer la connaissance scientifique des processus torrentiels, et par là même, apporte des outils théoriques et méthodologiques dans le domaine de l'ingénierie des risques naturels.