Degradation of marly sediments and hyperconcentrated flows
Dégradation des sédiments marneux et suspensions hyperconcentrées
Résumé
On the Terres Noires marly catchments, downstream fining patterns and high concentrations of suspended sediments (up to 800 g/L) are observed. The present work is organised in two parts. The first part investigates the processes that are involved in the production of fine sediments. Such processes occur at two different time scales: At a monthly scale, between the floods, bed sediments are exposed to weathering due to frost/thaw and wetting/drying alternations. The rate of such long-term processes is estimated using climatic data and experiments on marly pebbles. At the smaller time scale of a flood (a few minutes), bedload sediments are subject to abrasion and fragmentation due to mechanical loading. The rate of this short-term process is quantified by performing experiments in an annular flume device. Eventually, we show that both short and long-term processes are necessary to explain the field observed degradation rates. To study more in detail the mechanical degradation at the pebble scale, numerical simulations of friction and impact loading are performed with the Discrete Element Methods, as well as fragmentation experiments on marl. The resulting rupture properties of marl are therefore incorporated into a new model that describes the evolution of the grain-size distribution of sediments. The model shows that fragmentation and abrasion are both involved and that the efficiency of fragmentation decreases. The second part of the work is focused on the behaviour of a suspension of fine marly sediments, and on the influence of the concentration on such flow. This study is based on rheometer measurements and flume experiments at various slopes, discharges, flume roughnesses and concentrations. These experiments demonstrate that the fluid behaviour becomes non-newtonian at high concentrations (above 600 g/L). This creates an unsheared plug zone that slows the flow down. The flow may therefore become laminar with a high friction coefficient. With such a change in the fluid behaviour, the method used in the field for discharge estimation will not work anymore for highly concentrated floods.
Sur les bassins versants des Terres Noires, les sédiments marneux sont dégradés très rapidement. Les matériaux fins ainsi produits peuvent être à l'origine d'épisodes de crues très concentrées (800~g/L). La première partie de cette thèse traite des processus responsables de la production de sédiments fins. Ces processus adviennent à deux échelles de temps : A long-terme, entre les périodes de crues, les matériaux du lit exposés aux intempéries sont altérés sous l'effet de cycles gel/dégel et humectation/dessication. Pour quantifier cette vitesse d'altération, les données climatiques de Draix sont combinées à des expériences sur la sensibilité des marnes aux alternances de température et d'humidité. A court-terme, pendant les crues, les matériaux charriés sont soumis à l'abrasion et à la fragmentation sous l'effet de sollicitations mécaniques. Des expériences en canal circulaire permettent de quantifier la dégradation pendant les crues. On montre finalement qu'il est indispensable de considérer ces deux échelles de temps pour rendre compte de la vitesse de dégradation totale observée dans les lits. Pour étudier plus en détail la dégradation mécanique pendant les crues, on investigue l'effet de la fragmentation et de l'abrasion à l'échelle d'un caillou par l'intermédiaire de simulations numériques avec la méthode des éléments discrets et d'expériences de fragmentation. Les propriétés de rupture de la marne ainsi obtenues sont ensuite intégrées dans une modélisation de l'évolution d'une distribution granulométrique sous l'effet de la fragmentation et de l'abrasion. Les résultats indiquent que la fragmentation et l'abrasion sont également importantes mais que l'efficacité de la fragmentation décroît au cours de la sollicitation. Dans une seconde partie, on étudie le comportement d'une suspension de sédiments fins de marnes, et l'influence de la concentration sur son écoulement. Cette étude est basée sur des mesures de rhéométrie et sur des expériences d'écoulement en laboratoire pour différentes configurations de pente, débit, rugosité, concentration. Les expériences mettent en évidence une transition vers un comportement non-newtonien à forte concentration (au-delà de 600 g/L). Ceci se traduit notamment par un ralentissement de l'écoulement associé à l'apparition d'une zone de "plug" non-cisaillée L'écoulement devient alors laminaire et le frottement augmente fortement. Ce changement de comportement sur le terrain peut être une source d'erreurs non négligeable dans l'estimation des débits lors des crues chargées.
Origine : Version validée par le jury (STAR)