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Caisson Jarlan

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Site internet du RFRC : Réseau Français de Recherche Côtière

Sommaire

Introduction

Les digues verticales sont couramment utilisées pour la protection des ports contre les vagues. Or ce type d'ouvrage a l'inconvénient de réfléchir la houle, ce qui entre autre accroît les difficultés de navigation au voisinage de ceux-ci. Depuis quelques années, des solutions sont apparues avec la réalisation d'ouvrages peu réfléchissants (types ARC, JARLAN..). Mais leur fonctionnement hydraulique est encore mal connu, ce qui pénalise les possibilités d'optimisation.

L'origine de cette méconnaissance du fonctionnement hydraulique réside dans deux raisons principales : (cf Les digues de protection côtière).

  • Impossibilité pour les études sur modèles réduits, de respecter simultanément les conditions de similitude de Nombre de Froude (pour la houle) et Nombre de Reynolds (pour la turbulence).
  • Absence d'une instrumentation non intrusive pour l'analyse du champ des vitesses et du champ turbulent au voisinage de la structure.

La décision en 1986 de réaliser la nouvelle digue de Dieppe à l'aide de caissons "JARLAN" fut l'opportunité de la mise en place d'un programme de recherche plus ambitieux et spécifique à l'étude de ce type d'ouvrage. Ce programme initié et proposé par le Professeur Bélorgey dès 1988 reprenait l'idée selon laquelle tout ouvrage de génie civil étant un prototype, la communauté scientifique devait prendre conscience de la nécessité de penser à les instrumenter au moment de leur conception, de façon à accéder à des mesures en vraie grandeur indispensables aux ingénieurs concepteurs.

Le programme associé à la digue de Dieppe était basé sur les principes suivants :

  • Associer pour un même ouvrage des études en laboratoire et des études in situ sur prototype de manière à pallier et quantifier les erreurs dues au non respect des règles de similitude, et contrôler la validation de la transposition des résultats du modèle réduit au cas réel.
  • Aborder l'étude à l'aide de l'analyse des efforts instantanés réels sur chacune des parois en fonction de la phase de la houle.
  • Exploiter les nouvelles techniques non intrusives de mesure des vitesses au sein d'un fluide (vélocimétrie laser) pour analyser le champ des vitesses et le champ turbulence|turbulent générés par la houle au voisinage des structures (Bélorgey 1983 et 1986 …) et ainsi pouvoir aborder l'étude du fonctionnement hydraulique des caissons "JARLAN".

Ce programme initial, financé par le M.R.T. fut prolongé dans le cadre du Programme Européen de Recherche "PROVERBS" de MAST III (Probabilistic Design Tools for Vertical Breakwaters). Dans les deux cas, les travaux ont porté sur des études in situ et en laboratoire.

Instrumentation de la digue de Dieppe

La nouvelle digue de Dieppe (225 m de long) qui prolonge l'ancienne digue ouest est orientée sud-nord. Elle est constituée de 9 doubles caissons JARLAN en béton armé (8 caissons et le musoir) pour protéger des houles de S.W et N.E.

Fig 1 - Coupe de la digue de Dieppe
Fig 2 - Situation de la digue
Fig A - Schéma d'un caisson

Les caissons rectangulaires ont une longueur de 25 m et 17 m de haut. Ils sont composés de 2 chambres de dissipation séparées par un mur (voir figure A). Les murs perforés (porosité de 28%) ont les trous circulaires de 0,90 m de diamètre (avec une épaisseur du mur de 0,90 m). Ces murs sont renforcés par des murs transversaux internes ouverts (trous rectangulaires de 2 x 2,5 m). La largeur de la chambre coté mer est de 13.5 m, avec un plafond ouvert. La chambre côté de port est plus petite (10m de large).

L’amplitude de la marée à Dieppe est de 10,80 m, c'est-à-dire que devant l’ouvrage la hauteur d’eau varie de 6 à 17 m. Et les paramètres des houles pris en compte pour la conception de l’ouvrage étaient les suivants : Tp=12s et Hs=8.20m

Seul le caisson n°6 a été instrumenté (voir figure 3).

Fig 3 - Position du caisson instrumenté

L'installation des capteurs a débuté en août 1991 par la pose des capteurs sous le radier lors de la construction des caissons dans la forme de radoub n°7 du port du Havre. A cette date, 7 capteurs de pression de 28 mm de diamètre ont été mis en place dans des cavités réalisées par carottage dans la base en béton. Les capteurs ont été placés dans des tubes en PVC, pour les protéger lors de la mise en place définitive du caisson, munis d'un système de purge permettant l'évacuation des bulles d'air lors de la mise en flottaison du caisson (voir figure 4).

Fig 4 - Capteurs sous le radier

La deuxième phase du projet s'est déroulée durant l'année 1996. Elle a consisté en la pose de 8 capteurs identiques aux précédents (voir figure 5), sur les parois de la chambre S.W. (houles les plus fortes) du caisson n°6. 7 capteurs de part et d'autre de la paroi perforée (aux cotes z= +1.40, +3.60, +5.60m) et un sur la paroi pleine (z= +5.60m). Les capteurs 6 et 7 sont placés au même niveau que les capteurs 1, 2 et 5 et de part et d'autre du capteur 2 à l'extérieur de la paroi perforée. Les capteurs sont reliés par des câbles de 50m à un système d'acquisition situé dans le bâtiment de la balise du musoir (voir figure 3)

Fig 5 - Position des capteurs sur les parois

En mars 1998, un enregistreur de houle Inter Océan S4DW a été installé à 600.m au large de la digue de façon à coupler les données de houle aux mesures de pression (figure 6).

Fig 6 - Position du houlographe

Des 7 capteurs placés sous le radier en 1991, 4 ne répondaient plus lors de l'exploitation des données. Plusieurs causes peuvent être à l'origine de leur détérioration :

  • l'installation du caisson lors de sa mise en place sur le site
  • la tempête de février 1992 survenue alors que la digue n'était pas achevée et les câbles d'alimentation des capteurs non protégés (le chemin de câble n'était pas encore réalisé)
  • le vieillissement en condition sévère entre le temps de pose 1991 et le temps d'exploitation (les premières mesures ont débuté en 1994)

Analyse des mesures in situ

La figure suivante présente les évolutions temporelles des pressions sous le caisson (sondes b1, b2 et b3) en fonction de la phase de la houle, comparées à la mesure de la pression par la sonde w4 située à la base de la paroi verticale extérieure.

Fig 7 - Enregistrement des pressions sous le caisson

Ces résultats mettent en évidence :

  • Une atténuation des pressions entre les deux sondes (mur et fond) au coin du caisson.
  • Pour les trois sondes, une évolution des pressions sous le caisson dans en phase avec de la pression exercée par les vagues sur le mur vertical.
  • Des valeurs maximales de pression sous le caisson du même ordre de grandeur pour les trois sondes installées sous le radier.

Nous pouvons donc en conclure, qu’en ce qui concerne les efforts qui tendent à soulever le caisson, les variations de pression sous la semelle de celui-ci sont en phase avec les variations de pression au droit et à la base de la paroi perforée. Il est également à remarquer que nous ne notons pas une diminution linéaire des valeurs de la pression sous le caisson en fonction de la distance au mur perforé, alors que les théories habituelles prévoient une distribution «triangulaire » des pressions de soulèvements. Nous sommes ici en présence de caractéristiques des soulèvements presque constantes avec des valeurs maximales inférieures à celles attendues. Ces résultats sont conformes à ceux obtenus à Porto Torres en Sardaigne sur un caisson à fentes (Franco, 1998 ; de Gerloni, 1999).

La figure suivante présente les évolutions temporelles des pressions exercées par la houle sur les divers murs verticaux du brise-lames.

  • Nous observons un à retard temporel entre les maximums de pression sur chaque mur.
  • La résultante de la composante horizontale de la force exercée par la vague sur le caisson est la somme des composantes horizontales des forces sur chacune des parois verticales. C'est une fonction des caractéristiques aléatoires des vagues, mais également du retard de phase entre les pressions sur chacun des murs.

La mesure des pressions sur les murs verticaux ne fournit pas beaucoup de résultats originaux mais elle reste une étape essentielle dans cette étude des caissons JARLAN, car son importance réside dans la comparaison possible avec les mesures effectuées sur modèle physique, en corrélation avec l’analyse du fonctionnement hydraulique.

Fig 8 - Enregistrement des pressions sur les parois

Etudes en laboratoire

Conditions expérimentales

Le modèle physique a été réalisé au 1/25. Cette échelle a été choisie de manière à disposer d'un nombre de longueur d'onde suffisant entre le batteur et le modèle (pour un canal à houle de 24 m). Elle a été prise aussi la plus grande possible pour limiter les effets d'échelle, particulièrement importants dans le cas des structures ajourées, comme dans le cas présent. Le diamètre des trous a été choisi avec une légère distorsion de l'échelle (40mm au lieu de 36mm), de façon à augmenter le nombre de Reynolds qui passe à 4000, compte tenu d'une vitesse d'écoulement au droit des orifices d'environ 0.1m/s. Ce choix renforce la turbulence, par contre la densité des trous à été choisie de façon à respecter la porosité du prototype (28%). Les essais sont exécutés dans le canal à houle du laboratoire (L=24m ; l=0.8m ; h=1m). Le générateur de houle est constitué d'un batteur plan qui génère des houles régulières dont on peut faire varier la fréquence et l'amplitude. Une série de sondes résistives permet l'enregistrement des variations du niveau de surface libre. Par ailleurs, le canal est équipé d'une chaîne de mesure des vitesses instantanées par vélocimétrie laser à deux composantes permettant l'analyse du champ des vitesses et du champ turbulent au voisinage des orifices et au sein du caisson.

Les capteurs de pression ont été placés dans les positions semblables à celles du prototype. L'analyse a été effectuée pour différents paramètres de houle (hauteur Hi et longueur d'onde l) et en fonction du paramètre B/L (où B est la largeur du caisson). Les essais sur maquette ont été exécutés selon les conditions suivantes :

  • Houle monochromatique
  • Largeur de chambre : B = 0.54m
  • Profondeur d'eau : d = 0.50m et 0.40m

Les études ont été réalisées pour deux types de structures :

Fig.14 Caisson simple
Fig.15 Caisson avec berme et ballast
  • Le caisson simple sans ballast (Fig. 14 -le volume occupé par le ballast, qui sur le prototype, est placé dans la chambre entre le fond du caisson et le premier trou, est laissé libre-).
  • Caisson avec berme et ballast (Fig. 15).

Analyse du champ des vitesses instantanées et du champ turbulent

Etude préalable d'une plaque perforée seule

Avant d’aborder l’étude du caisson complet et pour bien comprendre les spécificités du fonctionnement hydraulique de la plaque perforée, nous avons analysé le champ des vitesses généré par la houle au voisinage des orifices dans le cas de la plaque perforée seule et avec une plage d’amortissement à l’extrémité du canal à houle.

Fig.16 Champ des vitesses au voisinage des orifices: paroi simple


Les mesures des coefficients de réflexion (Cr) et de transmission (Ct) en fonction de la cambrure de la vague (Hi/L) font apparaître 3 modes de fonctionnement :

  • Hi/L < 2%, le filtre est pratiquement perméable.
  • 2% < Hi/L < 7% le filtre est commandé par les effets de la pesanteur dus à la différence dans le niveau d'eau des deux côtés du mur.
  • 7% < Hi/L, le filtre est saturé et les coefficients de réflexion et de transmission restent constant.

L'analyse du champ de vitesse (Fig 16) et du champ turbulent a été effectuée des deux côtés de la plaque perforée, en fonction de la phase de la houle et pour différentes conditions de celle-ci.

Les résultats obtenus ont été les suivants :

  • Une distribution plutôt uniforme des vitesses en aval des ouvertures.
  • Une vitesse plutôt identique pour chaque trou.
  • Une énergie turbulente plutôt identique pour chaque ouverture.
  • En outre, on constate qu'à une distance de quelques diamètres des trous la vague se reforme sans perturbation.

Ces résultats, bien qu'indépendants, ont apporté une aide à la compréhension des phénomènes physiques associés au caisson complet. Et par ailleurs ils nous ont permis de spécifier certaines conditions limites en ce qui concerne la formulation des efforts sur le caisson complet.

Etude du caisson complet

Fig.17 Champ des vitesses au voisinage des orifices: Caisson complet

L'analyse du champ instantané de vitesse montre :

  • Une distribution de vitesse à proximité des trous très différents de celui correspondant à la plaque perforée seule. (Fig 17)
  • Le champ des vitesses est très différent selon la position des orifices
  • Les vitesses à la sortie des orifices ne sont plus uniformes dans la section. Pour certains cas, seule une partie de l’orifice participe à l'écoulement. Ces résultats remettent en question les modèles de calcul des pertes de pression classiquement utilisées pour ce type de problème où les orifices sont associés à des gicleurs simples.
Par ailleurs, le champ moyen des vitesses pour une période entière de la houle montre une circulation générale (fig 18), qui dépend du rapport B/L, et du volume occupé par le ballast.
Circulation moyenne au sein du caisson
L'analyse du coefficient de réflexion (Cr) en fonction de B/L montre, (fig 19) :
Fig.19 Evolution de Cr en fonction de B/L
  • Une évolution parabolique de Cr en fonction de B/L, présentant un minimum d’environ 0,2 pour une valeur de B/L approximativement égale à 0,18. Ces résultats sont semblables à ceux d'autres travaux (Enel en Italie et Wallingford au Royaume-Unis). Cette valeur de B/L pour lequel le Cr est minimum correspond à celle pour laquelle l’augmentation du niveau moyen dans la chambre est maximum.
  • L'influence du volume occupé par le ballast, qui réduit l'efficacité de la circulation générale du volume d’eau dans la chambre.

Ces résultats nous permettent de conclure que dans un caisson JARLAN, une partie de l'énergie de la houle est accumulée, en partie, sous forme d'énergie potentielle (intensification du niveau moyen dans la chambre) et en partie sous forme d'énergie cinétique de par la circulation de la masse de l'eau dans la chambre.

En dehors de la zone d’efficacité de la structure (B/L = 0,18) ces énergies sont redonnées à la vague réfléchie.

De tels résultats permettent de penser qu’une amélioration de ce type d’ouvrage est possible en modifiant la nature de l'écoulement dans la chambre :

Fig.20 Solutions d'optimisation
  • Par des caissons multi-chambres (Bergmann et Oumeraci 2000).
  • Par diverses solutions constructives dans une chambre simple.

La figure 20 donne les résultats obtenus dans le cas de différentes solutions constructives permettant l'optimisation d’un caisson mono-chambre (le Cr peut être diminué de façon significative)

Analyse des efforts en fonction de la phase de la houle

Etudes et mesures

Que ce soit sur le prototype de Dieppe ou sur le modèle réduit en le canal à houle, nous avons déterminé les efforts instantanés sur chaque mur par intégration des champs de pression instantanés et ceci en fonction de la phase de la houle. En premier lieu nous avons vérifié si les mesures sur modèle réduit étaient transposables au prototype. Pour cela nous avons comparé les évolutions des pressions (adimensionnalisées) sur les capteurs w5 (prototype) et PO3 (modèle réduit) en fonction de la hauteur de la houle (Hs). Nos résultats montrent une bonne concordance, ce qui nous permet de valider les résultats obtenus en canal à houle.


Nous avons ainsi analysé séparément les efforts instantanés sur : (Fig. 21)

Fig.21 Analyse séparée des efforts
  • La partie externe de la paroi perforée (Fext)
  • La partie interne de la paroi perforée (Fint)
  • Le mur arrière opaque (Fr)

Une telle analyse permet de déduire la force totale instantanée exercée sur la structure par la houle en fonction de la phase de celle-ci.

Fig.22 Evolution des efforts sur chaque paroi en fonction de la phase de la houle

Les efforts ont été calculés par les formulations de Goda-Takahashi (avec des facteurs de modification dans le calcul des forces sur chaque mur). La figure 22 donne un exemple de l'évolution des efforts instantanés sur chaque mur du caisson selon la phase de la houle (valeurs normées par $ {F }_{ 0} = { \varpi }_{0 } . { { H}_{ i} }^{2 } $ pour une surface unité). On y remarque :

  • Le retard de phase entre les efforts sur chaque mur et celui de la résultante comparée à la phase de la vague au niveau du mur perforé.
  • Une poussée sur le mur perforé, qui peut devenir négative selon la phase de la houle.
  • Par ailleurs, ces efforts instantanés dépendent du rapport B/L

De ces résultats, nous déduisons, en fonction de la phase de la houle et du rapport B/L :

  • La force totale sur la paroi perforée, égal à la somme de forces sur les parties externe et interne.
  • La force sur le mur arrière opaque
  • La résultante générale de la force sur le caisson, égale à la somme de forces sur chaque mur (paroi perforée et mur arrière opaque).

Formulation nouvelle pour le calcul des efforts

Dans la formulation de Goda-Takahashi, la force totale en fonction des caractéristiques de la houle (L et Hi) est la somme des forces maximales sur chacune des parois (paroi perforée et mur arrière opaque). Or ces forces maximales ne sont pas en phase. Il convient d’introduire un facteur de correction χ lié au retard de phase entre l’apparition du sommet de la vague au niveau de la paroi perforée et son apparition au niveau de la paroi arrière du caisson (Bélorgey et all, 2003). Ce facteur de correction est une fonction de B/L. Il est déduit par comparaison entre les efforts calculés par les formulations Goda-Takahashi et les efforts mesurés. La résultante des forces s’exprime alors sous la forme : $ {F }_{ tot}= \chi \left ( { F}_{ p} + { F}_{r } \right ) $

L’évolution de χ en fonction de B/L est donnée sur la figure 23
Fig.23 Evolution du Coefficient χ

Sa formulation analytique s’écrit sous la forme : $ \chi =a. { \left ( \frac{B }{L } \right ) }^{ 2}. {e }^{- \frac{ \left ( \frac{ B}{ L} \right ) }{b } } $

Elle prend en compte les considérations suivantes :

  • Pour B/L = 0 : X = 1, (la structure doit se comporter comme un mur opaque)
  • Pour B/L tendant vers l’infini, χ = 1, (car la paroi perforée devient indépendante et, comme nous avons vu, la vague est reformée à l’aval d’un mur perforé isolé).

Pour notre étude nous avons trouvé les valeurs suivantes pour a et b : (a = 15.24 ; b = 0.1)

Remarque : Pour B/L voisin de 0,2, le coefficient χ présente un minimum. Or c’est pour cette valeur que l'énergie dissipée est maximum (Cr est minimum et le niveau moyen de la surface libre dans le caisson est maximum). On retrouve ici un des effets associé à la turbulence.


Conclusions générales

Nos études ont mis en évidence les résultats suivants :

  • Il est illusoire, en modélisation, de pouvoir transposer les phénomènes associés à une plaque perforée seule, au cas d'un caisson complet. C'est particulièrement évident en ce qui concerne la modélisation des écoulements au voisinage des orifices.
  • L'efficacité d'une telle structure caractérisée par le coefficient de réflexion Cr qui dépend de l'énergie accumulée dans le caisson sous forme d'énergie potentielle et d'énergie cinétique due à la circulation. Ces considérations permettent d’envisager des solutions constructives en vue de l'optimisation de la structure.
  • En particulier la géométrie de la chambre, qui conditionne la nature de l'écoulement dans celle-ci n'est pas négligeable.
  • La distribution des pressions dans le radier sous le caisson ne correspond pas aux hypothèses classiquement utilisées. Et ce résultat remet en question les conditions de stabilité de la structure.
  • En particulier la géométrie de la chambre, qui conditionne la nature de l'écoulement dans celle-ci n'est pas négligeable.
  • La distribution des pressions dans le radier sous le caisson ne correspond pas aux hypothèses classiquement utilisées. Et ce résultat remet en question les conditions de stabilité de la structure.

En outre, l'analyse comparée des mesures sur le prototype et sur le modèle nous a permis :

  • De valider les mesures sur le modèle réduit physique(ceci principalement en ce qui concerne les mesures des pressions sur les diverses parois du caisson).
  • De montrer l'importance du retard de phase dans les efforts sur chaque mur pour le calcul de la force résultante à prendre en considération.
  • De prouver que le mur perforé pouvait, dans certaines conditions et pendant certaines phases de la houle, être soumis à des efforts alternés (positifs et négatifs) et de ce fait devait être calculé en conséquence.

Par ailleurs, les études ainsi effectuées, nous ont conduit à proposer une nouvelle formulation pour l'analyse des efforts sur ce type de caisson. Analyse qu'il conviendrait de prendre en considération dans l’avenir.

L’étude des efforts exercés par la houle sur le brise-lames de type caisson JARLAN de Dieppe a représenté un travail de long terme pendant lequel la patience et la persévérance ont joué un rôle très important. Nous pouvons cependant considérer que les objectifs initiaux ont été atteints. Nous avons constitué une base de données expérimentale, qui devrait être d'une grande utilité, tant en ce qui concerne le concepteur que le chercheur.

Des informations plus détaillées et plus complètes figurent dans les travaux des chercheurs qui ont participé à cette étude. Pour l’instrumentation du prototype et les études in situ :

  • VASSELIN Eric (Doctorat 1993 – Instrumentation)
  • CADIERGUE Sophie (Doctorat 1998 – Mécanique des Fluides)
  • ARSIÉ Alexandre (Doctorat 1998 – Mécanique des Fluides)
  • ROUSSET Jean Marc (Doctorat 2000 – Mécanique des Fluides)

Pour les études en canal à houle sur modèle réduit physique :

  • ROUSSET Jean Marc (Doctorat 2000 – A montré (entre autres) l’importance de l’harmonique 2 dans le cas de houle aléatoire)
  • CARPENTIER Guillaume (Doctorat 2006 – A analysé (entre autres) l’évolution des pressions sous le radier en fonction de la porosité de celui-ci).
  • TABET-AOUL El Hafid (Doctorat 1998 – Mécanique des Fluides)
  • CAMINADE Daniel (Doctorat 1992 –Mécanique des Fluides)

Ont participé également à l’installation des capteurs sur le prototype de Dieppe :

  • Franck LELONG, AI CNRS (UMR-6143)
  • Alain PUPIN, TCE CNRS (UMR-6143)


Le créateur de cet article est Michel Belorgey
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