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Risque d'affouillement

Introduction

L'affouillement est l'arrachement et le transport des sédiments du lit d'un cours d'eau sous l'action érosive d'un écoulement hydraulique. Ce phénomène est accentué par la présence d'obstacles à l’écoulement, tels que les piles et culées de pont, ou, également, les éoliennes offshores, dans un contexte maritime. La présence de fosses au droit des ouvrages engendre une perte de la capacité portante de ces structures et peut menacer leur stabilité.

L'affouillement est considéré comme la cause principale de défaillances structurelles dans de nombreux pays. Aux Etats-Unis par exemple, on estime que plus de 50% des cas de défaillance sont engendrés par les phénomènes hydrauliques, dont l'affouillement. En France, l'effondrement du pont Wilson à Tours en 1978, et plus récemment en 2007, l'effondrement du pont de la rivière Saint-Etienne sur l'Île de la Réunion, sont deux exemples nationaux des conséquences désastreuses de ce phénomène.

Face à ce risque hydraulique, il est crucial de suivre en continu l'évolution de la profondeur d'affouillement au droit des piles et culées des ouvrages d'art. Plusieurs instrumentations ont été développées et testées sur site durant les vingt dernières années. Toutefois, le déploiement de ces outils sur site fait face à divers problèmes notamment, la sensibilité aux interférences, la vulnérabilité aux débris, la faible résolution, le coût, les difficultés d’installation et de maintenance, les post-traitements fastidieux, …

Le besoin de nouvelles techniques non destructives de suivi d’ouvrages a conduit certains auteurs à examiner la faisabilité de la surveillance de l’affouillement au droit des ponts par diverses techniques de suivi dynamique. 

Projet ANR SSHEAR

Le projet ANR SSHEAR (2014–2018) a porté sur l’amélioration des connaissances sur les mécanismes d’affouillement et le développement d’outils novateurs d’observation et de modélisation aux échelles tant de maquettes expérimentales que d’ouvrages de taille réelle en vue de proposer des méthodes de diagnostic, d'alerte et de gestion.

Deux ouvrages d’art ont été instrumentés, un ouvrage en béton précontraint sur la Loire et un ouvrage ferroviaire en maçonnerie. Deux vidéos sont visibles sur le site SSHEAR et montrent ces instrumentations.

 

Thèse « Vulnérabilité des ouvrages d’art au risque d’affouillement des fondations » de Nisrine Boujia

Cette thèse4 (2015- 2018) a été une contribution à l'utilisation de l'analyse vibratoire pour le suivi de l'affouillement, et à la compréhension des phénomènes d'interaction sol-structure mis en jeu. La démarche scientifique retenue intègre deux approches distinctes du suivi d'affouillement: indirecte et directe.

L'approche indirecte a pour objectif le développement d'un capteur de profondeur d'affouillement (scour depth sensor SDS). Des études expérimentale et numérique ont été menées afin d'évaluer l'influence de l'affouillement, d'une part sur la réponse dynamique du capteur (fréquences, déformées modales et amortissement), d'autre part sur sa réponse statique sous chargement latéral. Sur la base des résultats obtenus, un modèle théorique de poutre équivalente a été proposé afin de lier la variation de la fréquence du capteur à la profondeur d'affouillement2, 3, 5.

L'approche directe s'intéresse à l'effet de l'affouillement sur la réponse dynamique de la structure elle-même. Des campagnes d'essais ont été menées sur des modèles réduits en canal hydraulique. Un intérêt particulier a été porté aux effets de la géométrie de la pile et de l'interaction pile-tablier. Un modèle analytique a été proposé pour prédire l'évolution de la fréquence des piles avec l'affouillement. Afin de valider ce modèle, ses résultats ont été comparés aux résultats des essais expérimentaux1.

 

Thèse « Modélisation, analyse et apprentissage statistique du comportement dynamique des structures pour le suivi des conditions aux limites » de Mohamed Belmokhtar

Cette thèse4 (2019- 2022) a été une contribution à l'utilisation de l'analyse vibratoire pour le suivi de l'affouillement, et à la compréhension des phénomènes d'interaction sol-structure mis en jeu. La démarche scientifique retenue intègre deux approches distinctes du suivi d'affouillement: indirecte et directe.

L'approche indirecte a pour objectif le développement d'un capteur de profondeur d'affouillement (scour depth sensor SDS). Des études expérimentale et numérique ont été menées afin d'évaluer l'influence de l'affouillement, d'une part sur la réponse dynamique du capteur (fréquences, déformées modales et amortissement), d'autre part sur sa réponse statique sous chargement latéral. Sur la base des résultats obtenus, un modèle théorique de poutre équivalente a été proposé afin de lier la variation de la fréquence du capteur à la profondeur d'affouillement2, 3, 5.

Références

  1. BOUJIA, Nissrine, SCHMIDT, Franziska, CHEVALIER, Christophe, SIEGERT, Dominique, PHAM VAN BANG, Damien, 2020, Using rocking frequencies of bridge piers for scour monitoring, Structural Engineering International, TAYLOR AND FRANCIS, 20 p., DOI: 10.1080/10168664.2020.1768811, https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02918475/document
     
  2. BOUJIA, Nissrine, SCHMIDT, Franziska, CHEVALIER, Christophe, SIEGERT, Dominique, PHAM VAN BANG, Damien, 2019, Effect of Scour on the Natural Frequency Responses of Bridge Piers: Development of a Scour Depth Sensor, Infrastructures, 4, 21, Multidisciplinary Digital Publishing Institute - MDPI, DOI: 10.3390/infrastructures4020021, https://www.mdpi.com/2412-3811/4/2/21
     
  3. BOUJIA, Nissrine, SCHMIDT, Franziska, CHEVALIER, Christophe, SIEGERT, Dominique, PHAM VAN BAN, Damien, 2020, Distributed Optical Fiber-Based Approach for Soil-Structure Interaction, Sensors, 20, 1, Multidisciplinary Digital Publishing Institute - MDPI, DOI: 10.3390/s20010321, https://www.mdpi.com/1424-8220/20/1/321
     
  4. BOUJIA, Nissrine, 2018, Vulnérabilité des ouvrages d'art au risque d'affouillement des fondations, Thèse de doctorat, Université Paris Est, Université de Paris V, Paris Est, René Descartes, 192 p., https://hal.archives-ouvertes.fr/tel-01949884v1/document
     
  5. BOUJIA, Nissrine, SCHMIDT, Franziska, CHEVALIER, Christophe, SIEGERT, Dominique, PHAM VAN BANG, Damien, 2018, Bridge scour monitoring technique using the vibratory response of rods embedded in the riverbed, Proceedings of 7th Transport Research Arena : TRA 2018, VIENNE, AUTRICHE, 2018-04-16, 10 p., https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01878489