(trad auto)Degradation of marl sediments and hyperconcentrated suspensions
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 organized 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 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 behavior of a suspension of fine marly sediments and on the influence of the concentration of such flow. The study is based on rheometer measurements and flume experiments at various slopes, discharges, flume roughnesses and concentrations. These experiments demonstrate that the fluid behavior 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 behavior, the method used in the field for discharge estimation will not work anymore for highly concentrated floods.
(trad auto)Sur les bassins versants marneux des Terres Noires, on observe des collages en aval et de fortes concentrations de sédiments en suspension (jusqu'à 800 g/L). Le présent travail est organisé en deux parties. La première partie étudie les processus impliqués dans la production de sédiments fins. De tels processus se produisent à deux échelles de temps différentes : Tous les mois, entre les inondations, les sédiments du lit sont exposés aux intempéries causées par le gel/dégel et par les alternances de mouillage/séchage. Le rythme de ces processus à long terme est estimé à l'aide de données climatiques et d'expériences sur des galets marneux. À l'échelle temporelle plus petite d'une inondation (quelques minutes), les sédiments sont soumis à l'abrasion et à la fragmentation dues à la charge mécanique. La vitesse de ce processus à court terme est quantifiée en effectuant des expériences dans un dispositif à canal annulaire. Finalement, nous montrons que des processus à court et à long terme sont nécessaires pour expliquer les taux de dégradation observés sur le terrain. Pour étudier plus en détail la dégradation mécanique à l'échelle du caillou, des simulations numériques de frottement et de charge d'impact sont réalisées avec les méthodes des éléments discrets, ainsi que des expériences de fragmentation sur marne. Les propriétés de rupture de la marne qui en résultent sont donc incorporées dans un nouveau modèle qui décrit l'évolution de la distribution granulométrique des sédiments. Le modèle montre que la fragmentation et l'abrasion sont toutes deux impliquées et que l'efficacité de la fragmentation diminue. La deuxième partie du travail est centrée sur le comportement d'une suspension de sédiments marneux fins et sur l'influence de la concentration d'un tel écoulement. L'étude est basée sur des mesures de rhéomètres et des expériences de canalisations à différentes pentes, débits, rugosités et concentrations. Ces expériences démontrent que le comportement du fluide devient non newtonien à des concentrations élevées (supérieures à 600 g/l). Cela crée une zone de bouchon non cisaillée qui ralentit le débit. Le flux peut donc devenir laminaire avec un coefficient de frottement élevé. Avec un tel changement dans le comportement des fluides, la méthode utilisée sur le terrain pour l'estimation du débit ne fonctionnera plus pour les crues très concentrées.