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Etats de mer naturels 04 - Le déferlement des vagues Jean Bougis - Ingénieur Co

Etats de mer naturels 04 - Le déferlement des vagues Jean Bougis - Ingénieur Conseil 06650 Opio Page 04 - 1 / 18 4. Le déferlement des vagues 4.1. Systèmes de courants liés au déferlement En déferlant, la houle subit une transition très rapide suivant une dynamique extrêmement complexe. Ce phénomène peut être défini comme une transformation du mouvement irrotationnel des particules d'eau en un mouvement rotationnel. Dans la zone de déferlement, une "barre" d'eau se déplace vers les profondeurs décroissantes (D.R. Basco /1985/, J.C. Ingle /1966/). La compensation de la quantité de mouvement se traduit alors par des courants de retour vers le large. Il existe deux types de courants de retour vers le large : Le premier, qui se manifeste sporadiquement dans une étroite bande perpendiculaire à la ligne de côte dans l'espace bidimensionnel horizontal, est connu sous le nom de courant sagittal ("rip-current"). Le second qui apparaît, tout au long de la côte, dans l'espace bidimensionnel vertical, est connu sous le nom de courant de compensation ("undertow-current"). Il est responsable de l'érosion des côtes et de la formation des barres sableuses parallèlement au trait de côte. Dans le cas où la houle déferle obliquement au trait de côte, elle génère un courant littoral parallèle à la côte ("longshore-current"). Ce courant présente une importance particulière dans la mesure où il transporte des sables, le long de la côte, sur des distances considérables (P.D. Komar /1983/). Le processus qui gouverne l'écoulement dans la zone de déferlement est un phénomène encore non quantifiable dans la mesure ou le problème de la mécanique des fluides correspondant n'a pas actuellement reçu de solution (D.R. Basco /1985/). Cet écoulement n'est pas assez bien connu pour permettre d'identifier convenablement ses caractéristiques. Il n'existe donc pas aujourd'hui de modèles théoriques permettant de déterminer le champ de vitesses sur toute la colonne d'eau pendant le déferlement. Un tel modèle permettrait d'avoir une détermination théorique des efforts de la houle, de ses flux d'énergie moyenne et de la dissipation d'énergie qui sont des informations indispensables pour estimer ensuite les variations des hauteurs moyennes de la surface libre ("wave set-up" et "wave set- down"). L'ambition des travaux théoriques s'est limitée jusqu'à maintenant à la prédiction la position du déferlement (W.H. Munk /1949/, C.W. Lenau /1966/, G.D. Crapper /1970/ et R.K. Price /1971/). Les autres travaux recensés sont expérimentaux. Ils portent sur les études des effets du déferlement sur la plage (G.H. Keulegan /1948/, T. Saville /1957/) ou sur les murs verticaux (A.L. Kadib /1963/, C.B. Chesnutt /1977/). Un nombre Etats de mer naturels 04 - Le déferlement des vagues Jean Bougis - Ingénieur Conseil 06650 Opio Page 04 - 2 / 18 limité d'études expérimentales a permis d'abordé le processus du déferlement en s'orientant vers les trois axes suivants : 1) identification des types de déferlement et des formes successives de la houle déferlante (D.A. Patrick et R.L. Wiegel /1954/, A.T. Ippen et G. Kulin /1955/) ; 2) détermination de la hauteur maximale de la houle déferlante et de la profondeur du point de déferlement en fonction des caractéristiques de la houle et de la plage (H.W. Iversen /1953/, A.T. Ippen et G. Kulin /1955/) ; 3) connaissance de la distance horizontale traversée par la houle pendant son déferlement (C.J. Galvin /1969/). Les systèmes de courants qui se développent le long du rivage sont présentés sur la figure 4.1. Chaque motif commence et se termine par un courant sagittal ("rip-current"). Les flèches indiquent les directions de l'écoulement dans le plan horizontal et dans le profil A-A'. Le courant de compensation (profil A-A') a été mis en évidence et quantifié par des mesures électromécaniques réalisées après le déferlement (A. Schiffman /1963/, /1965/). Ces mesures indiquent qu'un écoulement de retour de vitesse supérieure à 0.37 mètre par seconde (1.20 pied par seconde) se produit au fond, souvent en même temps qu'un écoulement de surface portant à la côte. Il faut cependant noter qu'avant le déferlement, l'écoulement dans la couche limite se fait dans le sens de propagation de la houle, et qu'alors le courant de compensation se forme au centre de la masse d'eau. Etats de mer naturels 04 - Le déferlement des vagues Jean Bougis - Ingénieur Conseil 06650 Opio Page 04 - 3 / 18 Figure 4.1 : Schéma des systèmes de courants le long du rivage ("near- shore") d'après J.C. Ingle /1966/. Etats de mer naturels 04 - Le déferlement des vagues Jean Bougis - Ingénieur Conseil 06650 Opio Page 04 - 4 / 18 4.2. Différents types de déferlement La littérature, distingue généralement quatre types de déferlement (P.D. Komar /1976/, C.J. Galvin /1968/, /1976/ et J. Larras /1979/). Figure 4.2 : Profils longitudinaux des quatre types de déferlement (échelles différentes). Les flèches indiquent le point initial du déferlement. (d'après C.J. Galvin /1968/). 4.2.1. Le déferlement glissant Le déferlement "à déversement" ou "glissant" ("spilling breaking") est caractérisé par des lames d'eau à peine dissymétriques et dont la crête s'accompagne d'une petite cascade d'eau bouillonnante qui glisse vers le rivage avec elle. Le déferlement glissant est en général peu visible et survient rapidement. La transition du mouvement irrotationnel en mouvement rotationnel sur la colonne d'eau est lente. La figure 4.3 montre un cas typique de déferlement glissant. Etats de mer naturels 04 - Le déferlement des vagues Jean Bougis - Ingénieur Conseil 06650 Opio Page 04 - 5 / 18 Figure 4.3 : Déferlement glissant. 4.2.2. Le déferlement plongeant Le déferlement "en volute", "en cataracte", "basculant" ou "plongeant" ("plunging breaking") est caractérisé par une grande volute d'eau dissymétrique très visible avec une face antérieure concave lisse presque verticale que la crête finit par surplomber avant de retomber brutalement en nappe déversante en formant un grand tourbillon. une transition soudaine et violente du mouvement irrotationnel en mouvement rotationnel s'étend sur toute la colonne d'eau. La formation du jet plongeant et puis du tourbillon nécessite une distance et un temps identifiable et mesurable. La figure 4.4 montre un cas typique de déferlement plongeant. Figure 4.4 : Déferlement plongeant. L'évolution d'un déferlement plongeant a été décrit par de D.H. Peregrine /1980/ qui a détaillé le mécanisme du système d'éclaboussements mentionné par R.L. Miller. D.H. Peregrine a montré que l'existence du Etats de mer naturels 04 - Le déferlement des vagues Jean Bougis - Ingénieur Conseil 06650 Opio Page 04 - 6 / 18 système d'éclaboussements est possible car, lorsqu'un jet plongeant pénètre complètement dans l'eau, il se comporte comme une masse solide qui pousse une partie de la masse d'eau antérieurement non perturbée à former un nouveau jet. Le jet plongeant forme également un noyau ou un tube d'air intérieur. L'air piégé est rapidement comprimé par le mouvement du mur d'eau verte (figure 4.7) au voisinage de la crête et rejaillit parfois à travers la surface. La circulation d'eau autour de ce tube d'air provoque une accélération centrifuge qui s'équilibre avec un gradient centripète de pression. Ce phénomène retarde l'écroulement du tube d'air, alors que sa forme non circulaire et les instabilités hydrodynamiques tridimensionnelles tendent à réduire le temps d'existence du tube. 4.2.3. Le déferlement frontal Le déferlement "à gonflement" ou "frontal" ("surging breaking") est caractérisé par une face antérieure des lames qui prend une forme dissymétrique de plus en plus bombée dans les hauts et se résout en masses d'eau fortement tourbillonnantes à mi-hauteur. Les déferlements à gonflement forment de faibles vagues stationnaires qui arrivent sur la plage avec des turbulences générées par le frottement sur les fonds. La figure 4.5 montre un cas typique de déferlement frontal. Figure 4.5 : Déferlement frontal. 4.2.4. Le déferlement à effondrement Le déferlement "à effondrement" ("collapsing breaking") représente un type intermédiaire entre le déferlement plongeant et le déferlement frontal. La figure 4.6 montre un cas typique de déferlement à effondrement. Etats de mer naturels 04 - Le déferlement des vagues Jean Bougis - Ingénieur Conseil 06650 Opio Page 04 - 7 / 18 Figure 4.6 : Déferlement à effondrement. 4.3. Analyse du déferlement Figure 4.7 : Déferlement plongeant violent (d'après D.R. Basco /1985/) photographie et Schéma. Etats de mer naturels 04 - Le déferlement des vagues Jean Bougis - Ingénieur Conseil 06650 Opio Page 04 - 8 / 18 D’après D.R. Basco /1985/, les déferlements glissant et plongeant sont deux extrêmes d'une gamme de déferlements naturels. La figure 4.7 illustre un déferlement plongeant violent (photographie et schéma) et présente ses différentes zones élémentaires. Les déferlements à effondrement arrivent en dernier lieu sur la plage. Ils sont similaires aux déferlements plongeants à l'exception du fait que le jet commence à un niveau très en dessous de la crête (C.J. Galvin /1976/). Bien que le déferlement soit chaotique, l'observation in situ a montré qu'il existe des caractéristiques principales et des allures répétitives. Il semble possible d'identifier des formes générales dans des différents types de déferlement à l'aide d'observations visuelles par cinématographie rapide. Partant de cet approche, R.L. Miller /1976/ a conclu que l'allure du mouvement d'eau, ainsi que celle des systèmes tourbillonnaires dans les deux déferlements plongeant et glissant sont uploads/Litterature/ etamer04-deferlement.pdf