Transcript Document 4616818

Lit-
ENVASEMENT
DU CHENAL D'ACCÈS D'UNE ÉCLUSE
SITUÉE SUR UN FLEUVE
A MARÉE
J.-J. PETERS'
ET R. WOLLAST"
Introduction
,
1
Le porl maritime d'ÀIlYcl'S il connu ces dernières
années lIne extension considérable. Plusieurs nouveaux bassins et Ull canal ont été construits au
nOl'd de la yille jusqu'ù la frontière néerlandaise
oil une nouvelle écluse rclie depuis 196ï ce canal
à l'Escaut immédiatement au sud de la fronLière.
Le trajet de la mer du Nord au port a ainsi été
l'accourci de quelque 10 km (fig. 1).
L'écluse marilime de Zancl\'liel a tlne longueur
de ;')00 m, tille largeur de 5i III et tille profondeur
de 13,50 III SOLIS marée basse, soit 18,50 ln SOllS
11l31'ée haute. Son chenal d'accès a Llne superficie
cle plllS de 400000 m'.
Dès sa mise en SCI'YÎcc, on a observé un envuscIncnt de 10 kg de solide par mètre carré et par jour.
Le mécanisme de cet eI1\-aSement peut dépendre
d'un très grand nomhre de variables lelles que la
turbidité et la salini té des eaux, les marées, les
débits d'amont, etc.
Ali cours de cetle étude, nous ~wons relevé systématiquement la vitesse d'cnvasement en mesurant
l'épaisseur, le poids spécifique et la teneur en eau
du dépôt.
Les mesul'es de la vitesse, de la salinité, de la tUrbidité ct de la température de l'eau le long de verticales ont mis en évidence que les courants de
densité, dus principalement aux gradients de salinité, accélèrent le processus d'envasement.
• L:tbomtoil'e de Hcchc.·chcs hyd.·auliqucs, 115, av. de Berchclll_ BOl'gc.·hout-All'·CI'S, Belgiquc.
•. CniYe.·sité librc dc Bruxelles.
Techniques de mesure
forages.
Le tubc dc forage (fig_ 2), conçn et réalisé nll
Laboratoire de Recherches Hydrauliques, permet de
prélever des échanlillons de vase peu rellianiés
d'un poids spécifique supérieur il 1,15 1/m 3 _
Le carottier est constitué par un tube en acier
inoxydable de 70 mm de diamètre dans lequel on
introduit' un tube en chlorure de polyvinyle. Le Lube
est surmonté d'une tète l'enfermant un dispositif
d'étanchéité muni d'un électro-aimant cOlnmandé
depuis le bateau.
Un lest réglable et amoyihle fait pénétrer Ic
carottier dans la vasco
La carotte enfermée dans son tube en chlorure
de polyvinyle est retirée. Le poids spécifique et la
teneur en eau de la vase sont déterminés tous les
10 cm.
Les mesures de vitesse, de salinilé, de telnpéraLure el de turbidiLé se fonL simultanément en plusieurs verticales toutes les demi-heures. (La circulation des navires dans le chenal ne permettant
pas d'effecLuer des mesures au milieu de celui-ci,
nous nous sommes limités à des zones situées au
voisinage des murs de quai).
Nons disposons de moulinets ù. axe "el'lical Hendix du type Sa,-onius, avec indication de direction.
La varia lion de la salinité SUl' une vcrticale mesurée à un instanL donné est assez faible. Il importe
donc de la mesurer avec UIlC grande précision.
Nous utilisons des conductivimèlrcs E.C.H. (C 4 E)
munis de sondes à quaLre électrodes. La mesul'e
se fait manuellement. La précision esl de 0,025 mS
623
B.A S.F.
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62 1[
LA HOUILLE BLANCHE / N° 6-1969
nécessaire, Yli le faible gradient de salinité sur la
,"crUcale.
Nous avons adjoint à nos mesures celle du profil
de température qui peut être enregistré rapidenlent
avec ulle très grande précision. On peut déduire de
ce prol1l l'existence de couches iuten'cnant dans les
courants de densité.
La lueSlIre du profil de température est efIectuée
à J'aide de thermistances placées dans lIll pont électrique dont on enregistre le déséquilibre. Les caractéristiques de ce pont onL été calculées de sorte
que le courant enregistré sail proportionnel à la
température.
On peut à J'aide du dispositif que n011s avons
const.ruit, mesurer des variations de température de
0,002 oC. Le temps de réponse de la thermistance
est inférieur à 0,2 s, ce qui penuet d'enregistrer un
profil de température ~l la vitesse de 1111 par 10 s
avec une précision de 0,002 oC.
Pour la mesure de la turbidité, des échantillons
d'eau sont prélevés à l'aide d'une pompe imluergée.
Ils sont passés sur filtres millipores dont l'ouverture de maille est de 0,22 IJ.m.
Des IneSllres en continu se font avec un lurbidimètre Sigl'ist. Cet appareil fonctionne suivant le
principe de la diffusion de la lumière par les particules en suspension.
Il existe une relation directe entre la lumière
diffusée et la teneur en solide pour des particules
dont le diamètre est inférieur à GO lJ.11l. Les parti-
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cules superIeures à ce diamètre donnent lieu à une
diffusion trop faible de la lumière et ne sont pas
dosées correctement.
Dans le cas du chenal de Zandvliet, la suspension
est cOlnposée de particules dont 95 % environ sont
inférieures à GO lJ.111. La lUeSlll'e à l'aide du turbidiluètl'e cst donc largement représentativc.
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Tête amovible
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Mesures de l'envasement
La Ines lire de l'épaisseur du dépôt vaseux, à J'aide
d'un écho-sondcur, ne permet pas d'apprécier le
degré d'envasement à cause des variations de poids
spécifiques de la vase.
L'utilisation du tube de forage penuet par contre
de situer la répartition du solide en profondeur et
d'apprécier exactement la quantité de solide déposée.
Nous avons pli suivre l'envaselllCut du chenal
d'accès pendant huit mois cntre dcux dragages
d'entretien. La figure 3 représente la variation du
625
J.-J. PETERS et R. WOLLAST
poids de solide déposé par Ill:! en din'érents points
réparlis dans le chenal suiyant le croquis de localisation (fig. 4).
Nous pou\'ons remarquer que !'enyascmenl est
plus important près de l'Escaut. Dans l'axe du chenal, le rythme d'cn\'asemenL est freiné par les remous dus aux passages des na\·ires.
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L'en\'asemenl a été le plus imporLant les premiers mois ct a ensuite diminué progressiycmcnl.
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Il est d'aulre part inléressant de suivre l'évolution du poids spécifique du dépôt selon un profil
ycdical au cours du temps. Celui-ci ,'arie de
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J,05l/m~ Ü la surfê:1ce supérieure du dépôt jusqu'au
maximum 1,6 t/m:-I ê:1U fond.
La figure 5 représente la yariê:1tion du poids spécifique à différentes profondcurs au cours du
tcmps.
Au début de l'cnnlsement, le dépôt cst homogène ct.
présente un poids spécifique moyen égal ~l 1,05 t/m:J.
Au eOlll'S du tcmps, il se produit L1ne consolidation
de la "asc pal' tassement qui dure pendant six
Illois environ. Après celle période le tassement est
faible et ne se marque plus que dans les couches
su périeu l'es.
La figure G rcprésente la nll'ialion de hauteur
des couches rcnfermant un même poids de solide
au cours du temps. On constate, par exemple, qu'il
mi-jan\'ier (point .r) la couche de nIse située entre
les cotes - 15 111 ct - 12 m renferme 1 000 kg dc
solide par mètre carré. Celle couche, alors épaisse
de 3 m, esl réduite à 2 m à la fin mai (point y) .
Des figures 5 el 6 on peul déduire que le niveau
supérieur dn dépôt s'est stabilisé "ers la cote
- 9,50 nl. Lorsqlle celle-ci fut atteinte, l'apport de
solide combla apparemment la réduction de yolllIlle due :lU tasscment.
CeUe cole limite correspond environ al! seuil
séparant le chenal de navigalion de "Escaut el le
chenal d'accès de l'écluse. Lcs l'CIllOIiS provoqués
pnr les n:l\'ircs rClllellenl continllcllclIlcnl la L'OUche de vase supérieure en suspension. Cc Ile-ci nc
se consolide donc Cilie très lentement.
LA HOUILLE BLANCHE / N° 6-1969
La montée du niveau d'eau cl l'accroissCJ11cllt de
la salinité sont particulièrement rapides surtout
pendant les deux dernières heures avant marée
haute, alors que la descente des caux et la diminulion de la salinité sont toujours lentes. Une courbe
de marée relevée li Zandvliet csl représentée à la
figure 10.
La figure Il montre les nll"ialiol1s de salinité
el de vitesse enregistrées lors du Ilot et du jusant
à l'entrée de ce chenal. On constatera que, 10l's
du jusant, les variations sont trop faibles pOlll'
entraîner 1'~'pp~lI'ition d'un coin salé.
aemarquons que la forme en entonnoir du che·
Le coin salé
Variations de la salinité dans l'Escaut.
Par suite de sa configuration ei des conditions
hydrauliques la difTllsion turbulente est importante
et l'estuaire de l'Escaul sC comporte comme UI1 mélangeur presque parfai t.
La figure i montre, à titre d'cxemple, les varialions au cours d'LIlle marée, de la vitesse, de la
salinité et de la tllrbidité à Fort Frederik, t 500 III
en amont de l'écluse de Zandvliet.
Malgré les nll'iations importantes de la salinité
PROFIL DE SALINITE
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VITESSE
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ct l'amplitude de la marée, on ne décèle pas de
grandes différences de salinité le long d'une ycrticale (fig, 8) dans l'estuaire.
TOlltefois, cl l'entrée des chemmx d'accès aux écluses et des darses, les nll'iations de densité de l'eall
dc l'Escaut ail cOllrs de la marée entralnent l'apparition de courants dc densité à l'intérieur de CC'S
oU\'I'ages. Ceux-ei sc superposent allx cOllrants de
l'clIlplissage et de \'idnnge dus aux nll'iations cie
niyeHu.
L'existence d'un gr~ldient de densité IJro\'oque
des lIlou\'ements de couches d'eau horizon laies dont
les yitcsses l'elatiYcs sont proportionneHcs à la différence de masse spécifique relatÎ\'c des couches
(II b y[(lI.p)!p] glr).
Il cn résultc quc le phénomène sera d'autant plus
marqué que la \'ariation de salinité dans le lleuyc
est importante et rapide,
Ccs conditions sonl particulièrement bien réalisées dans la région dll port d'An\'ers,
La figllre 9 rcpr('sentc les yariations de salinité
et de \'Hesse SUI' une ycrlicale situéc il "cntrée de
la darse qui a scr\'i Ù la construction dt! nou\'cau
tunncl sous l'Escaut ù Anyers, Cc bassin a une
Oll\'el'tllre assez rétrécie et. un \'olume rclatiycmcnt
faible, tous facteurs fH\'orables au phénomène, Il
apparail allssi hien aH flot qu'au jusant.
La situation dll l'Ilellai d'accl's :'1 l'l'cIIIS(' de Zanrl\'Iiet est difl'érenlc par suitc de la géométrie de
1'0U\Tage,
nal et sun orientation par rapport à l'Escaut sont
responsables de l'existence de courants giratoires
qui compliquent l'analyse des courants,
La figure 12 représcnte les profils verticaux de
\'itesse et de salinité simultanés dans L1ne section
transversale. On remarque que les courants d'eau
salée pl'o\'enunt de l'Escaut pénètrenl dans Je chenal le long de sa face sud donnant lieu li une incliIluison des isohulines.
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Le débit net le long de ta face sud esl dirigé yers
le chenal d'accès, alors que ceJui le long de la facc
nord est dirigé Ycrs l'Escaul.
La figure 13 montre les trajectoires des C011J'ants dans le chenal pOlir trois profondeurs lors
dll flot.
L'existcnce de ces courants complexes H pour
conséqnence que le "olul11e d'cali qui pénètre dans
le chenal d'accès est largement supéricur au volllllle obtenu en multipliant la surface de celui-ci
pal' l'amplitude de la marée.
La vitesse des couches d'eau peut y atteindre jusqu'à 1 mis alors que les vitesscs nécessaires au
seul remplissage ne deyraicnt pas excéder 5 cm/s.
Influence du coin salé
sur l'envasement
Dcs levés récents effectués sur l'Escaut par Baslin A ont montré l'existence d'importants dépôts
vaseux qui se situent principalement en amont de
la frontière belgo-hollandaise. Ces dépôts sont l'Omis partiellement en suspension 10r8((l1e lcs vitesses des couches de fond sont snffisantes. CeLle
situation se produit' au maximum de Yitesse lors
du flot et du jusant. Les particules solides remises en suspension sc rc(léposellt lors des étales.
628
La figure 14 illustre particulièrement bien ce phénomène mis cn é,·idcnce à Fort-de-Parcl.
Or le maximull1 des ,·ilesses au flot coïncide avec
les courants de dcnsilé les plus importants dans les
'bassins OUycris au fleuyc. L'cau de l'Escaut qui pénètre pal' le fond dans ces ouvrages est donc particulièrement chargée cn sédiments. La figure 15 montre à titrc d'excmplc les lllesures effcctuées sur un
profil ycrtical situé :.1 l'entrée du chenal d'accès à
Zandyliet, lors du maximum de vitesse au flot.
Notons que le solide en suspension contribue ù
accl'oitre la densité de la couche d'cau d'une manière non négligeable et entraine de ce fait une augmentation des courants de densité. La contribution
du solide en suspension a11 gradient de densité
pcut être du même ordre de grandeur que cellc de
la salinité.
Le soline en suspension qui entre de cette manière dans les ollyrages se trou"e dans une situaIion favorable all dépôt.
~r'out d'abord ln. yHesse des couchcs de fond diminue progrcssÎycment lorsque celles-ci pénètrent
dans le chenal ct n'est plus suffisn.ntc pOUl' maintenir lout le solide en suspension (fig. t 1).
A l'étale des COll l'anis dans le chennl d'nccès, la
plus gJ'<lnde pal'tie du solide sc dépo~e cl" ceci d'anlant plus que la salinité est alors ù son maximum.
l'a,·orisant la l1ocllialion des pnrlicllics colloïdales.
Au débul de la ,·id~lngo du chenu1, seules les couches supérieures sc I11cllent cn 111011,·cmcnt. La
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couche de fond est maintenue immobile jusqu'à ce
que la couche supérieure de moindre densité soit
évacuée. La ligure 16 met bien ce phénomène en évidence et montrc par ailleurs que les faibles vitesses
de ddange au fond sont insuffisantes pour remettre le dépôt en suspension.
La complexité des courants lors du remplissage
el' de la \'idange du chenal rendent le calcul d'tin
bilan global du solide hasardeux. D'autre part, nous
observons des variations quotidiennes et saisonnières non négligeables bien que le phénonlène global reste inchangé.
Nous avons toutefois estimé un ordre de grandeur
de la quantité de solide, accumulée lors de marées
au cours des mois d'octobre 1968 et de janYier
1969. Nous avons, pOUl' cela, adlnis que le solide
se déplace en première approximation à la même
yjtesse que l'ean. On peut alors calculer à tout lllOment le flux de solide au trayers d'une section tl'ansyersale unitaire. En intégrant ce nux sur une section
transversale donnée pendant: une marée complète, on
peut estimer la quantité de solide qui s'est déposée
Hu-delà de la section choisie.
Nous m'ons obtenu des valeurs d'acculllulation
de solide oscillant de 5 à 10 kg de malîèl'e sl'che
pal' mètre carré el pal' jour.
Malgré les imprécisions du calcul, ces ndeurs
sont compnrables aux mesures d'cnyascment effectuées par forages et selon lesquelles l'acculllulation se situait entre 3 et ] 0 k~ de matière solide
pal' mètre carré et par jour (yoir fig. 2).
Les variations de salinilé le long de J'estuaire
de J'Escaut et la géométrie particulière des chenaux et des darses sont particulièrement favorables
cl l'apparilion de courants de densité dans ceux-ci.
Grâce aux mesures effectuées tout au long de
l'année 1968, nOliS 3"ons jJul11ontl'er, d'une manière
quantitative, la contribution des courants de densiLé il l'envasement de ces ouvrages eL préciser
le mécanisme de ce phénomène.
Il résulte tout d'abord de notre étude que le volume d'eau échangé à chaque marée par l'ouvrage
avec le fleuve dépasse largement le volume d'cau
nécessaire aux variations du niycau d'eau. Dans le
cas du chenal d'accès à l'écluse de Zandvliet, nOliS
avons pli estimer qlle l'eau de l'ouvrage était renouvelée complètement: deux fois par marée. Ce
volume représente six fois le yolnme de remplissage
dû à la marée.
Les courants de densité sont d'aulre part responsables de l'apparition de dtesses importantes. Celles-ci favorisent le transport du solide. Tl est d'aulant plus import.ant que l'apparition du coin salé
au fiat coïncide avec les turbidités les plus élevées observées dans le fleuve.
Le solide ainsi introduit dans les ouvrages se
troLlve dans des circonstances fayorables à la sédimentation, par suite de la salinité élevée et de la
durée de séjonr des couches d'eall pendant le jusant.
L'envasement calculé à partir des mesures de débit solide, dll aux courants de densit.é, est du même
ordre de grandeur que celui rele\'é par les forages.
Si l'exislence d'un seuil enlre l'Escaut et le chenal d'accès peut jouer un rôle dans la stabilisation
de l'épaisseur du dépôt, celui-ci n'intervient pas
dans le mécanisme d'ellYaSelllent du chenal d'accès.
Nos mesures indiquent que les dépôts de vase
situés clans l'Escaut à hauteur de Zandvliet ne sont
pas amenés dans le chenal d'accès par simple écoulement, comme le suggèrent ccrtains sédimentologues.
Ainsi que nOlis l'avons montré, le solide pénètre
dans le chenal d'accès principalemcnt pendant une
fraction déterminée de [a marée et dans une tranche d'eau limitée sitl1(~e près du fond el' épaisse
d'environ 5 m, On peut espérer diminuer l'envasement en agissant SUI' cette couche pal' des ouvrages
qUt pourraient être étudiés slIr modèlc réduit.