THE PROPAGATION OF UNCONSTRAINED DRY GRANULAR FLOWS: FROM LABORATORY TO NUMERICAL MODELISATION

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ID Serval
serval:BIB_6AA39491E2D4
Type
Thèse: thèse de doctorat.
Collection
Publications
Titre
THE PROPAGATION OF UNCONSTRAINED DRY GRANULAR FLOWS: FROM LABORATORY TO NUMERICAL MODELISATION
Auteur(s)
Longchamp C.
Directeur(s)
Jaboyedoff M.
Détails de l'institution
Université de Lausanne, Faculté des géosciences et de l'environnement
Adresse
Faculté des géosciences et de l'environnementUniversité de LausanneCH-1015 LausanneSUISSE
Statut éditorial
Acceptée
Date de publication
2016
Langue
anglais
Résumé
As rock avalanches are rare catastrophic events in which granular masses of rock débris flow at high speeds, commonly with unusually long runout distances, analogue and numerical modelling can provide important information about their behaviour. This theses is composed of three main contributions: (1} laboratory experiments in order to demonstrate that the basai roughness and the grainsize as well as the volume and slope angle are important parameters of the motion of a dry granular mass; (2) the analysis of rock avalanche dynamics by means of a detailed structural analysis of the deposits coming from data of 3D measurements of mass movements of différent magnitudes, from decimeter level scale laboratory experiments to well-studied rock avalanches of several square kilometers magnitude; (3) development of a numerical model to simulate the laboratory experiments.
Laboratory experiments are performed with a tilting plane. Granular material is released, chutes down a slope, propagates and finally stops on a horizontal surface. Différent grainsizes (115, 545 and 2605 |am] and substratum roughness (simulated by sandpapers with grainsize from 8.4 to 269 ^m] are used in order to understand their influence on the motion of a granular mass. This work shows that there is a logarithmic relation between the substratum roughness and the motion of the granular flow. For same volume, slope angle and fall height, the runout of the mass is comprised between 4.5 and 11 cm. The influence ofthe volume and the slope angle is also investigated. The runout increases from 8 to 11 cm with volumes from 300 to 600 cm3. Contrarily to the volume, the slope angle (from 35° to 60°] influences greatly the runout ofthe mass front (from 5 to 20 cm).
In order to emphasize and better detect the fault structures present in the deposits, we applied a médian filter with différent moving windows sizes (from 3x3 to 9x9 nearest neighbors) to the 3D datasets and a gradient operator along the direction of propagation. The application of these filters on the datasets results in: (1) a précisé mapping of the longitudinal and transversal displacement features observed at the surface of the deposits; (2] a more accurate interprétation of the relative movements along the deposit (i.e. normal, strike-slip, inverse faults) by using cross-sections. Results show how the use of filtering techniques reveals disguised features in the original point cloud and that similar displacement patterns are observable both in the laboratory simulation and in the real scale avalanche, regardless the size ofthe avalanche. To simulate the analogue granular flow, a numerical model based on the continuum mechanics approach and the solving of the shallow water équations was used. In this model, the avalanche is described from an Eulerian point of view within a continuum framework as single phase of incompressible granular material. The interaction ofthe flowing layer with the substratum follows a Mohr-Coulomb friction law. Within same initial conditions (slope, volume, basai friction, height of fall and initial velocity], results obtained with the numerical model are similar to those observed in the analogue model. In both cases, the runout of the mass is comparable and the size of deposits matches well. Moreover, both analogue and numerical modeling provide velocities of same magnitudes. In this study, we highlighted the importance of the friction on a flowing mass and the influence ofthe numerical resolution on the propagation. The combination ofthe fluid dynamics équations with the frictional law enables the self-channelization and the stop ofthe granular mass.
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Comme les avalanches rocheuses sont des événements catastrophiques rares impliquant un grand volume de débris, des vitesses élevées et atteignant des distances de propagation importantes, la modélisation analogique et numérique peut fournir des informations importantes sur leur comportement. Cette thèse est composée de trois parties distinctes: (1) des expériences de laboratoire permettant de démontrer que la rugosité basale et la granulométrie ainsi que l'angle de pente et le volume de matenel influent sur la propagation d'une avalanches rocheuse; [2] la dynamique dune avalanche rocheuse est analysée au moyen d'une étude détaillée des structures observables à la surface des dépôts; (3] développement d'un modèle numenque pour
simuler les expériences en laboratoire. ,
Des expériences en laboratoire sont effectuées sur un plan incline. Le matenel granulaire est libéré, chute sur une pente, se propage et enfin s'arrête sur une surface horizontale. Différentes granulométrie (115, 545 et 2605 pm) et substrats [simules par du papier de verre avec une granulométrie variant entre 8,4 et 269 pm) sont utilises afin de comprendre leur influence sur le mouvement d'une masse granulaire. Ce travail montre qu'il existe une relation logarithmique entre la rugosité du substrat et le mouvement du flux granulaire. A volume, angle de pente et hauteur de chute égaux, la distance de propagation de la masse est comprise entre 4,5 et 11 cm. L'influence du volume et de l'angle de pente est également étudiée. La distance de propagation augmente peu, de 8 à 11 cm, avec des volumes allant de 300 à 600 cm3. Contrairement au volume, l'angle de pente [de 35 ° à 60 °) a une grande influence sur la distance de propagation de la masse (de 5 à 20 cm).
Afin de mieux détecter les structures de failles présentes dans les dépôts, nous avons appliqué un filtre médian avec différentes fenêtres mobiles pour des ensembles de données 3D ainsi qu'un opérateur gradient le long de la direction de propagation. L'application de ces filtres ont permis: (1) une cartographie précise des structures de déplacement longitudinales et transversales observées à la surface des dépôts; (2) une interprétation plus précise des mouvements relatifs le long du dépôt (c.-a-d. décrochement, failles inverses normales) en utilisant des coupes. Les résultats montrent comment l'utilisation de techniques de filtrage permettent de révéler des structures invisibles à l'oeil nu et que les schémas de déplacement similaires sont observables a la fois dans les simulations en laboratoire et aussi dans des dépôts d'avalanche rocheuses réelles.
Pour simuler les écoulements granulaires observés en laboratoire, un modèle numérique basé sur l'approche des milieux continus et de la résolution des équations en eau peu profonde (Shallow Water Equations) a été utilisé. Dans ce modèle, l'avalanche est décrite d'un point de vue eulérien dans un cadre continu en tant que phase unique de matériel granulaire incompressible. L'interaction de la couche en mouvement avec le substrat suit une loi de frottement de Mohr-Coulomb. Avec de mêmes conditions initiales, les résultats obtenus avec le modèle numérique sont similaires à ceux observés en laboratoire. En outre, les modélisations analogique et numérique fournissent des vitesses du même ordre de grandeur. Dans cette étude, nous avons souligne l'importance de la friction sur une masse granulaire et l'influence de la résolution numérique sur la propagation. La combinaison des équations de la dynamique des fluides avec la loi de frottement permet l'auto-chenalisation et l'arrêt de la masse granulaire.
Création de la notice
04/10/2016 10:50
Dernière modification de la notice
20/08/2019 14:25
Données d'usage