Dense avalanche numerical modeling interaction between avalanche and structures

Applications of the Saint Venant equations were extended to rapid gravity flows of geophysical fluid with a non-newtonian behavior such as snow avalanches. This paper presents a numerical and physical approach for snow avalanches considered as a granular material. The mathematical equation system is numerically solved. In order to validate the numerical modeling, a reduced scale model is built. The materials are retained behind a dam by a rapid opening gate. The downhill slope is divided into two sections: a steep slope with a channeled flowing zone and a section with an abrupt widening with a slope angle of zero degree. Several experiments have been done with various volumes of different materials. The following parameters were measured in each experiment: 1) the evolution of the height and the forces in three locations along the flowing zone, 2) the velocity field at the surface of the avalanche, and 3) the mapping of the deposition zone. The whole experiments have been numerically reproduced. Engineers in charge of the protection against dense avalanches, increasingly recommend the construction of protection devices whose function, at the end of the flow zone, is to dissipate the avalanche energy. The last section of this paper deals with an attempt of efficiency evaluation of these structures using numerical modeling

Avalanches de neige : qu'est ce qui va changer ?

Lors des récents hivers, les Alpes françaises, ont connus plusieurs épisodes de forte activité d'avalanches de neige humide. En lien avec cette tendance trois aspects méritent d'être étudiés : l'évolution des occurrences, l'évolution des distances parcourues et les pressions d'impacts. La vallée de Chamonix qui est l'une des régions françaises les mieux documentées dans le domaine des avalanches, a été choisie pour conduire des études sur l'évolution du nombre annuel d'avalanches humides et des corrélations entre les paramètres de frottement des avalanches et les propriétés de la neige, notamment sa teneur en eau liquide. Les données utilisées sont issues de l'Enquête Permanente sur les Avalanches et des ré-analyses ERA40. Les évolutions du nombre annuel et de la proportion annuelle d'avalanches de neige humide (par rapport au nombre total d'avalanches), ont été étudiées par des outils d'analyse de séries chronologiques. Le résultat montre une rupture et une croissance qui coïncide avec l'évolution de la température sur le massif du Mont-Blanc. Les corrélations obtenues entre les coefficients de frottement des avalanches et les propriétés de la neige ont montré une croissance avec la température et une décroissance avec la teneur en eau liquide et l'épaisseur de la neige. La conséquence est un accroissement important des distances d'arrêt des avalanches de neige humide particulièrement celles dont la teneur en eau liquide dépasse 30 kg.m-3. Finalement, les mesures récentes sur les sites d'étude du Lautaret et de la Sionne notamment, ont montré une décroissance significative du coefficient de trainée avec le nombre de Froude. Dans leur zone d'arrêt les avalanches de neige humide ont des épaisseurs et des densités fortes et se déplacent à faible vitesse. Donc, non seulement leur force dynamique augmente à cause de la hauteur et de la densité, mais leur force d'impact sur les structures sera multipliée par un facteur 10 à 30

Etude en soufflerie des fluctuations du transport de particules solides en régime permanent

Afin de mieux appréhender les spécificités de la dispersion atmosphérique de particules lourdes (sable neige), des films de transport en soufflerie ont été réalisés à haute fréquence (500 Hz). Le traitement approprié des images a permis de reconstruire un signal temporel de fluctuation de concentration dont le spectre a été analysé. Ce dernier fait apparaître une pente faible et négative pour toute la gamme de fréquences correspondant à la zone inertielle du spectre d'énergie cinétique de l'écoulement non chargé sans que la pente du spectre de concentration puisse être mise en relation avec la pente en -5/3 du spectre turbulent. Ces observations contribuent à montrer qu'aux hautes fréquences, l'écart de la masse volumique des particules à celle du fluide opère un filtrage de l'amplitude des fluctuations de vitesse à tel point qu'il n'est plus possible de distinguer l'influence de ces dernières au niveau du transport

Recent changes in avalanche activity in the French Alps and their links with climatic drivers: an overview

[Departement_IRSTEA]Eaux [TR1_IRSTEA]RIVAGEInternational audienceThis paper synthetizes our ongoing work on relations between natural avalanche activity and climate change in the French Alps and subregions. Firm results mainly concern occurrences, runout altitudes and high return period avalanches on long time scales (averages over “full” winters and winter-spring sub-seasons) since ~1950. Work in progress concerns extrapolation under future climate, shorter time scales (avalanche cycles), and more generally risk assessment under unstationarity. The strength and interest of the approach rely on the exceptional quality/quantity of avalanche records and snow and weather covariates available/used and on the development of specific statistical treatment methods

Dense flows of cohesive granular materials

International audienceUsing molecular dynamic simulations, we investigate the characteristics of dense flows of model cohesive grains. We describe their rheological behavior and its origin at the scale of the grains and of their organization. Homogeneous plane shear flows give access to the constitutive law of cohesive grains which can be expressed by a simple friction law similar to the case of cohesionless grains, but intergranular cohesive forces strongly enhance the resistance to the shear. Then we show the consequence on flows down a slope: a plugged region develops at the free surface where the cohesion intensity is the strongest. Moreover, we measure various indicators of the microstructure within flows which evidence the aggregation of grains due to cohesion and we analyze the properties of the contact network (force distributions and anisotropy). This provides new insights into the interplay between the local contact law, the microstructure and the macroscopic behavior of cohesive grains

A physical model using as a rheometer to determine the friction parameter of granular flow

The aim of this work is to develop an inversion method that allowed us to determine the friction parameter that control typical granular flow similar to snow avalanches. Granular flow occur on to plane cover by a rough surface compose of sand paper (typical size is 500µm) and the granular material is compose of glass beads (1.1mm in diameter). In order to control the result obtain by the inversion method, we determine the rheological properties with an external method develop by Pouliquen 1999a. The granular flow is initiated by a break dam of 35mm height and we control the initial volume of beads. The front velocity is measured with an optical device and the position of the front is detected thanks to the colorimetric drop between the rough material (black) and the glass beads (white). On the upper part of the flow we measure the Lagrangian velocity with a Particle Image Velocimetry granular technics of the flow on three different positions using an optical sensor calibrated for glass beads measurements. On the lower part of the front velocity is also measure as same as the way consider on the upper part. Then the shape and the thickness of the deposit is determine with an accurate four fringe shifted Moiré Method

Forces experienced by the walls of a granular lid-driven cavity

Les écoulements granulaires sur plan incliné et impactant un mur ont été étudiés en détail les années passées (voir [1]). Les écoulements stationnaire et transitoire ont été analysés à travers des simulations aux éléments discrets et des expérimentations de laboratoire, et comparés à des solutions analytiques. Le rôle crucial de la co-existance entre une zone morte quasistatique, composée de grains bloqués en amont du mur, et une zone plus inertielle, composée de grains qui s'écoulent par-dessus la zone morte, a été mis en évidence. Jusqu'à présent l'effort de recherche a été principalement axé sur la force exercée sur le mur moyennée dans le temps, laissant en suspens la question de la force instantanée qui présente systématiquement de fortes fluctuations temporelles. La coexistance d'une une zone inertielle qui surplombe une zone morte est probablement à l'origine de ces fortes fluctuations. Comme l'obstacle n'est en contact qu'avec la zone morte, c'est cette dernière qui assure la transmission de force --et ses fluctuations-- sous diverses conditions qui dépandent de l'écoulement granulaire inertiel. Nous avons réalisé des simulations par la méthode des éléments discrets d'une cavité granulaire entraînée dont le but est d'imiter l'interaction entre un écoulement à surface libre et un mur afin de mieux comprendre les mécanismes de transmission de force et les fluctuations temporelles. Un échantillon de grains à échelle réduite est enfermé entre un mur inférieur rugueux, un mur supérieur rugueux de longueur infinie et deux murs latéraux orthogonaux au cisaillement. Le mur supérieur cisaille l'échantillon à vitesse constante horizontale tout en appliquant une pression verticale constante. On mesure la force exercée sur le mur latéral qui fait face au cisaillement. Lorsque l'état stationnaire est atteint, la force moyenne est étudiée en fonction des paramètres suivants : la vitesse de cisaillement du mur supérieur, la pression de confinement exercée par le mur supérieur et la longueur de la cavité. Différents régimes ont été mis en évidence en fonction du facteur de forme de la cavité et du nombre inertiel macroscopique. Compte-tenu des travaux précédents dans le domaine des milieux granulaires appliqués à d'autres systèmes (voir [1] et [2]), la transmission de force moyennée dans le temps a été analysée et une étude préliminaire sur les fluctuations temporelles a été réalisée. Nous présentons tout d'abord le contrôle de la transmission de force moyennée dans le temps par le nombre inertiel macroscopique qui reflète le régime d'écoulement. Puis nous montrons que les distributions de la force instantanée sont également gouvernées par le nombre inertiel macroscopique

Quasistatic to inertial transition in granular materials and the role of fluctuations

On the basis of discrete element numerical simulations of a Couette cell, we revisit the rheology of granular materials in the quasistatic and inertial regimes, and discuss the origin of the transition between these two regimes. We show that quasistatic zones are the seat of a creep process whose rate is directly related to the existence and magnitude of velocity fluctuations. The mechanical behavior in the quasistatic regime is characterized by a three-variable constitutive law relating the friction coefficient (normalized stress), the inertial number (normalized shear rate), and the normalized velocity fluctuations. Importantly, this constitutive law appears to remain also valid in the inertial regime, where it can account for the one-to-one relationship observed between the friction coefficient and the inertial number. The abrupt transition between the quasistatic and inertial regimes is then related to the mode of production of the fluctuations within the material, from nonlocal and artificially sustained by the boundary conditions in the quasistatic regime, to purely local and self-sustained in the inertial regime. This quasistatic-to-inertial transition occurs at a critical inertial number or, equivalently, at a critical level of fluctuations

Lac Blanc Pass: a natural wind-tunnel for studying drifting snow at 2700ma.s.l

International audienceThe investigation of the spatial variability of snow depth in high alpine areas is an important topic in snow hydrology, glacier and avalanche research and the transport of snow by wind is an important process for the distribution of snow in mountainous regions. That's why, for 25 years IRSTEA (previously Cemagref) and Météo France (Centre for the Study of Snow) have joined together in studying drifting snow at Col du Lac Blanc 2700 m a.s.l. near the Alpe d'Huez ski resort in the French Alps. Initially, the site was mainly equipped with conventional meteorological stations and a network of snow poles, in order to test numerical models of drifting snow Sytron (CEN) and NEMO (Cemagref). These models are complementary in terms of spatial and temporal scales: outputs of Sytron model will form the inputs of NEMO model. Then new sensors and technologies appeared which allow to develop new knowledge dealing with thresholds velocity according to morphological features of snow grains, snow flux profiles including parameters such as fall velocity and Schmidt number, histograms of particle widths, aerodynamic roughness, gust factors. More recently, the coupled snowpack/ atmosphere model Meso-NH/Crocus has been evaluated at the experimental site. At the same time, some tested sensors have been deployed in Adelie Land in Antarctica, where blowing snow accounts for a major component of the surface mass balance. Japanese and Austrian research teams have been accomodated at Lac Blanc Pass and new foreign teams are welcome. Initial observations continue. That's why Lac Blanc Pass is also a climatological reference for 25 years at 2700 m. Data are available

Prédétermination des hauteurs de départ d'avalanches. Modélisation combinée statistique-mécanique

La prédétermination de la hauteur de départ des avalanches représente un défi majeur pour l'évaluation du risque en montagne. Cette hauteur constitue en effet un ingrédient d'entrée important des procédures de zonage et de cartographie du risque. Dans cette thèse, nous présentons un formalisme rigoureux dans lequel les distributions de hauteur de départ d'avalanche sont exprimées à travers un couplage des facteurs mécaniques et météorologiques. Le critère de stabilité du système plaque - couche fragile est étudié en utilisant une analyse mécanique par éléments finis prenant en compte l'hétérogénéité spatiale des propriétés mécaniques. Considérant qu'une avalanche ne peut se produire que si la hauteur de chute de neige dépasse une hauteur critique correspondant au critère de stabilité, les distributions de hauteur de départ obtenues à partir du modèle mécanique sont couplées avec la distribution des chutes de neige extrêmes sur 3 jours. Nous montrons que ce modèle couplé est capable de reproduire des données de terrain de 369 avalanches naturelles de plaque à La Plagne (France). Non seulement la queue de la distribution en loi puissance, correspondant à des épaisseurs de plaque élevées, mais aussi le corps de la distribution pour les plaques moins épaisses, sont bien reproduits par le modèle. Les avalanches petites à moyennes semblent être essentiellement contrôlées par la mécanique, tandis que les grosses avalanches et l'exposant de la loi puissance associé, sont influencés par un couplage mécanique - météorologique fort. Par ailleurs, nous démontrons que la distribution obtenue est fortement dépendante de l'espace, et, en utilisant les processus max-stables permettant une interpolation spatiale rigoureuse, notre modèle couplé est utilisé pour obtenir des cartes de hauteur de départ d'avalanche pour différentes périodes de retour sur l'ensemble des Alpes françaises.The evaluation of avalanche release depth distributions represents a major challenge for hazard management in mountaineous regions. This depth constitutes an important input ingredient of hazard mapping procedures. This PhD thesis presents a rigorous formalism in which these distributions are expressed through a coupling of mechanical and meteorological factors. The stability criterion of a layered snowpack is investigated using a finite-element analysis accounting for the spatial heterogeneity of weak-layer mechanical properties. Considering that an avalanche can occur only if the snowfall depth exceeds a critical value corresponding to a stability criterion, release depth distributions obtained from the mechanical model are coupled with the distribution of 3-day extreme snowfalls. We show that this coupled model is able to reproduce field data from 369 natural slab avalanches in La Plagne (France). Not only the power-law tail of the distribution, corresponding to large slab depths, but also the core of the distribution for shallow slab depths, are well represented. Small to medium-sized avalanches appear to be controlled mainly by mechanics, whereas large avalanches and the associated power-law exponent, are influenced by a strong mechanical-meteorological coupling. Finally, we demonstrate that the obtained distribution is strongly space dependent, and, using max-stables processes allowing a rigorous spatial interpolation, our coupled model is used to obtain release depth maps for given return periods in the whole French Alps.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF