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Irstea : ReCHeRCHe, sCienCes eT TeCHnoLogies pour l’environnement Les Risques enviRonnemenTaux

Les recherches en phase d’expérimentation amènent à déclencher artificiellement des avalanches dans des couloirs instrumentés. © C. VION/IrSTEA

Avalanches : du laboratoire aux couloirs Ce cahier est réalisé avec mohamed naaïm, direction scientifique du programme de recherche sur les risques naturels en montagne et la sûreté des ouvrages hydrauliques, et les équipes irstea grenoble. © dr

afin de mieux affirmer ses missions, le Cemagref devient irstea. www.irstea.fr

Les mécanismes à l’œuvre dans une avalanche sont complexes et exigent la mobilisation d’approches multiéchelle et multi-physique. C’est une spécialité du thème de recherche Rivage, à irstea, qui a mis en place quatre méthodes d’étude.

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haque hiver, elles arri­ vent sans prévenir, ou presque, et broient les éléments qui se trou­ vent sur leur passage. Mais les avalanches ne laissent pas les chercheurs de glace. À l’instar de Mohamed Naaïm, qui travaille à l’unité de recherche Érosion tor­ rentielle, neige et avalanches du centre Irstea de Grenoble, les

scientifiques en apprennent un peu plus chaque année sur leur déclenchement et leur dyna­ mique. « Les avalanches font partie de notre thème de recherche sur la physique des mouvements gravitaires rapides, explique­t­il. Nous les étudions sur un ensemble d’échelles, qui va du grain à l’expérimentation de pointe grandeur nature. » Les idées générales sont connues : une avalanche se dé­ clenche dans des zones de forte pente. Plus la pente est forte et l’épaisseur de neige est grande, plus l’avalanche sera puissante. Au­delà, qu’en est­il précisément du lien entre les propriétés de la neige et son frottement contre le sol ? Comment vont évoluer la vitesse et la masse de la coulée sur son parcours ? les grains ModÉlisÉs. Pre­ mière étape pour étudier le phé­ nomène : le laboratoire. L’objec­

tif est de décrire aussi naturelle­ ment que possible le comporte­ ment de la neige à l’échelle du grain. Or c’est un matériau com­ plexe, qui se transforme en fonc­ tion des conditions météorolo­ giques. Sous forme de flocon, la neige constitue un manteau aéré, tandis que sous forme de glace, elle est plus dense. En outre, les chutes successives donnent au manteau la struc­ ture stratifiée d’un millefeuille. Conséquence : les avalanches ont des modes de déclenche­ ment différents. Dans le cas de neige fraîche ou humide, le dé­ part est ponctuel et la coulée s’évase en dévalant la pente. Quand une couche de neige sta­ bilisée repose sur un manteau moins cohésif, elle démarre sous forme de plaques. Ces conditions sont reproduites en laboratoire grâce à la mé­ thode des éléments discrets. >

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4 000 sites d’avalanches sont observés. Plus de 800 000 hectares, répartis sur plus de 500 communes, ont été cartographiés. > « Nous modélisons les forces de

répulsion, de cohésion et de frottement qui s’exercent entre deux grains sphériques par des lois physiques simples, décrit Moha­ med Naaïm. Nous prenons ensuite plusieurs milliers de grains que nous plaçons virtuellement dans une boîte qui joue le rôle de “viscosimètre” numérique. La partie haute de la boîte est soumise à une vitesse et une pression contrôlées. La partie basse est maintenue fixe. Pour chaque couple vitesse/pression, nous étudions la dynamique des grains et nous mesurons les forces normale et tangentielle qui s’exercent sur la couche basale. Nous obtenons ainsi une loi de comportement de la couche basale cisaillée sur laquelle s’écoule l’avalanche. » En intégrant des ingrédients supplémentaires, tels que la po­ lydispersité, cette modélisation permet aux chercheurs de déter­ miner des lois de comportement spécifiques à la neige. Un canal à neige. Deuxième étape : l’écoulement du maté­ riau. L’expérimentation se passe à l’extérieur, au col du lac Blanc (Isère). Un canal de 10 m de long, 30 cm de large et 20 cm d’épaisseur a été construit. Sa pente est modulable, entre 24° et 45°. Le débit de neige l’est aussi, et une vis d’Archimède assure sa constance. Ainsi, les chercheurs peuvent jouer sur la vitesse et l’épaisseur de l’écoule­ ment. Des capteurs placés à 3 m,

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5 m et 7 m indiquent l’épaisseur de la neige au fur et à mesure qu’elle descend. Enfin, les expé­ riences sont faites de nuit afin que le soleil ne transforme pas la neige. « Les résultats obtenus sur les profils de vitesse valident les modèles numériques », commen­ te Mohamed Naaïm. La loi de comportement établie dans les étapes 1 et 2 est utilisée pour évaluer la force qu’exerce la neige sur son passage. Si elle est plus forte que la résistance interne de la neige, elle va em­ porter cette couche sous elle et ainsi augmenter le volume de l’écoulement. Grandeur nature. Une fois

les lois de comportement éta­ blies et caractérisées, il faut en­ core remettre l’avalanche dans son contexte. Pour cela, Irstea dispose d’un site grandeur nature sur les flancs de la montagne de Chaillol, à proximité du col du Lautaret (Hautes-Alpes). À cet endroit, les avalanches sont dé­ clenchées artificiellement et des mesures sont prises par plusieurs instruments. L’installation d’un couple d’appareils photo offre en plus une vision en 3D du phé­ nomène. Dans les couloirs d’avalanches, la distance parcourue par les avalanches varie de 500 m à 800 m, sur une pente qui atteint 36° au milieu de la zone d’écou­ lement. Les volumes mobilisés varient de 500 m3 à 10 000 m3 et la vitesse maximale peut at­ teindre les 144 km/h. Un des couloirs est dédié à l’étude des pressions d’impact sur les obs­ tacles, un autre à l’observation de la dynamique des avalanches, avec des mesures de pression et de vitesse. « Nous pouvons ainsi vérifier si le modèle numérique intégrant les lois de comportements établies à échelle intermédiaire rend compte des observations à la fois locale au niveau des

Témoignage Michel Louge,

professeur et chercheur en génie mécanique et aérospatial à Cornell University (New York) © dr

Au sein du thème de recherche Rivage d’Irstea, une des meilleures équipes au monde travaille depuis longtemps sur les milieux granulaires et les avalanches. Les chercheurs qui la composent ont conçu des installations très sophistiquées dans leur laboratoire à Grenoble ainsi qu’au col du lac Blanc. Situé en haute montagne –  ce qui est très rare dans ce domaine de recherche –, ce site exceptionnel est balayé par des vents qui le transforment en une véritable soufflerie naturelle. Les mesures y sont faites avec de la neige réelle qui circule sur un plan incliné. En les interprétant, les chercheurs ont abouti à toute une série de conclusions importantes sur le sujet. Ils ont notamment publié des données fondamentales sur les écoulements denses granulaires de matériaux cohésifs basés sur des simulations numériques. Ils ont aussi montré que les gros grains avaient une certaine ségrégation et montaient vers le haut de l’écoulement. À partir de cette recherche scientifique et théorique, ils développent un éventail d’activités pratiques. Ce sont des experts de la montagne. 

points de mesures et globale à l’échelle du phénomène », com­ mente Mohamed Naaïm. Des fiches de signalisation.

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Pour les autres couloirs d’avalanches recensés, l’analyse de données his­ km/h toriques est précieuse. Deux dispositifs enre­ gistrent ces événements C’est la vitesse que dans onze départements peut atteindre une situés dans les Alpes et coulée de neige. les Pyrénées : la Carte de localisation des phénomènes d’avalanches (CLPA) et l’En­

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quête permanente sur les ava­ lanches (EPA). La première est une carte au 1/25 000 qui repré­ sente les extensions maximales qu’ont pu avoir les avalanches dans un même couloir. Elle est complétée par des fiches signalé­ tiques très précises. En 2011, plus de 800 000 ha, répartis sur plus de 500 communes, ont été cartographiés. Quant à l’EPA, il s’agit d’une chronique d’ava­ lanches commencée dès 1900. Elles sont observées sur 4 000 sites environ relevant de 540 communes. Lorsqu’un nouvel événement se produit, un tech­ nicien de l’ONF est chargé de relever, entre autres, le point de départ, le point d’arrêt et d’esti­ mer le volume de l’avalanche. Aujourd’hui, les données concer­ nant les 80 000 avalanches re­ censées sont accessibles sur le site www.avalanches.fr « Avec ces informations extrêmement riches, par ailleurs uniques au monde, les paramètres de frottement de nos modèles sont calibrés en vue de leur utilisation comme outils d’aide à l’étude d’un site avalancheux, détaille Moha­ med Naaïm. Ils servent notamment à définir l’événement de référence à retenir pour la cartographie du risque. » face aUX risQUes natUrels.

Armé de ces méthodes et de ces outils, Irstea contribue à ré­ pondre de manière objective à la demande sociale croissante, en termes de sécurité vis­à­vis des risques naturels, des communes de montagne. Outre la quantification et la car­ tographie des risques, ces der­ nières sont parfois amenées à construire des ouvrages de pro­ tection. Ainsi, dans la vallée de l’Arve, les outils développés ont été mobilisés pour dimension­ ner l’un des plus grands parava­ lanches d’Europe (voir page suivante).

Le « toboggan à avalanches » irstea est installé à 2 830 m d’altitude. © H. BELLOT/IrSTEA

Une eXPertise scientifiQUe et techniQUe En 1970, une avalanche emporte un chalet à Val-d’Isère, faisant 39 morts. Depuis ce drame, l’idée d’une vision globale de gestion des risques va se développer. Au Centre technique du génie rural, des eaux et forêts (CTGREF), des simulations physiques sont menées à la division Nivologie. Puis le Cemagref (devenu depuis Irstea), les intègre à l’ensemble des phénomènes gravitaires. Des études sont réalisées sur la résistance des ouvrages de protection et prennent en compte la variabilité naturelle des avalanches. Ces travaux interdisciplinaires constituent la base d’une expertise et sont soutenus par la société de recherche Interpraevent qui a également sollicité les compétences de l’équipe Érosion torrentielle, Neige et avalanches pour l’organisation de son colloque biennal prévu à Grenoble du 23 au 26 avril 2012. www.interpraevent.at

Les chercheurs prennent des mesures sur l’écoulement de la neige afin de définir son comportement. © H.BELLOT/IrSTEA)

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Le Taconnaz fait peau neuve

Éric foUrnier,

Maire de ChamonixMont-Blanc

© dr

Sur quels leviers agissez-vous pour limiter le risque en montagne ? Une commune telle que Chamonix est soumise à un grand nombre de risques naturels (avalanches, crues torrentielles, chutes de blocs, glissements de terrain…). Pour faire face à ces phénomènes, qui recèlent une grande part d’incertitude, la commune, responsable de la sécurité des personnes et des biens sur son territoire, intervient à divers niveaux, par la planification, par la protection (réalisation d’ouvrages paravalanches, dispositifs destinés à juguler les crues torrentielles…), et par des mesures de gestion de crise (plan communal de sauvegarde, automate d’alerte…).

irstea a participé aux travaux d’aménagement du plus grand paravalanche d’europe.

L’

aménagement du paravalanche de Taconnaz (Haute­Savoie) est emblématique du modèle de recherche multi­échelle des phéno­ mènes avalancheux appliqué à la gestion communale des risques. Les élus des communes de Chamonix et des Houches, regroupées au sein de la Communauté de communes de la vallée de Chamonix­Mont­Blanc, décident en 1999 de revoir la construction de l’ouvrage, le plus grand d’Europe, alors débordé par une avalanche survenue dans des conditions d’enneigement exception­ nelles. Ils confient la mission à Irstea pour déterminer un nouvel aléa et affiner le système de défense. « Les phénomènes avalancheux sont encore entourés d’une grande part d’inconnues. L’apport scientifique est essentiel pour prendre des décisions », explique Jean­Marc Bonino, le directeur du développement durable des terri­ toires à la commune de Chamonix. L’enjeu pour les deux communes de Haute­Savoie est important puisqu’il s’agit de mieux protéger les équipe­ ments et les quelque cinquante habi­ tations situées en zone de risque. L’équation est à la hauteur des contraintes topographiques : trois points de départ à la base d’un gla­ cier situé à 3 800 mètres d’altitude, un couloir de 7 kilomètres de long et de 400 mètres de large par endroit, une pente moyenne de 30° et une zone d’arrêt étalée sur 1 000 mètres. Pour définir les nouveaux para­ mètres de construction, les équipes Irstea ont procédé à la combinaison

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3 quesTions À

Est-ce suffisant ? Ces dispositifs permettent de limiter le niveau de risque, mais demandent une attention constante pour appréhender au mieux la réalité des phénomènes. À cet égard, l’avis des experts est essentiel à chacun de ces niveaux d’intervention de la commune. Dans le couloir de Taconnaz, la zone d’arrêt des avalanches se situe autour de 1 100 m d’altitude. Le dispositif de protection a été amélioré et équipé d’instruments de mesure. © IrSTEA

des modélisations physique et numé­ rique des avalanches denses et en aérosol. Les résultats ont conduit à des modifications substantielles : l’ajout et le déplacement de plu­ sieurs tas de freinage, la construc­ tion de deux digues supplémentaires d’une hauteur de 15 mètres chacune, l’élargissement de l’emprise pour éviter les débordements latéraux et la multiplication par deux de la capacité de stockage, passant de 800 000 à 1 600 000 m3. La collaboration entre les différents partenaires se poursuit sur un autre chantier. La Communauté de com­ munes a demandé à Irstea de déter­ miner les conditions de mise en œuvre de prévisions d’aléas avalan­ cheux sur 20 couloirs d’avalanches non protégés, ceci dans le cadre du programme européen RiskNat.

Quelle est la place de la recherche dans votre politique de gestion des risques ? La recherche nous est nécessaire pour mieux appréhender les phénomènes naturels, comprendre les conditions de survenance, leur ampleur possible et déterminer les dispositifs requis pour en réduire l’impact. Solliciter les chercheurs aux côtés des acteurs de terrain est alors indispensable pour consolider les informations dont chacun dispose et affiner les instruments destinés à juguler ces phénomènes. Ainsi, cet échange a-t-il pu avoir lieu tant au niveau de l’élaboration de la carte de localisation des phénomènes d’avalanches, du plan de préparation des risques avalanches, que lors de la conception d’ ouvrages tels que le paravalanche de Taconnaz, voire lors de la réflexion préalable à la finalisation de notre Plan communal de sauvegarde.

Irstea, institut national de recherche en sciences et technologies pour l’environnement et l’agriculture Comité éditorial : Direction scientifique, direction de la communication-relations publiques Irstea Rédaction : Thierry Del Jésus/Myriam Détruy Conception graphique et réalisation : A noir,

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