Transport de sédiments par charriage ou lave torrentielle granulaire : conditions d'occurrence et transition en torrents de montagne // Transitioning from bedload sediment transport to granular debris flows in steep streams

En montagne, dans les bassins versants torrentiels, il n'est pas rare que les lits des ravines supérieures soient plus ou moins brusquement remplis de dépôts de matériaux non consolidés suite par exemple à des glissements ou écroulements.
Compte tenu de la forte pente de ces ravines, souvent proche de l'angle de repos des matériaux, la question se pose si ces dépôts sont susceptibles d'être mobilisés progressivement par la succession des précipitations sous forme d'écoulements biphasiques de charriage ou si un départ en masse sous forme de lave torrentielle granulaire est possible. Ce dernier cas est bien entendu potentiellement plus dangereux du point de vue de la sécurité publique.
Dans le cadre d'une approche granulaire du transport solide (Frey and Church 2009), une étude théorique sur la structure verticale des écoulements granulaires/fluides et des mécanismes d'entrainement a été proposée par Maurin et al. (2018) aboutissant à un critère de déclenchement d'une lave torrentielle granulaire.
La théorie met en évidence trois contributions pouvant aboutir à la déstabilisation du lit granulaire : la première, constante sur la profondeur, est similaire à l'effet de la pente agissant sur un dépôt de matériaux sec avec néanmoins prise en compte de la poussée d'Archimède. La deuxième contribution concerne l'effet de la contrainte fluide sur l'entrainement du lit granulaire, similaire au charriage. La troisième contribution parfois négligée à tort correspond à l'effet de la pente sur l'écoulement à l'intérieur du massif. Cette dernière contribution est cruciale et nécessite d'être considérée avec soin au regard des enjeux
Cette théorie a permis de proposer un critère de pente dont le dépassement implique l'entrainement en masse assimilable au déclenchement d'une lave torrentielle granulaire. Ce critère dépend principalement de l'angle de frottement intergranulaire, de la densité des grains et de la fraction solide du lit.
Cependant cette théorie et ce critère n'ont à ce jour pas véritablement été validés expérimentalement.
L'objectif de ce projet doctoral est donc de valider expérimentalement cette théorie et ce critère de déclenchement de lave torrentielle granulaire.
Travaux prévus :
Le cœur du doctorat consistera en une campagne expérimentale, balayant diverses variables, prévue dans le canal particulaire à INRAE, IGE (ex Irstea, ETNA) sur le campus universitaire de Grenoble (Fig.1 en pdf).
https://www.ige-grenoble.fr/LE-CANAL-PARTICULAIRE-UN-OUTIL-D-ETUDE-DU-CHARRIAGE-A-FORTE-PENTE
L'effet de la pente sera particulièrement investigué. L'effet de la densité sera aussi testé par l'emploi de divers matériaux, billes de verre, PMMA, POM, etc (Figs 2 et 3 en pdf).
Selon le profil du candidat, il est envisagé de compléter les résultats expérimentaux par des simulations à l'aide d'un modèle aux éléments discrets couplé existant (Maurin et al. 2015). Les résultats expérimentaux et les simulations serviront à raffiner la théorie.

Profil du candidat : mécanique des fluides ou sciences de la Terre ou physique des milieux granulaires, avec un fort intérêt pour la recherche expérimentale.
Exigences: un excellent niveau académique (obligatoire pour le concours doctoral), et une première expérience confirmée en programmation (matlab, python, C++, ...).
Préférable : notions d'hydraulique à surface libre et de transport sédimentaire voire de rhéologie des milieux granulaires, très bon niveau d'anglais.
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In mountain stream watersheds, it sometimes happens for the beds of upstream gullies to be suddenly filled with deposits of unconsolidated material, following landslides or collapses, for example.
Given the steep slope of these gullies, often close to the angle of repose of the material, the question arises as to whether these deposits are likely to be progressively mobilized by successive rainfall events in the form of two-phase bedload flows, or whether an en masse failure in the form of a granular debris flow is possible. The latter is of course potentially more dangerous in terms of public safety.
Applying a granular physics approach to sediment transport (Frey and Church 2009), a theoretical study of the vertical structure of granular/fluid flows and entrainment mechanisms has been proposed by Maurin et al. (2018), leading to a criterion for triggering a granular debris flow.
The theory highlights three contributions that can lead to the destabilization of the granular bed. The first, which is constant over depth, is similar to the effect of slope on a dry granular flow, provided buoyancy is taken into account. The second contribution deals with the fluid stress on the entrainment of the granular bed, similar to bedload. The third contribution, sometimes overlooked, is the effect of slope on the flow within the bed. This last contribution is crucial and needs to be considered carefully.
This theory has made it possible to propose a slope criterion, above which en masse flow occurs, comparable to the triggering of a granular debris flow. This criterion depends mainly on the intergranular friction angle, grain density and solid fraction of the bed.
However, this theory has not yet been validated experimentally.
The aim of this doctoral project is therefore to experimentally validate this theory and criterion for triggering granular debris flows.
Methods:
The core of the Ph.D. will be an experimental campaign addressing a range of variables, carried out in the narrow particulate flume at INRAE, IGE (ex Irstea, ETNA) on the Grenoble university campus (Fig.1 in pdf).
https://www.ige-grenoble.fr/LE-CANAL-PARTICULAIRE-UN-OUTIL-D-ETUDE-DU-CHARRIAGE-A-FORTE-PENTE
In particular, the effect of the slope will be investigated. The effect of density will also be tested using various materials, glass beads, PMMA, POM, etc.(Figs 2 et 3 in pdf).
Depending on the candidate's profile, it is envisaged to complement the experimental results with numerical simulations using an existing coupled discrete element model (Maurin et al. 2015). Experimental results and simulations will be used to refine the theory.

Candidate profile: fluid mechanics or Earth science or granular physics, with a strong interest in experimental research.
Required: an excellent academic level (mandatory for the 'concours doctoral'), and a proven first experience in programming ( matlab, python, C++, …).
Preferred: notions of free surface hydraulics and sediment transport, ideally also maybe rheology of granular media, very good level of English.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Concours pour un contrat doctoral

Université Grenoble Alpes

105 STEP - Sciences de la Terre de l'Environnement et des Planètes

Profil du candidat : mécanique des fluides ou sciences de la Terre ou physique des milieux granulaires, avec un fort intérêt pour la recherche expérimentale. Exigences : un excellent niveau académique (obligatoire pour le concours doctoral), et une première expérience confirmée en programmation (matlab, python, C++, ...). Préférable : notions d'hydraulique à surface libre et de transport sédimentaire, très bon niveau d'anglais.
Candidate profile: fluid mechanics or Earth science or granular physics, with a strong interest in experimental research. Required : an excellent academic level (mandatory for the 'concours doctoral'), and a proven programming first experience ( matlab, python, C++, …). Preferred: notions of free surface hydraulics and sediment transport, very good level of English