Évaluation du coefficient de ruissellement des matériaux granulaires par simulations discrètes

Ecole d'ingénieur du réseau INSA.

Contexte :

Le coefficient de ruissellement est un paramètre qui mesure la proportion des précipitations qui s'écoule à la surface d'une zone, comparée à la quantité d'eau infiltrée. Il est défini comme le rapport entre le volume d'eau qui ruisselle et le volume total d'eau précipitée sur une surface donnée. Il s’agit d’un outil essentiel pour la gestion hydrologique et environnementale, influençant directement la conception des infrastructures, la gestion des inondations et la protection des ressources naturelles. Sa valeur peut dépendre de divers facteurs tels que la nature de la surface (perméabilité, rugosité…) et sa géométrie (uniformité, pente…).

Dans le cas des chaussées perméables, un faible coefficient est souhaitable pour éviter l’imperméabilisation des sols urbains, tandis que pour un talus, un faible niveau d’infiltration contribue à sa stabilité. Son évaluation est généralement empirique, dépendant de divers paramètres comme la perméabilité du matériau, l'état de surface, la pente, etc. Une évaluation rapide et précise est essentielle pour prévenir les risques d'inondation, d'érosion et de pollution des eaux.

L'objectif principal de ce Projet de Fin d’Études/Master est de proposer une approche rapide et robuste pour prédire le coefficient de ruissellement en fonction des propriétés des matériaux (texture, porosité, rugosité, etc.) et des conditions hydrauliques (intensité de la pluie, pente du terrain, niveau de saturation du matériau, etc.). Cette approche permettra d'étudier l'impact des techniques d'aménagement (revêtements de chaussées, techniques d'assainissement, etc.) sur le ruissellement et la gestion des eaux pluviales.

Étapes du travail :

1) Analyse de documents pour recenser les méthodes expérimentales et théoriques existantes sur le coefficient de ruissellement dans différents domaines (géotechnique, hydraulique, chaussées, etc.).

2) Analyse des résultats issus d’essais de ruissellement en laboratoire (expériences menées à l’ESTP Paris) avec des matériaux modèles pour mettre en évidence les paramètres les plus pertinents.

3) Développement d’un modèle numérique en éléments discrets (DEM) afin de prédire le coefficient de ruissellement. Cette méthode permettra de représenter individuellement les particules constitutives des matériaux, permettant ainsi une caractérisation précise des milieux granulaires et une modélisation de la précipitation et de l'écoulement des gouttes d’eau et de l’eau de ruissellement.

Voici un aperçu de la modélisation d’un écoulement de particules par la méthode des éléments discrets :  https://www.youtube.com/watch?v=eQuWBVLPXcU.

Ce travail ouvrira la voie à une étude plus approfondie combinant les méthodes de la dynamique des fluides numériques (CFD) et DEM pour analyser les phénomènes de ruissellement et d'infiltration (thèse de doctorat, 36 mois), y compris leur évolution (lié au colmatage du matériau, par exemple). Les résultats contribueront à une meilleure compréhension de ces processus et fourniront des outils pour la conception et la gestion durables des infrastructures routières, des aménagements urbains et des zones géotechniques.

Etudiant niveau M2 en génie civil ou mécanique