Tsunami wave interaction with a coastal structure. Focus on the Tohoku tsunami case and the flip-through impact
Interaction entre tsunamis et structures côtières. Étude du cas du tsunami de Tohoku et l'impact du type flip-through.
Résumé
During the Tohoku tsunami in 2011, field surveys of the east coast of Japan showed the weakness of coastal defences, as even the world largest tsunami breakwater (Kamaishi) almost completely collapsed due to this event. In this PhD, the aim is to investigate the interaction between breakwaters, the most common offshore coastal structures protecting urban areas and harbour entries, and waves and especially tsunami waves.
In the first part of the work, the generation of undular bores in near-shore area of Sendai during the Tohoku event is numerically investigated with the numerical model BOSZ (Boussinesq-type model). It is shown that the second wave which stroke the coast during this event transformed into an undular bore, whereas the first wave did not due to steepness differences. Tsunami loads, moments and bearing stress applied on the offshore breakwater of the Soma Port are calculated using two models: BOSZ and THETIS (Navier-Stokes VOF model). BOSZ results are compared to THETIS for the tsunami wave-breakwater interaction. The impact study is carried out at a relatively large scale aiming to have a first estimation of tsunami efforts.
Then, a numerical experiment using THETIS is carried out to investigate flip-through impacts on vertical breakwaters. This non-aerated wave impact is considered as the most severe type of impact in the literature (e.g. Cooker & Peregrine (1992), Hofland et al. (2011)) in terms of maximum pressure generated. The influence of the front interface on the impact dynamics and the pressure induced is analysed in a realistic breakwater configuration. Solitary waves are used to obtain three characteristic flip-through impacts involving least steep, medium steep and steepest wave front. The flow field and pressure inside the porous rubble mound are then investigated as well as horizontal and uplift forces applied on the breakwater caisson.
The last part of this study is devoted to the stability of breakwater caissons submitted to flip-through impacts. The latter are here assimilated to water wedges (e.g. Cumberbatch (1960), Kihara et al. (2015)). This simple approach allows to formulate a semi-analytical model to predict caisson motion due to this type of impacts. After validation with numerical results, the water wedge method gives rich informations about forces, motion duration and sliding distance depending on the wave impact characteristics and breakwater caisson dimensions.
Lors du tsunami de Tohoku en 2011, des relevés de terrain sur les côtes japonaises ont montré la fragilité des structures côtières, où le plus grand brise-lames du monde (brise-lames de Kamaishi) a été fortement endommagé dû à cet événement. Dans ce doctorat, l'objectif est d'étudier l'interaction entre les brise-lames , les structures côtières les plus communes protégeant les zones urbaines et les entrées des ports, et les vagues, en particulier les tsunamis.
Dans la première partie de ce travail, la transformation du tsunami en bore ondulaire dans les zones côtières est étudiée numériquement avec le code de calcul BOSZ (modèle Boussinesq). Les résultats montrent que la deuxième vague générée par le tsunami du Tohoku s'est transformée en un bore ondulaire. En revanche, la première vague n'était pas assez cambrée pour permettre une telle transformation. Les forces et les moments dus aux vagues ainsi que la contrainte normale appliquée par le talon du caisson sur le sol de fondation sont calculés à l'aide de deux modèles numériques différents: BOSZ et THETIS (modèle Navier-Stokes). Les résultats de BOSZ sont comparés avec THETIS pour l'interaction tsunami-structure. L'étude d'impact est réalisée à relativement grande échelle dans le but d'obtenir une première estimation des efforts d'un tsunami.
Par la suite, une expérience numérique utilisant le modèle THETIS a été réalisée pour étudier les impacts du type flip-through sur des brise-lames. Ces impacts de vagues sans air emprisonné sont considérés comme le type d'impact le plus extrême dans la littérature (e.g. Cooker & Peregrine (1992), Hofland et al. (2011)). L'influence de l'inclinaison de l'interface sur la dynamique d'impact et les pressions générées est analysée dans une configuration de brise-lames réelle. Le modèle d'onde solitaire est utilisé pour générer trois impacts du type flip-through caractéristiques: peu cambré, moyen et très cambré. Le champ de vitesses et la pression à l'intérieur de la fondation sont également étudiés dans cette partie. Les forces horizontales et verticales appliquées sur le caisson sont estimées en intégrant les distributions de pression données par THETIS.
La dernière partie de ces travaux montre la stabilité des caissons de brise-lames soumis à des impacts du type flip-through, qui sont ici assimilés à un jet triangulaire (e.g. Cumberbatch (1960), Kihara et al. (2015)). Cette approche simple permet de formuler un modèle semi-analytique pour prédire le mouvement des caissons dû à ce type d'impacts. Après validation avec des simulations numériques, la méthode du jet triangulaire permet d'obtenir des informations sur les forces, la durée du mouvement et le déplacement total en fonction des caractéristiques de la vague impactée et des dimensions du caisson du brise-lames.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)