Experimental and numerical studies of the vibroacoustic behavior of soils subjected to turbulent flow in the context of internal erosion in dikes.

Études expérimentales et numériques du comportement vibroacoustique de sols sous écoulement turbulent dans le contexte de l’érosion interne de digues.

Charline Jeanniot (1)

1 INRAE - Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement

Internal erosion is a major cause of failure of hydraulic structures such as embankment dikes and dams. In particular, it is initiated by localized flows, which transport soil particles through the embankment or its foundation. The detection of vibroacoustic emissions from such flows is considered in this work. It is based on the use of sensors to measure the vibroacoustic energy associated with internal sources such as turbulent flows. The Hole Erosion Test is a laboratory test used in geomechanics to characterize the erosion resistance of soils against localized flows. Tests have been carried out with the Hole Erosion Test equipped with accelerometers. The analysis of the measurements shows a strong correlation between the pipe diameter and the power spectral density (PSD) of the measured sound pressure, and with the hydraulic measurements (flow rate and differential pressure). An analytical model is presented. It is based on the resolution of a propagation equation with a characteristic source term of the turbulent boundary layer type. The analytical results are in good agreement with the studied physics. These theoretical and experimental investigations, carried out for turbulent flows without soil erosion, show the possibility to detect and quantify localized flows by vibroacoustic measurement. The consideration of erosion is still an open question.

L’érosion interne est une cause majeure de la rupture des ouvrages hydrauliques tels que les digues de protection et les barrages en remblai. Elle est notamment initiée par des écoulements localisés, qui détachent et transportent les particules de sol à travers le remblai ou sa fondation. La détection des émissions vibroacoustiques de tels écoulements est envisagée dans ce travail. Elle repose sur l’utilisation de capteurs permettant de mesurer l’énergie vibroacoustique associée à des sources internes telles que les écoulements turbulents. Le Hole Erosion Test est un essai de laboratoire utilisé en géomécanique pour caractériser la résistance à l’érosion des sols vis à vis des écoulements localisés. Des essais ont été réalisés avec le Hole Erosion Test équipé d’accéléromètres. L’analyse des mesures montre une forte corrélation entre le diamètre du conduit et la densité spectrale de puissance (PSD) de la pression acoustique mesurée, et avec les mesures hydrauliques (débit et pression différentielle). Un modèle analytique a été développé. Il est fondé sur la résolution d’une équation de propagation avec un terme source caractéristique de type couche limite turbulente. Les résultats analytiques sont en bon accord avec la physique étudiée. Ces investigations théoriques et expérimentales, réalisées pour des écoulements turbulents sans érosion du sol, montrent la possibilité de détecter et de quantifier des écoulements localisés par mesure vibroacoustique. La prise en compte de l’érosion reste encore une question ouverte.

Mots clés: Turbulent flow; Vibroacoustics; Experimental; Numerical; Internal Erosion; Soils; Dikes.

Mots clés: Écoulement turbulent; Vibroacoustique; Expérimental; Numérique; Érosion interne; Sols; Digues.

Domaines: Mécanique des fluides [physics.class-ph]; Acoustique [physics.class-ph]; Vibrations [physics.class-ph]; Construction hydraulique

Charline Jeanniot. Études expérimentales et numériques du comportement vibroacoustique de sols sous écoulement turbulent dans le contexte de l’érosion interne de digues.. Mécanique des fluides [physics.class-ph]. AMU - Aix Marseille Université, 2020. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-03108168⟩