Brevet FR2576337A1 — publié le 19860725

On sait que de très nombreux secteurs d'activités re- levent de l'industrie de la mer, tireraient un grand bén6fice de l'existence d'un dispositif atténuateur de houle qui serait de construction peu coûteuse, ne nécessitant qu'un minimum d'entretien, résistant aux intempéries, n'entravant pas la navigation des bateaux de faible tonnage, et ne nuisant pas à l'esthétique d'un site. Parmi des applications possibles d'un tel dispositif, on peut citer, à titre d'exemples non limitatifs: - la réduction du clapotis dans les ports et les abris naturels, - la protection des digues susceptibles de donner des signes de fatigue, - la protection des installations off-shore (platefor- mes de tous types, réservoirs de stockage immergés, etc...), l'amélioration de la sécurité des opérations en mer (déhalage de structures, assemblage d'éléments préfabriqués, récupération des nappes d'hydrocarbure, etc...), et même éven- tuellement, - la récupération de l'énergie des vagues et de la houle. On a déjà propose un grand nombre de dispositifs tendant à produire des effets de ce genre. On trouve notamment une revue pratiquement exhaustive des études sur ce sujet dans le Rapport R 727 édité en mai 1971 par le Département de la Marine des Etats-Unis d'Amérique. Toutefois, les dispositifs proposes jusqu'à ce jour font appel à des éléments matériels faisant généralement inter- venir des effets d'amortissement d'origine visqueuse alors que, la houle étant un phénomène de type oscillatoire périodique, il aurait semblé plus prometteur d'exploiter, pour en viser l'atté- nuation, les moyens résultant des calculs mathématiques classi- ques dans ces phénomènes ondulatoires. Or, tel n'est pas le cas, et l'invention vise précisément un type complètement nou- veau de dispositifs, conçus à partir de la notion d'un phénomè- ne qui sera identifié sous le nom de "mur d'eau oscillant", et dont la création, reposant sur des calculs théoriques de phéno- mènes ondulatoires de ce genre, permet d'obtenir dans la pra- tique les résultats recherchés au moyen d'éléments matériels à la fois simples, peu coûteux et peu importants. 2 2576337 Pour faciliter la compréhension de l'invention, on va d'abord exposer rapidement ci-après les bases théoriques sur lesquelles elle repose. Description du phénomène du mur d'e.au oscillant: On peut considérer deux cas possibles, selon la pro- fondeur de l'eau au point d'installation: ler cas: la profondeur de l'eau est faible vis-àvis de la longueur d'onde de la houle incidente. Si l'on considère dans ce cas un caisson en forme de pa- rallglépipàde, de longueur L et de hauteur h, posé sur le fond de la mer, orienté perpendiculairement à la houle incidente le système d'ondes lointaines est constitué de l'onde incidente ii de l'onde réfléchie O et de l'onde diffractée par ledit caisson D' C'est ce qui est illustré par la figure 1 du dessin annexé. Si l'on suppose maintenant qu'un dispositif mécanique quelconque, tel qu'un vérin hydraulique (1) par exemple, entraine ledit caisson dans un mouvement de translation alternatif hori- iwt zontal, d'équation X(t) - Aeiwt, au système d'ondes précédent, va se superposer alors un système de deux ondes de radiation fr et Jr, se propageant de part et d'autre du caisson. C'est ce qui est illustré à la figure 2 du dessin annexé. Il est clair alors qu'en réglant convenablement l'am- plitude A du mouvement du vérin (1), on pourra toujours faire en sorte que Or ait la même amplitude que 4D9 tandis queen réglant la phase du mouvement alternatif du vérin, on pourra toujours amener rà être en opposition de phase avec iD, moment auquel les ondes r et iD se détruiront mutuellement pour réa- liser alors un atténuateur de houle idéal. Si l'on écrit sur le plan mathématique les équations de NEWTON qui régissent les mouvements d'un solide sous l'action des forces d'inertie, des forces hydrodynamiques et des effets de liaison, on constate qu'il existe toujours au moins une pério- de de houle pour laquelle le dispositif conserve ses qualités d'atténuateur idéal lorsque l'on remplace le vérin (1) par un simple ressort de raideur K. Dans ce cas, on observe alors sur l'avant du caisson un phénomène de clapotis pur. C'est ce qui est illustré par la figure 3. Par ailleurs, encore, il est possible de donner à la maase du caisson une valeur M pour laquelle le coefficient K devient nul. A ce moment on a réalisé un atténuateur de houle ideal, avec caisson, mais sans qu'il soit nécessaire d'actionner ce caisson d'aucune manière. Enfin, pour le caisson, si la hauteur h est fixée, il existe une largeur L pour laquelle-la masse M en question est égale à la masse du volume d'eau déplacée. A ce moment, le caisson est équivalent à une simple enveloppe remplie d'eau, et qui n'est soumise qu'à des efforts verticaux. Dans ces conditions, il n'y a aucun inconvénient à supprimer les parois latérales du caisson, de sorte que l'on réalise ainsi un attgnuateur de houle ideal, en remplaçant le caisson par une dalle horizontale de faible épaisseur e, à flottabilité légèrement positive, et amar- rée à des cables tendus 2,2'. En d'autres termes, et en théorie, il est donc-possi- ble de concevoir un atténuateur de houle "ideal", c'est-à-dire annulant complètement une houle incidente, au moyen d'une simple dalle unique de dimensions convenables, et immergée à la pro- fondeur convenable, de manière à ce que la tranche d'eau défi- nie sous cette dalle oscilie-alors horizontalement avec-l'am- plitude et la phase voulues pour que soit réalisée cette atté- nuation. C'est ce que l'on a appelé le phénomène du mur d'eau oscillant, et qui est illustré par la figure 4. Dans la pratique, il est 5vident que le nombre et la grandeur des paramPtres qui interviennent en fait sont tels qu'on ne peut que rechercher un rendement d'atténuation maximal, c'est-a-dire optimal, dans des conditions données, un tel rende- ment étant donné par la formule énergie transmise R - _ énergie incidente. On a ainsi pu constater que par exemple pour une dalle de longueur L = 12m et d'une épaisseur de e=0,24 m, immergée à 1,5 m de la surface libre par Il m de fond, le rendement R, en pourcentage, varie en fonction de la période de la houle, sui- vant une courbe représentée sur la figure 5. Il apparaît donc que, dans ce premier cas, ce rendement est excellent sur une large plage de fréquences. 2ème cas la profondeur d'eau est grande vis-à-vis de la longueur d'onde de la houle incidente. Pour obtenir des configurations réalistes du point de 4 2576337 vue technologique, dans ce cas le phénomène du "mur d'eau" sera déclenché en réalisant un caisson fictif ayant pour hauteur h la distance qui sépare le plafond d'une dalle supérieure P1 du plancher d'une dalle inférieure P2. C'est ce qu'illustre la figure 6. De la même manière que dans le premier cas, on a pu évaluer les rendements en fonction de la période de la houle, pour un dispositif se composant de deux dalles superposées de 12m de long et 0,24 m d'épaisseur, immergées par 20 m de fond, l'une à 14 m du fond, et l'autre à 18m du fond, c'est-à-dire séparées de 4m en hauteur l'une de l'autre. On obtient alors la courbe représentge sur la figure 7, qui fait apparaître également un rendement très satisfaisant dans un intervalle raisonnable de fréquences. Bien entendu, il est à la fois possible et souhaitable d'associer les dispositifs des deux types, soit en série, c'est-à-dire l'un apres l'autre sur le trajet de la houle, soit en parallèle, c'est-à-dire superposes l'un à l'autre. C'est ce qui est illustré respectivement sur les figures 8 et 9: Sur la figure 8, l'atténuateur des houles longues est place en premier, et est constitue de deux dalles 3,3', tandis que l'atténuateur des houles courtes, constitué de deux dalles - 4,4', est placé ensuite et à une profondeur inférieure au premier. Au contraire, sur la figure 9, on utilise seulement trois dalles superposées, à savoir 3,3',4', qui exercent alors leur action en parallèle. Si l'on se réflre maintenant au plan des réalisations concrètes, cellesci peuvent prendre des formes très variées selon: - la profondeur de l'eau - l'importance du marnage - la nature du sol - les caractéristiques des houles incidentes - les performances exigées pour l'attgnuateur de houle. Le nombre de paramètres à prendre en considération pour définir l'atténuateur le mieux adapté à un site donné est donc trâs important. Cette circonstance n'est pas très pénali- sante dans le cadre de l'invention, puisque le phénomène du mur 2576337 d'eau oscillant est donc un phénomène de nature ondulatoire que l'on peut aisément appréhender par le calcul, quelle que soit la complexité du dispositif adopté, et cela au contraire des atténuateurs de houle antérieurs mettant à profit les effets d'amortissement d'origine visqueuse. On peut donc concevoir un avant-projet complet à partir de modèles mathématiques déjà existants (optimisation du fonctionnement hydrodynamique, calcul des structures, efforts transmis aux ancrages, etc...). Le recours à des essais expérimentaux sur modèles réduits n'est alors nécessaire que pour confirmer la validité des prévisions théoriques avant concrétisation du projet. A titre d'exemple, on a schématisé sur la figure 10 une configuration envisageable dans un cas particulièrement défavorable o: - le marnage est important - la profondeur d'eau est importante - les états de la mer peuvent être très sévères et - la nature du sol ne permet pas de reprendre des efforts d'ancrage importants. Dans le cas représenté, qui est comparable à celui de la figure 8, les deux dispositifs atténuateurs successifs se composent des quatre dalles suivantes: P1: dalles maitresse destinée à réduire les efforts dynamiques transmis aux ancrages supportées par des P2: dalles atténuant les houles dérouleurs 5 longues, dont l'immersion est variable PA :double dalle atténuant les houles courtes P 4 dont l'immersion est variable, suppor- tées par des dérouleurs 5'. Les dérouleurs de cables 5 et 5', qui permettent d'opti- miser l'immersion de la dalle P2 et de la double dalle (P3,P4) n'ont à développer que des puissances très faibles si l'on tient compte du fait que l'évolution des états de mer est toujours très lente. La commande de ces dérouleurs peut être plus ou moins sophistiquée selon que l'on cherche une optimisation en fonction du marnage seul ou de l'état de la mer en plus. Dans le premier 6 2 7633? cas la commande est pilotée par un simple capteur de pression tandis que dans le deuxième cas la commande devra nécessairement être pilotée par un microprocesseur. D'ailleurs, la commande des dérouleurs peut encore être asservie en temps réel de manière à mettre à profit les mouvements de pilonnement et de tangage de la dalle P2-ou de la double dalle P3,P4 pour absorber en-tout ou en partie l'énergie des vagues incidentes; soit pour récupérer cette énergie, soit seulement pour fournir l'énergie nécessaire au fonctionnement des dérouleurs. L'exemple précédent n'est naturellement donné qu'à titre illustratif, et sans aucun caractère limitatif, l'inven- tion couvrant toutes les associations et combinaisons des pou- tres créatrices de "murs d'eau oscillants", ayant pour effet de réduire les conséquences d'un phénomène de houle, et cela notam- ment, mais non exclusivement, dans les applications énumérées au début. Ainsi, les figures 11 à 13 illustrent une réalisation pratique de l'invention, dans son application à la protection d'une digue en mauvais état. Sur la figure 11- on a représenté schématiquement la digue à protéger, désign6e par la référence D, ainsi que les. lignes isobathes à 5,10,20,30,35 et 40m, et la direction H de la - houle dominante. Selon l'invention, la protection de cette digue est obtenue au moyen d'une dalle P de 12m de largeur et 1,2 m d'épais- seur, orientés perpendiculairement à la direction H et immergée par 3m au-dessus du fond de 35m, comme représenté à la figure 12. La dalle est à flottabilité fortement positive, construite en matériau rigide et léger recouvert d'une peau de 10 mm d'épais- seur. ELle est maintenue par des calbes C fixés à 1 m de chaque bord de la dalle et ammarrgs au fond par des massifs situés à 8m de part et d'autre de l'axe longitudinal de la dalle. Ces cables ont une raideur de 10.000 tonnes par mètre pour un espacement des cables de 10m dans la direction parallèle au pont de hou- le. Le rendement obtenu par ce système est représenté par la courbe de la figure 13 et peut être considéré comme tout à fait satisfaisant, à savoir compris entre 80 et 100% pour des périodes de houle allant de 4,5 à 7 secondes. 7 2576337 On peut donc considérer que la digue D est protégée efficacement contre les effets de la houle dans les circons- tances les plus usuelles, grâce au dispositif selon l'invention, dont la simplicité est manifeste. 8 2576337 REVENDICATIONS 1. Procèdé pour provoquer l'atténuation des effets de la houle en vue de la protection d'ouvrages ou d'installations c6tiores ou off-shore, procédé caractéris6 en ce qu'il consiste à crier, à partir de la houle incidente, un phénomène de nature ondulatoire qui se matérialise sous la forme d'un "mur d'eau oscillant" en génèrant un système d'ondes de radiations dont la composition avec l'onde diffractée présente en aval dudit "mur d'eau oscillant", donne une résultante nulle ou de faible amplitude.- 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit phénomène de nature ondulatoire est créé par un cais- son parallglipipédique, disposé à une certaine profondeur per- pendiculairement à la houle incidente et possédant une masse telle qu'il entre en oscillation avec une amplitude et une phase provoquant l'annulation ou la réduction considérable de l'onde diffractee, présente à l'aval dudit caisson, et ce pour une large plage de périodes de la houle incidente. 3. Procédé selon la revendication 1 et 2 caractérisé en ce que ledit caisson est constitué d'une simple enveloppe rem- plie de l'eau du milieu, et dont les dimensions sont telles que ladite masse du caisson soit égale à la masse du volume d'eau déplacé et que ladite enveloppe n'est soumise qu'à des efforts verticaux. 4. Procédé selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite oscillation est celle en masse de toute la co- lonne d'eau renfermée au sein-de ladite enveloppe et en ce que cette dernière ne possède pas de parois latérales de sorte que ledit phénomène de nature ondulatoire soit celui d'un "mur d'eau oscillant". 5. Procédé selon les revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit "mur d'eau oscillant" est obtenu par immersion d'au moins une dalle d'épaisseur faible par rapport à ses autres di- mensions, à une distance du fond telle que la masse d'eau situ6e entre ladite plaque et le fond est égale à ladite masse du cais- son et que ladite dalle n'est soumise qu'à des efforts verticaux. 6. Dispositif d'atténuation de la houle en un site donne en vue, notamment, de le protéger, mettant en oeuvre le procédé suivant les revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, la 9 2576337 profondeur d'eau étant faible vis à vis de la longueur d'onde de la houle incidente, il comporte une dalle horizontale de faible épaisseur immergée à une certaine profondeur et en ce que ladite dalle est fixée sur supports rigides ou est dotée d'une flottabilité légèrement positive et amarrée à l'aide de cables tendus de sorte que ledit "mur d'eau oscillant" est constitué par la colonne d'eau comprise entre ladite dalle et le fond. 7. Dispositif d'atténuation de la houle en un site donné en vue, notamment, de le protéger, mettant en oeuvre le procédé suivant les revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, la profondeur d'eau étant grande vis à vis de la longueur d'onde de la houle incidente, ledit "mur d'eau oscillant" est créé en- tre deux dalles superposées immergées à des profondeurs diff,- rentes et maintenues aux dites profondeurs. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que, en vue d'élargir la plage des fréquences pour lesquelles le procédé est efficace, on associe plusieurs tels "murs d'eau oscillants", soit en série, soit en parallèle. 9. Dispositif, selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend deux ou plusieurs dalles immergées superposées et situées à des distances verticales les unes des autres, telles que les masses d'eau-situées entre elles oscillent suivant le phénomène du "mur dteau oscillant". 10. Dispositif, selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend deux ou plusieurs dalles distantes horizontalement les unes des autres et immergées à des profondeurs telles que les masses d'eau situées entre ces dalles et le fond oscillent suivant le phénomène du "mur d'eau oscillant". 11. Dispositif, selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend deux ou plusieurs arrangements de dalles immergées disposées à des intervalles horizontaux tels et en ce que lesdits arrangements comportent chacun deux ou plusieurs dalles superposées situées à des distances verticales tellesles unes des autres, que les masses d'eau situées entre elles oscillent suivant le phénomène du "mur d'eau oscillant". 12. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon - 2576337 les revendications 1 à 5, étant caractérisé en ce qu'il consiste en au moins une dalle de faible épaisseur par rapport à ses autres dimensions et immergée au dessus du fond à une hauteur réglable. 13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que le réglage de l'immersion d'une au moins des dalles est effectué, de manière optimale en fonction des caractéristiques du site (profondeur, marnage) et des caractéristiques de la houle incidente (période et amplitude) à l'aide respectivement de capteurs de pression ou de microprocesseurs.