Brevet FR2590628A1 — publié le 19870529

i 2590628 On sait que de très nombreux secteurs d'activités relevant de l'industrie de la mer, tireraient un grand bénéfice 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 respectant l'esthétique d'un site, et l'intégrité du milieu marin. Parmi les 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 création de ports artificiels et la protection des installations portuaires déjà existantes, et susceptibles de donner des signes de fatigue, - la création et la protection d'installations off-shore (plateformes de tous types, digues, brise-lames et 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 éventuellement, - la récupération de l'énergie des vagues et de la houle. On a déjà proposé un grand nombre de dispositifs tendant à produire des effets de ce genre. On trouve notamment une revue pratiquement exhaustive des études déjà menées 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 proposés jusqu'à ce jour font appel à des éléments matériels faisant généralement intervenir des obstacles verticaux ou des effets d'amortissement d'origine visqueuse. Or, la houle étant un phénomène ondulatoire, il aurait semblé plus prometteur d'exploiter, pour en viser l'atténuation, des moyens résultant des calculs mathématiques classiques intervenant dans ces phénomènes ondulatoires. Une première tentative a été faite dans cette direction, et a fait l'objet d'un premier brevet de la Déposante, visant précisément un type complètement nouveau de procédé, conçus à partir de la notion d'un phénomène identifié sous le nom de "mur d'eau oscillant", et dont la création, reposant sur des calculs théoriques de phénomènes ondulatoires de ce genre, permettait 2 2590628 déjà d'obtenir dans la pratique les résultats recherchés au moyen d'éléments matériels incontestablement simples, peu coûteux et peu importants. A cet effet, ce procédé antérieur consistait à créer, à partir de la houle incidente, un phénomène également de nature ondulatoire, se matérialisant sous la forme d'un "mur d'eau oscillant", générant un système d'ondes de radiations dont la composition avec l'onde diffractée présente en aval dudit "mur d'eau oscillant", donnait une résultante nulle ou de faible amplitude. Sur le plan pratique, les moyens proposés pour la mise en oeuvre de ce procédé consistaient en un caisson parallélépipédique, disposé à une certaine profondeur perpendiculairement 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 diffractée, présente à l'aval dudit caisson, et ce pour une large plage de périodes de la houle incidente, ce caisson pouvant être constitué d'une simple enveloppe remplie 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, et, à la limite, ne même pas posséder de parois latérales, de sorte qu'en définitive ledit "mur d'eau oscillant" est obtenu par immersion d'au moins une dalle d'épaisseur faible par rapport à ses autres dimensions, à une distance du fond telle que la masse d'eau située entre ladite plaque et le fond est égale à ladite masse du caisson et que ladite dalle n'est soumise qu'à des efforts verticaux. L'inconvénient de cette solution contenu dans son principe même est de ne pas réellement atténuer le phénomène de houle en aval du dispositif, mais seulement de le composer avec un phénomène se produisant également en aval dudit dispositif, de telle sorte que l'obtention d'une résultante nulle ou de faible amplitude était subordonnée à certains facteurs qui, s'ils n'étaient pas respectés, risquaient de rendre le dispositif inopérant. La présente invention vise à surmonter cet inconvénient grâce à un procédé dans lequel les effets d'atténuation de la houle sont créés non plus en aval mais en amont des moyens mis en oeuvre, de sorte que, l'onde de houle transmise en aval est de 3 2590628 toutes façon d'amplitude réduite. En d'autres termes, au lieu d'un "mur d'eau oscillant" créant en aval du dispositif une onde de radiations se composant avec l'onde diffractée pour donner une résultante atténuée ou nulle, le procédé selon l'invention fait appel à un "mur d'eau fixe", créant, en amont du dispositif, une onde réfléchie se composant avec l'onde incidente pour donner une résultante en aval atténuée ou nulle. A cet effet, le procédé selon l'invention consiste à immerger dans la houle incidente une plaque maintenue fixe, et dont les bords amont et aval sont retournés perpendiculairement jusqu'à une cote positive au- dessus de la surface libre de sorte que la houle incidente ne puisse se propager librement au-dessus de la plaque, de sorte que la masse d'eau emprisonnée sous la plaque ne peut avoir que des déplacements horizontaux, et qu'elle se comporte globalement comme un obstacle inertiel vis-à-vis de la houle incidente, celle-ci étant réfléchie sur ce "mur d'eau fixe" et ce d'autant mieux que son énergie (ou période) est plus faible. Sur le plan pratique, le bord amont relevé perpendiculairement à la plaque immergée est arasé à une cote franchissable par les houles moyennes et fortes du site concerné et le bord aval, relevé perpendiculairement à la plaque immergée est percé d'orifices régulièrement espacés, de sorte que lorsque une houle moyenne ou forte franchit le bord amont, elle perd une part non négligeable de son énergie en retombant sur le matelas amortisseur constitué par l'eau emprisonnée dans le volume compris entre la plaque inférieure et les bords amont et aval, tandis que la surhauteur d'eau engendrée momentanément dans ce volume est évacuée par lesdits orifices ménagés dans le bord aval. Selon une variante de réalisation, ledit bord amont est doté d'un contour en forme de bulbe jusqu'à sa cote d'arase, de manière à limiter les chocs et les efforts horizontaux correspondants à des valeurs inférieures à celles qui seraient générées sur un bord à surface plane perpendiculaire au plan de propagation de la houle incidente. Selon une autre variante de réalisation, ledit bord amont est constitué par une partie fixe arasée à une cote légèrement positive et surmontée par un dispositif mécanique qui déploie une 4 2590628 hausse mobile à l'aide d'un vérin hydraulique ou d'une capacité à air comprimé, de sorte que la hauteur du bord amont, au-dessus de la surface libre de l'eau, puisse être réglée à différents niveaux en fonction de l'amplitude de la houle incidente ou en fonction de la hauteur de la surface libre de l'eau définie par la marée, ou encore puisse être réduite si les efforts horizontaux générés par la houle incidente sur le dispositif devenaient trop importants. On va maintenant exposer les bases physiques de l'invention, en se référant au cas élémentaire théorique d'une houle se propageant dans un canal de profondeur uniforme. Si en un point du canal on vient interposer un mur vertical, on sait que la houle va se réfléchir entièrement sur ce mur. En un point donné, l'onde de houle incidente peut être caractérisée par une surhauteur h (x, t) du plan d'eau (initialement au repos) et une vitesse horizontale U(x,t) suivant l'axe de propagation, qui est la projection sur cet axe de la vitesse des molécules d'eau (qui en fait, comme on le sait, décrivent des cercles). Le fait d'interposer un mur en un point du parcours impose que U(x,t)=O après le mur, c'est-à-dire que la vitesse horizontale change de sens et on sait que dans ce cas l'onde de houle incidente est bien entièrement réfléchie. On peut donc considérer que si, au lieu d'interposer un mur, on interpose un dispositif qui impose une réduction de la vitesse horizontale des molécules d'eau, on aura une réflexion partielle de l'onde de houle et que cette réflexion sera d'autant meilleure que la réduction de vitesse imposée sera plus forte. Si l'on considère alors une plaque de longueur non négligeable par rapport à la longueur d'onde- et faiblement immergée dans le canal, et dont les bords sont relevés perpendiculairement jusqu'à une cote positive au-dessus de la surface libre de manière à éviter tout passage de la houle au- dessus de la plaque, du moins tant que l'amplitude de ladite houle reste raisonnable, l'eau qui est emprisonnée entre la plaque et le fond du canal ne peut avoir qu'un mouvement horizontal, c'est-à-dire que la vitesse des molécules d'eau correspondantes ne peut être qu'horizontale. Une houle donnée possède une certaine énergie qui se 2590628 propage par l'intermédiaire de la pression, lorsque cette houle vient heurter la masse d'eau comprise entre la plaque et le fond, elle lui communique une surpression. Cette surpression, appliquée à la face d'entrée de la masse d'eau va lui communiquer une accélération et donc une vitesse. La valeur de cette vitesse dépendra de l'importance de la masse d'eau "freinante" et de l'énergie apportée par la houle incidente (pression à la face d'entrée de la masse d'eau captive). On peut donc considérer que pour une houle donnée, donc d'énergie donnée, on pourra toujours trouver une largeur de plaque qui permet d'emprisonner une masse d'eau suffisante pour que la vitesse communiquée à cette masse d'eau captive soit suffisamment faible et donc que l'onde de houle incidente soit pratiquement réfléchie à l'entrée du dispositif. Réciproquement, pour un dispositif donné, c'est-à-dire pour une largeur de plaque fixée, l'énergie apportée par la houle (la pression qui va s'exercer sur la face d'entrée du dispositif) va dépendre de la période de cette houle incidente puisque les houles de petites périodes sont peu énergétiques tandis que les houles de grandes périodes sont plus énergétiques. Ainsi on peut prévoir que les houles de faibles périodes seront considérablement réfléchies tandis que les houles de grandes périodes seront pratiquement transmises. Un tel dispositif se comportera donc comme un atténuateur de houle d'autant plus performant que les périodes des houles incidentes sont faibles. Cette interprétation se trouve confirmée par le calcul mathématique qui, appliqué à une dalle de 25m de long immergée à 4m de profondeur sur un fond de 44 m se comporte comme un mur réfléchissant entièrement la houle incidente pour les faibles périodes (jusqu'à 5,5 secondes) et un excellent atténuateur de houle pour des périodes plus grandes, allant jusqu'à 9 ou 10 secondes. Ainsi pour une houle de période 7 secondes, le coefficient de transmission n'est encore que de 0,23, c'est-à- dire que 95% de l'énergie de la houle incidente est réfléchie. C'est ce qu'expriment les courbes des figures 1 et 2 qui représentent respectivement les variations théoriques du coefficient de transmission CT et du déphasage p de la houle en fonction de sa période T(sec.) avec un dispositif tel que défini ci-dessus. 6 2590628 Ces considérations théoriques ont été confirmées par l'expérience. Une telle étude expérimentale a été réalisée sur des modèles réduits de brise lames dont la section transversale est donnée à la figure 3, d'une largeur L, immergée à la profondeur I sur un fond P, et dépassant la surface libre Jl- d'une cote positive C. Parmi les nombreuses configurations examinées, on peut citer - plaque de 16m de large, immergée à -2. Hauteur d'eau 22m. Périodes testées: 4. 5. 6. 7. et 8 secondes. Deux amplitudes par période. Echelle 1120. - plaque de 18 m de large, immergée à -4. Hauteur d'eau 44m. Périodes de 6. 7. 8. 9. 10. 12. 18 secondes. Une ou deux amplitudes par période. Echelle 1140. - plaque de 25m de large immergée à -4. Hauteur d'eau 44m. Périodes de 5, 2. 6. 7. 8. 9. 10. 12. 18 secondes. Une ou deux amplitudes par période. Echelle 1140. - plaque de 25m de large immergée à -5. Hauteur d'eau 44m. Périodes de 6. 7. 8. 9. 10 secondes. Une amplitude par période. Les coefficients de transmission ont été mesurés et dans de nombreux cas, une analyse de Fourier a été effectuée afin de distinguer ce qui relevait de la période en cours d'examen de ce qui relevait des différents harmoniques. Des mesures d'efforts ont été effectuées, en outre, sur la plaque de 25m. L'objectif étant de limiter au maximum les efforts horizontaux, le déflecteur amont a reçu une forme circulaire et on a recherché une cote d'arase la plus faible possible. Des cotes d'arase de + 1.50; + 2, + 3 ont été ainsi testées, tant au point de vue hydraulique que des efforts enregistrés. La cote d'immersion dépend de l'amplitude des houles maxima susceptibles d'atteindre l'ouvrage. Le bassin de dissipation d'énergie situé en aval de ce déflecteur a été mise en communication avec l'aval. Le seuil aval, à la cote + 2 a été doté d'une largeur suffisante pour en permettre une utilisation comme voie de promenage ou de circulation. Il peut évidemment être accostable. Sur le plan hydraulique, les résultats obtenus sont 7 2590628 encore nettement plus favorables que ceux résultants des théories classiques (MACAGNO, WIEGEL, etc...) ce qui confirme l'importance déterminante du rapport:L/W: longueur d'onde de la houle en profondeur infinie, sur largeur de la plaque. Ainsi, le graphique de la figure 4 fait apparaitre les différentes valeurs du coefficient de transmission en fonction du rapport L/W, alors que les profondeurs d'eau, les immersions et les cambrures variaient, réunies au cours d'un grand nombre d'essais. On a vu plus haut, dans la partie théorique, que l'amplitude des oscillations horizontales de la masse d'eau sous la plaque était fonction de L/W. En dessous d'une certaine période, la vitesse des particules d'eau change de sens avant que le déplacement ne devienne important, si bien que l'énergie cinétique ne peut se transformer en énergie potentielle. C'est bien ce que les expériences ont mis en évidence. Pour une plaque de 25m de large et des périodes inférieures à 5,5 secondes, les amplitudes du déplacement horizontal sont négligeables. Pour une houle de 6 secondes et de 3,70 m d'amplitude, les oscillations horizontales ne sont que de 0,60 m environ. Elles atteignent 2,40m environ pour des houles de 8 secondes et de 7m d'amplitude. Le graphique de la figure 5 montre les variations du coefficient de transmission en fonction de la période dans la configuration ci-dessus. On constate une excellente concordance entre la courbe obtenue expérimentalement et la courbe théorique donnée précédemment à la figure 1 pour des périodes comprises entre O et 10 secondes. Au delà de 10 secondes la courbe théorique donne des coefficients de transmission légèrement supérieurs à ceux obtenus expérimentalement. Ceci provient sans doute du fait que dans l'application de la formule de NEWTON qui donne les valeurs théoriques du coefficient de transmission on a négligé les forces de frottement celles-ci proportionnelles à la vitesse jouent un rôle plus importat pour les grandes périodes pour lesquelles les vitesses sous la plaque sont plus importantes. Jusqu'à 5,5 secondes (période correspondant à une valeur de L/W de 2), la masse d'eau située sous la plaque demeure 8 2590628 pratiquement immobile. Elle se comporte comme un mur vertical fixe et la houle est totalement réfléchie, d'o le nom de "mur d'eau fixe" donné au procédé. A partir de 6 secondes, période correspondant à une valeur de L/W de 2,2, la masse d'eau commence à osciller mais la houle transmise demeure, dans une large plage, très inférieure à la houle incidente. On note un déphasage entre les mouvements de la houle incidente et du "mur d'eau". Le coefficient de transmission croît alors, de façon quasi linéaire, au moins jusqu'à des valeurs de L/W de l'ordre de 5. Il est d'autant plus faible que l'immersion de la plaque est grande. Les autres facteurs: cambrure de la houle, profondeur relative (profondeur d'eau sur longueur d'onde de la houle incidente) ne paraissent jouer que des rôles secondaires. La cambrure réduirait le coefficient de transmission jusqu'à des valeurs de L/W d'environ 5, l'augmentant au delà. Le coefficient de transmission peut être encore réduit en augmentant les frottements et en améliorant l'homogénéité et "la solidité" du mur d'eau, ce qui peut être réalisé en disposant une seconde plaque de même largeur sous la première. Le graphique de la figure 6 montre les variations du coefficient de transmission d'un ensemble de 2 plaques de 32 m de largeur placées l'une à -6, avec une déflecteur à +3, l'autre -14m. Quant à la profondeur relative, il faut rappeler que le domaine d'utilisation du procédé est celui des grandes profondeurs. Lors des essais, le rapport profondeur sur longueur d'onde n'a été qu'exceptionnement inférieur à 1/4, si bien que les houles n'étaient que peu déformées. A titre d'illustration de la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, on donne ci-après, aux figures 7,8 et 9 trois coupes de brise-lames, le premier adapté à des houles faibles, ne dépassant qu'exceptionnellement une période de 6 secondes et une amplitude de 3 mètres, le second à des houles plus importantes, le troisième à des houles fortes ou à des houles moins importantes dans un site à marée. Le premier (figure 7), est constitué d'un simple caisson rectangulaire 1 dont le fond 2 est plein, mais dont la face supérieure a été enlevée, aux entretoises près, sur la partie côté large. La cloison intermédiaire 3 et la paroi avant 4 sont percées en 5 et 6. La structure peut être métallique ou en béton, 9 2590628 avec éventuellement caillebotis en bois. Ses dimensions sont indiquées. Le caisson peut reposer sur des pieux. Un amarrage sur câbles tendus est envisageable. Avec un tel caisson, le coefficient de transmission serait inférieur à 0, 10 pour des houles inférieures ou égales à 4 secondes, d'environ 0,20 pour des houles de 5 secondes et atteindrait encore 0,50 pour des houles de 6,3 secondes. Le second (figure 8) bien adapté à des houles allant jusqu'à 7 secondes et pouvant exceptionnellement atteindre 10 secondes et lom d'amplitude, a un profil comparable à celui qui a fait l'objet des essais rapportés cidessus. Ses dimensions sont également indiquées. Il comporte à l'avant un bulbe 10. La structure peut être métallique ou en béton. Le caisson peut reposer sur des pieux verticaux et obliques, ou des colonnes verticales de diamètre suffisant. Le rendement peut être augmenté, au delà de 7 secondes, et en fonction des houles observées et des résultats souhaités, en augmentant la largeur ou l'enfoncement, ou en disposant, au- dessous du caisson une deuxième plaque de même largeur. La troisième (figure 9) a pour caractéristique essentielle d'avoir une hauteur de seuil amont réglable. Cette particularité est intéressante notamment dans le cas d'ouvrages situés en site à marée ou lorsque l'on souhaite adapter au plus près de la houle régnante la hauteur de la cote d'arase du seuil amont, en vue notamment de limiter les efforts horizontaux ou en vue simplement de protéger au mieux l'esthétique du site. Ce dispositif présente en outre l'avantage de pouvoir baisser à volonté la cote d'arase du seuil et étaler ainsi une houle exceptionnelle sans que les efforts horizontaux générés dans la structure ne deviennent prohibitifs. La figure montre que le réglage de la cote d'arase du seuil amont peut être obtenu, notamment, par la mise en oeuvre d'une hausse mobile 20, semblable à celles que l'on rencontre dans les barrages à hausses ou barrages à clapets. Le réglage de la hausse peut, par exemple, être obtenu à l'aide d'un vérin hydraulique 21 ou d'une capacité à air comprimé. Les différentes positions de stabilité étant fixées par les différents crans d'une crémaillère horizontale 22 sur laquelle vient s'appuyer un 2590628 buton 23. Bien entendu ces réalisations sont données uniquement au titre d'exemples non limitatifs, et de nombreuses autres variantes pourront en être conçues. Ainsi, le bord aval du caisson peut être arasé à une cote de l'ordre de 1, 50m à 2,00 mètres ou plus et élargi suffisamment pour constituer un quai accostable pour recevoir des navires en eau calmée par le dispositif. De même la plaque fixe faiblement immergée peut n'être surmontée que par un bord amont faiblement émergeant de sorte que seul ce bord amont soit visible au-dessus de la surface libre de la mer. Enfin, la fixité de la plaque faiblement immergée peut être obtenue par une fondation de ladite plaque sur pieux ou piles ou bien par fixation de la structure sur câbles tendus après que celle-ci ait été dotée d'une flottabilité positive. Selon un mode d'exploitation plus sophistiqué de l'invention, les performances obtenues peuvent encore être améliorées par l'adjonction d'une seconde plaque à quelques mètres sous la première. l 2590628 REVENDICATIONS 1. Procédé pour provoquer l'atténuation des effets de la houle en vue de la protection de sites maritimes, de ports, d'ouvrages maritimes ou d'installations côtières ou off-shore, procédé caractérisé en ce qu'il consiste à créer à partir de l'onde de houle incidente, un phénomène de nature ondulatoire qui se matérialise par une réflexion, plus ou moins importante de cette onde de houle incidente, de sorte que l'onde de houle transmise en aval du procédé présente une amplitude sensiblement réduite. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit phénomène de nature ondulatoire est créé sous la face inférieure d'une plaque maintenue fixe en position faiblement immergée dans la houle incidente. 3. Dispositif d'atténuation de la houle en un site donné, en vue notamment de le protéger, mettant en oeuvre le procédé suivat l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte une plaque faiblement immergée dans la houle incidente, ladite plaque étant maintenue fixe sur supports rigides et ses bords amont et aval étant retournés perpendiculairement jusq'à une cote positive au-dessus de la surface libre,de sorte que la houle incidente ne puisse se propager librement au-dessus de la plaque. 4. Dispositif d'atténuation de la houle suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le bord amont relevé perpendiculairement à la plaque immergée est arasé à une cote franchissable par les houles moyennes et fortes du site concerné et en ce que le bord aval, relevé perpendiculairement à la plaque immergée est percé d'orifices régulièrement espacés de sorte que lorsque une houle moyenne ou forte franchit le bord amont, elle perd une part non négligeable de son énergie en retombant sur le matelas amortisseur constitué par l'eau emprisonnée dans le volume compris entre la plaque inférieure et les bords amont et aval, tandis que la surhauteur d'eau engendrée momentanément dans ce volume est évacuée par lesdits orifices ménagés dans le bord amont. 5. Dispositif d'atténuation de la houle suivant l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que le bord amont est doté d'un contour en forme de bulbe jusqu'à sa cote d'arase de manière à limiter les chocs et les efforts horizontaux 12 2590628 correspondants à des valeurs inférieures à celles qui seraient générées sur un bord à surface plane perpendiculaire au plan de propagation de la houle incidente. 6. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que le bord amont peut être constitué par une partie fixe arasée à une cote légèrement positive et surmontée par un dispositif mécanique qui déploit une hausse mobile à l'aide d'un vérin hydraulique ou d'une capacité à air comprimé, de sorte que la hauteur du bord amont, au-dessus de la surface libre de l'eau, puisse être réglée à différents niveaux en fonction de l'amplitude de la houle incidente ou en fonction de la hauteur de la surface libre de l'eau définie par la marée ou encore puisse être réduite si les efforts horizontaux générés par la houle incidente sur le dispositif devenaient trop importants. 7. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que le bord aval peut être arasé à une cote de l'ordre de 1,50m à 2,00 mètres et élargi pour constituer un quai acostable pour recevoir des navires en eaux calmées par le dispositif. 8. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que la plaque fixe faiblement immergée peut n'être surmontée que par un bord amont faiblement émergeant de sorte que seul ce bord amont soit visible au-dessus de la surface libre de la mer. 9. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que la fixité de la plaque faiblement immergée peut être obtenue par une fondation de ladite plaque sur pieux ou piles ou bien par fixation de la structure sur câbles tendus après que celle-ci ait été dotée d'une flottabilité positive. 10. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que les performances obtenues peuvent être légèrement améliorées par la mise en oeuvre d'une deuxième plaque à quelques mètres sous la première.