# Conception de la maquette pédagogique “ Submersions rapides et protections associées ”

Xavier Dérobert, Olivier Durand, Louis Battist, Zheng Li, Olivier Payrastre, Maximilien Lehujeur, Christophe Chevalier, Gautier Gugole, Philippe Audrain, David Mabilais

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## To cite this version:

Xavier Dérobert, Olivier Durand, Louis Battist, Zheng Li, Olivier Payrastre, et al.. Conception de la maquette pédagogique "Submersions rapides et protections associées". Recherche et Action Publique - R&AP 2024, Université Gustave Eiffel; INRAE; Cerema, Oct 2024, Champs Sur Marne, France. hal-04982272

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Submitted on 7 Mar 2025

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# Conception de la maquette pédagogique « Submersions rapides et protections associées »

Dérobert X.¹, Durand O.¹, Battist L.², Li Z.³, Payrastre O.⁴, Lehujeur M.¹, Chevalier C.⁵, Gugole G.¹, Audrain P.³, Mabilais D.⁴

¹,²,³,⁴ Univ. Gustave Eiffel, GERS/¹GéoEND,²GIE, ³CG, ⁴LEE, Campus de Nantes, France

⁵ Université Gustave Eiffel, GERS, Campus de Marne, F-77420 Champ/Marne, France

## I- Introduction

La maquette « Submersion rapide et protections associées » a été conçue dans un cadre interlaboratoires du département GERS, pour illustrer les trois thèmes scientifiques du département (« Ingénierie géotechnique et risque sismique », « Ville et Environnement » et « géophysique et évaluation non destructive ») sur un support pédagogique commun adapté pour tout public. Initiée en 2021 et présentée en AG du département GERS en octobre 2021 pour la première fois, cette maquette a été ensuite améliorée et a participé aux Fêtes de la Science 2022 et 2023.

Son objectif est de construire une digue miniature – devant protéger une mini-ville à construire également – dans l'équivalent d'un grand aquarium, et d'illustrer devant le public le processus et les conséquences d'une rupture de cet ouvrage. Ceci permet de montrer l'importance du rôle des digues, de leur maintenance et d'une information anticipée des populations face à une inondation très rapide. Des capteurs sont installés sur la digue pour la surveiller et donner l'alerte lorsque l'eau, confinée dans un coin de l'aquarium, dégrade progressivement la digue par infiltration. Le principe de l'alerte est de prévenir la population de se mettre à l'abris à temps. Lorsque la digue rompt, l'eau se déverse et submerge la ville miniature, en emportant les véhicules et les piétons, voire les bâtiments qui suivant leurs fondations, peuvent résister ou être entraînées. Une pompe en aval permet de réinjecter l'eau et d'établir un régime permanent avec un courant constant et un niveau d'eau atteignant le premier étage des bâtiments. En arrêtant la pompe, il est possible d'observer les bancs de sable et les dégâts causés par l'inondation.

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>Figure 1 : Présentation de la maquette et démonstration d'une submersion lors de la Fête de la Sciences à Nantes en 2022</figcaption></figure>

Cet outil pédagogique est adapté tant pour le grand public, incluant les scolaires, que la profession (organismes publics, collectivités territoriales, gestionnaires d'ouvrages) en présentant en parallèle les actions de recherches appliquées menées par le département GERS. Suite aux animations réussies lors des Fêtes de la Science de 2022 et 2023, une vidéo pédagogique a été conçue et déposée sur le site Internet de l'université.
## II- Contexte et actions de recherche

L'étude de l'état, de la maintenance ou du renforcement des digues et protections maritimes ou fluviales est un sujet de recherche qui est abordé à travers les trois thèmes scientifiques de GERS : « Géophysique et évaluation non destructive », « Ingénierie géotechnique et risque sismique », et « l'Ville et environnement ».

Concernant la première thématique « géophysique », portée par le laboratoire Géophysique et Evaluation Non Destructive (GéoEND), celui-ci développe depuis plusieurs années des méthodologies d'auscultation et de surveillance géophysique pour de tels ouvrages. Ces dernières, par techniques géo-électriques, sismiques et radar cherchent à remonter à des informations internes (images internes, caractérisations du milieu, monitoring pour suivre une éventuelle dégradation à l'aide de capteurs noyés). On peut citer quelques projets : européen (FloodProBE, (2009-2013), nationaux (DIDRO pour la surveillance des digues par drones, 2015-2019), régionaux (CPER-FEDER PACA Digue2020, SEEWALL pour une technique de surveillance sismique utilisée pour la maquette), ainsi que les thèses de Y. Fargier (2009), C. Jodry (2012), T. Dezert (2019).

La deuxième thématique en lien avec « l'ingénierie géotechnique et risque sismique » et menée par 5 laboratoires de GERS, s'intéresse à l'optimisation et la sécurité des ouvrages géotechniques. Un focus particulier porte sur une meilleure compréhension de leur comportement vis-à-vis de sollicitations hydriques ou hydrauliques (thèses de Y. Boussafir, 2019 ; T. Wang, 2023, D. Ayssami, en cours et projet ANR SHEAR 2015-2019). De plus, un pan de recherche porte sur de nouvelles méthodes de construction ou de renforcement des ouvrages hydrauliques par des matériaux traités (thèses de M. De Baecque, 2019 ; J. Amraoui, 2023 ; Castaneda-Lopez, 2024) et par surveillance instrumentée sur site (thèses de M. deBaecque, 2019 ; projet CPER-FEDER PACA Digue2020).

L'un des axes scientifiques de la troisième thématique « Ville et environnement » concerne l'étude des crues soudaines et des risques d'inondation associés. Les recherches visent notamment à mieux anticiper les crues et leurs impacts, en développant des chaînes de prévision combinant des sorties de modèles météorologiques, et des modèles hydrologiques et hydrauliques. On peut citer les projets ANR PICS (2018-2022) et MUFFINS (2022-2025), ainsi que les thèses de J. Godet et A. Kowlesser actuellement en cours. Des campagnes d'observation post-crue (sur l'arc méditerranéen) permettent par ailleurs d'obtenir des données détaillées de débits de pointe pour la validation des sorties de modèles, en s'appuyant sur des méthodes d'estimation innovantes des débits (thèse de A. Tahin'Andriambelonandro).

## III- Conception de la maquette

Le démonstrateur est constitué de trois éléments principaux d'éléments de type « aquarium », fixés sur tables roulantes et pouvant être assemblés pour étanchéifier l'ensemble et constituer un canal hydraulique (Fig.2). Le premier élément (partie gauche du schéma, Fig.2) présente comme quatrième paroi de l'amont de l'aquarium ce qui va constituer une digue en argile. Dans la partie centrale de cette digue, on remplace l'argile par un mélange de sable d'Hostun et de fines non plastiques qui, en présence d'eau, va peu à peu se décomposer et laisser l'eau s'infiltrer. Le mélange de sable et de fines non plastiques permet de rapprocher la partie centrale de la digue des caractéristiques d'infiltration du sol naturel tout en assurant une tenue minimale à l'ouvrage reconstitué. Le deuxième élément de l'aquarium va simplement contenir une mini-ville, contenant des bâtiments, des véhicules et des
personnages miniatures, zone qui sera soumise à l'inondation. Les bâtiments sont construits en Duplo et fixés ou non à une plaque Duplo® permettant de représenter les différents types de fondation. Enfin, le troisième élément d'aquarium (sur la partie droite, Fig.2) récupère l'eau liée à l'inondation, la filtre et la réintroduit dans la partie amont pour établir un courant constant de submersion.

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>Figure 2 : Schéma de la partie supérieure de la maquette, une fois assemblée</figcaption></figure>

Pour concevoir cette maquette, les équipes de recherche ont étudié tout particulièrement deux points :

* l'étude de la propagation d'ondes ultrasonores (US) sur de l'argile (Fig.3a) qui, par un facteur d'échelle va simuler la surveillance d'une digue réelle par onde sismique. L'objectif de cette étape est de paramétrer le traitement des signaux US pour signaler toute modification de l'état de la structure, et ainsi fixer un niveau de seuil qui sera assimilé à une alerte à la population.

* la deuxième étude a porté sur la conception d'un mélange de sable et de fines non plastique et sur sa compacité pour que le mélange mis en place puisse retenir une hauteur d'eau d'environ 25 cm pendant 10 à 15 minutes avant rupture. Pour cela, l'expérience déjà acquise par le laboratoire SRO a été reprise et le laboratoire GIE a conçu un petit compacteur miniature manuel permettant de contrôler ce compactage et l'homogénéisation de la section centrale de la digue (Fig.3b).

<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>Figure 3 : a) Phase de test des capteurs US sur un bloc d'argile simulant une digue, b) Mise en place et compactage de la partie de digue en matériau dégradable (mélange de sable et d'argile)</figcaption></figure>
La mise en place et préparation de la maquette, la simulation d'une submersion soudaine par rupture et le nettoyage de l'ensemble autorise jusqu'à trois présentations par jours. Cela permet également de présenter et détailler en parallèle les actions de recherches menées par le département GERS auprès de publics plus avertis.

Dans ce contexte, on peut citer comme exemple particulier pour chacun des thèmes du département :

* la surveillance de structures de défense à la mer par bruit sismique généré par le ressac (projet régional SEEWALL - https://geoend.univ-gustave-eiffel.fr/projets-de-recherche/projets-regionaux/seewall),

* l'étude de sols traités pour une utilisation en ouvrages hydrauliques (projet CPER-FEDER PACA Digue2020 - https://www.digue2020.fr/),

* l'étude de modèles hydrologiques pour une prévision probabiliste afin d'améliorer l'anticipation des crues (projet ANR PICS - https://pics.ifsttar.fr/).

* https://geoend.univ-gustave-eiffel.fr/projets-pedagogiques/demonstrateur-de-digue-gers, vidéo pédagogique