Study of wave overtopping processes of coastal protections in complex sea-states.
Étude des processus de submersion de protections côtières par les vagues pour des états de mer complexes
Résumé
Near the coast in stormy conditions, it is rather common to observe bimodal sea-state conditions combining short wind-waves, generated by a local wind, and a long swell, generated by far offshore winds across the open ocean. To design coastal protections, the current methodology (e.g. EurOtop 2018 manual) suggests performing the calculation of the wave overtopping rate using a single set of wave height, period, and direction although the sea-sate is bimodal. First, this thesis aims to investigate the wind-wave growth over a background swell. The second objective consists in studying the wave submersion processes of coastal protections in bimodal sea-state conditions to improve the methodology for estimating the wave overtopping rate.As a first part of the PhD research, a series of experiments was carried out in the OSU Institut Pythéas wind-wave tunnel in Marseilles (France) to study wind-wave growth over following mechanically-generated long-waves in uniform water depth (i.e. without any coastal structure). Various wind speeds and wave conditions have been tested. Based on spectral analysis, it was found that, at a constant wind speed, the wind-wave peak frequency without swell was shifted towards lower frequencies in the presence of a following irregular swell.To upscale this laboratory results at a coastal scale, the 3rd generation wave model TOMAWAC (Benoit et al. 1996) was used. To assess the reliability of the numerical model to simulate bimodal sea-states, two validation steps were performed. The first one, at laboratory scale, aimed at reproducing the previous experiments in the wind-wave tunnel. The second one was performed at coastal scale against in-situ results from an event of the SHOWEX campaign (Ardhuin et al. 2007, Zhang et al. 2009). The recent parameterization for wave dissipation (Ardhuin et al. 2010) and nonlinear 4-wave interactions (Gagnaire-Renou et al. 2010) showed good performances in reproducing the observations at both scales.Another series of experiments was conducted to study the wave overtopping rate in bimodal sea-sates conditions. For that purpose, a breakwater with a slope 3:2 (H:V) was built in the wind-wave tank at a scale 1:25. The wave overtopping rate was measured for varying crest freeboards with both unimodal and bimodal wave conditions generated with the wave-make. Two types of slope surfaces were tested: a smooth one and a rock-armoured one. For the smooth slope, the current methodology to calculate the wave overtopping is rather accurate in bimodal sea-state conditions. However, with the rock-armoured slope, it was found that a low crest freeboard causes an important overestimation of the wave overtopping rate for sea states with a high proportion of wind waves. Based on the observed trends with both the smooth and the slope armoured surfaces in bimodal sea-state conditions, new formulations for the non-dimensional wave overtopping rate and crest freeboard are proposed.
Près des côtes, dans des conditions de tempête, il est courant d'observer un état de mer bimodal combinant un clapot, caractérisé par des vagues courtes générées localement par le vent, et une houle, caractérisée par des vagues longues générées par des vents lointains en haute mer. Pour dimensionner les protections côtières, la méthodologie actuelle (e.g. guide EurOtop 2018) suggère d'estimer le débit de franchissements pour un état de mer bimodal à l'aide d'un seul jeu de hauteur, période et direction de vagues. Le premier objectif de cette thèse est d'étudier la croissance du clapot en présence d'une houle. Le second objectif vise à étudier les processus de submersion des protections côtières par les vagues dans des conditions d'état de mer bimodales afin d'améliorer la méthode d'estimation du débit de franchissements.Pour répondre au premier objectif, une série d'expériences a été réalisée dans le canal-soufflerie de l'OSU Institut Pythéas à Marseille en profondeur uniforme (i.e. sans structure côtière) afin d'observer la génération du clapot en présence de vagues longues simulées mécaniquement dans la direction du vent. Différentes vitesses de vent et différents types de vagues de batteur ont été testés. Une analyse spectrale a révélé qu'à vitesse de vent constante, la fréquence pic du clapot sans houle est déplacée vers les basses fréquences en présence des vagues de batteur irrégulières.Afin de transposer ces résultats à une échelle côtière, nous avons utilisé le modèle spectral d'états de mer TOMAWAC (Benoit et al. 1996). La précision du modèle numérique quant à la simulation d'états de mer bimodaux a été évaluée à l'aide de deux étapes de validation. La première, à l'échelle du laboratoire, visait à reproduire les résultats obtenus dans le canal-soufflerie. La seconde, à l'échelle côtière, visait à reproduire les observations relevées lors d'un événement de la campagne SHOWEX (Ardhuin et al. 2007, Zhang et al. 2009). Des développements récents permettant la modélisation de la dissipation des vagues (Ardhuin et al. 2010) et des interactions non-linéaires entre quadruplets (Gagnaire-Renou et al. 2010) ont montré de bonnes performances pour la reproduction des observations aux deux échelles.Une seconde campagne d'expériences visait à étudier les processus de franchissements d'une digue par les vagues dans des conditions d'états de mer bimodaux générés uniquement avec le batteur. Une digue à l'échelle 1:25 avec une pente de 3:2 (H:V) a été construite dans le canal-soufflerie. Les débits de franchissements ont été mesurés pour différentes hauteurs de franc-bord, diverses conditions d'états de mer (unimodaux et bimodaux), avec deux types de revêtements : un lisse et un en enrochements. Dans les conditions testées (e.g. états de mer bimodaux), la méthodologie actuelle d'estimation du débit de franchissements est valide pour le cas de la pente lisse. Cependant, en présence d'enrochements, une faible hauteur de franc-bord entraîne une surestimation importante du débit de franchissements pour les états de mer composés d'une forte proportion de clapot. Sur la base des tendances observées avec les différents revêtements, de nouvelles formulations d'estimation des débits de franchissements sont proposées, notamment via une redéfinition des hauteurs de franc-bord et débits adimensionnels.Afin de compléter l'utilisation de modèles réduits dans des configurations complexes, le code multiphasique neptune_cfd (Coste et al. 2007) a été appliqué et comparé aux résultats de laboratoire pour la submersion par des états de mer bimodaux.
Origine : Version validée par le jury (STAR)