THE PROPAGATION OF UNCONSTRAINED DRY GRANULAR FLOWS: FROM LABORATORY TO NUMERICAL MODELISATION

As rock avalanches are rare catastrophic events in which granular masses of rock debris flow at high speeds, commonly with unusually long runout distances, analogue and numerical modelling can provide important information about their behaviour. This theses is composed of three main contributions: (1} laboratory experiments in order to demonstrate that the basai roughness and the grainsize as well as the volume and slope angle are important parameters of the motion of a dry granular mass; (2) the analysis of rock avalanche dynamics by means of a detailed structural analysis of the deposits coming from data of 3D measurements of mass movements of different magnitudes, from decimeter level scale laboratory experiments to well-studied rock avalanches of several square kilometers magnitude; (3) development of a numerical model to simulate the laboratory experiments. Laboratory experiments are performed with a tilting plane. Granular material is released, chutes down a slope, propagates and finally stops on a horizontal surface. Different grainsizes (115, 545 and 2605 |am] and substratum roughness (simulated by sandpapers with grainsize from 8.4 to 269 ^m] are used in order to understand their influence on the motion of a granular mass. This work shows that there is a logarithmic relation between the substratum roughness and the motion of the granular flow. For same volume, slope angle and fall height, the runout of the mass is comprised between 4.5 and 11 cm. The influence ofthe volume and the slope angle is also investigated. The runout increases from 8 to 11 cm with volumes from 300 to 600 cm3. Contrarily to the volume, the slope angle (from 35° to 60°] influences greatly the runout ofthe mass front (from 5 to 20 cm). In order to emphasize and better detect the fault structures present in the deposits, we applied a median filter with different moving windows sizes (from 3x3 to 9x9 nearest neighbors) to the 3D datasets and a gradient operator along the direction of propagation. The application of these filters on the datasets results in: (1) a precise mapping of the longitudinal and transversal displacement features observed at the surface of the deposits; (2] a more accurate interpretation of the relative movements along the deposit (i.e. normal, strike-slip, inverse faults) by using cross-sections. Results show how the use of filtering techniques reveals disguised features in the original point cloud and that similar displacement patterns are observable both in the laboratory simulation and in the real scale avalanche, regardless the size ofthe avalanche. To simulate the analogue granular flow, a numerical model based on the continuum mechanics approach and the solving of the shallow water equations was used. In this model, the avalanche is described from an Eulerian point of view within a continuum framework as single phase of incompressible granular material. The interaction ofthe flowing layer with the substratum follows a Mohr-Coulomb friction law. Within same initial conditions (slope, volume, basai friction, height of fall and initial velocity], results obtained with the numerical model are similar to those observed in the analogue model. In both cases, the runout of the mass is comparable and the size of deposits matches well. Moreover, both analogue and numerical modeling provide velocities of same magnitudes. In this study, we highlighted the importance of the friction on a flowing mass and the influence ofthe numerical resolution on the propagation. The combination ofthe fluid dynamics equations with the frictional law enables the self-channelization and the stop ofthe granular mass. -- Comme les avalanches rocheuses sont des evenements catastrophiques rares impliquant un grand volume de debris, des vitesses elevees et atteignant des distances de propagation importantes, la modelisation analogique et numerique peut fournir des informations importantes sur leur comportement. Cette these est composee de trois parties distinctes: (1) des experiences de laboratoire permettant de demontrer que la rugosite basale et la granulometrie ainsi que l'angle de pente et le volume de matenel influent sur la propagation d'une avalanches rocheuse; [2] la dynamique dune avalanche rocheuse est analysee au moyen d'une etude detaillee des structures observables a la surface des depots; (3] developpement d'un modele numenque pour simuler les experiences en laboratoire. , Des experiences en laboratoire sont effectuees sur un plan incline. Le matenel granulaire est libere, chute sur une pente, se propage et enfin s'arrete sur une surface horizontale. Differentes granulometrie (115, 545 et 2605 pm) et substrats [simules par du papier de verre avec une granulometrie variant entre 8,4 et 269 pm) sont utilises afin de comprendre leur influence sur le mouvement d'une masse granulaire. Ce travail montre qu'il existe une relation logarithmique entre la rugosite du substrat et le mouvement du flux granulaire. A volume, angle de pente et hauteur de chute egaux, la distance de propagation de la masse est comprise entre 4,5 et 11 cm. L'influence du volume et de l'angle de pente est egalement etudiee. La distance de propagation augmente peu, de 8 a 11 cm, avec des volumes allant de 300 a 600 cm3. Contrairement au volume, l'angle de pente [de 35 ° a 60 °) a une grande influence sur la distance de propagation de la masse (de 5 a 20 cm). Afin de mieux detecter les structures de failles presentes dans les depots, nous avons applique un filtre median avec differentes fenetres mobiles pour des ensembles de donnees 3D ainsi qu'un operateur gradient le long de la direction de propagation. L'application de ces filtres ont permis: (1) une cartographie precise des structures de deplacement longitudinales et transversales observees a la surface des depots; (2) une interpretation plus precise des mouvements relatifs le long du depot (c.-a-d. decrochement, failles inverses normales) en utilisant des coupes. Les resultats montrent comment l'utilisation de techniques de filtrage permettent de reveler des structures invisibles a l'oeil nu et que les schemas de deplacement similaires sont observables a la fois dans les simulations en laboratoire et aussi dans des depots d'avalanche rocheuses reelles. Pour simuler les ecoulements granulaires observes en laboratoire, un modele numerique base sur l'approche des milieux continus et de la resolution des equations en eau peu profonde (Shallow Water Equations) a ete utilise. Dans ce modele, l'avalanche est decrite d'un point de vue eulerien dans un cadre continu en tant que phase unique de materiel granulaire incompressible. L'interaction de la couche en mouvement avec le substrat suit une loi de frottement de Mohr-Coulomb. Avec de memes conditions initiales, les resultats obtenus avec le modele numerique sont similaires a ceux observes en laboratoire. En outre, les modelisations analogique et numerique fournissent des vitesses du meme ordre de grandeur. Dans cette etude, nous avons souligne l'importance de la friction sur une masse granulaire et l'influence de la resolution numerique sur la propagation. La combinaison des equations de la dynamique des fluides avec la loi de frottement permet l'auto-chenalisation et l'arret de la masse granulaire.