Recherche sur la dynamique des avalanches dans la Vallée de la Sionne (VdlS) / Valais
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Fig. 1: Avalanche
déclenchée artificiellement le 30 janvier 1999.
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Fig. 2: Le
bunker avant le déclenchement de l’avalanche.
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Fig. 3: Le
bunker après le déclenchement de l’avalanche.
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Fig. 4: Différents
capteurs sont installés pour mesurer les vitesses, pressions et densités.
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Fig. 5: Les zones de déclenchement.
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Fig. 6: Les avalanches détruisirent la majeure partie des obstacles de mesure (y compris le mât).
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Fig. 7: Mesures dans les zones de déclenchement.
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Fig. 8: Le banc
de mesur.
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Fig. 9: Le mât
de 19 m de hauteur.
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Fig. 10: Ouvrage en béton.
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Fig. 11: Le système d’acquisition de données doit régulièrement être remis à l’ordre du
jour.
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Dans le site de recherche
sur les avalanches de la 'Vallée de la Sionne' (VdlS), situé dans le vallon
d’Arbaz au-dessus de Sion, les scientifiques et ingénieurs mesurent des données
indispensables à la compréhension du processus d’écoulement à l’intérieur d’une
avalanche. Ce site est unique dans les Alpes. Il est opérationnel depuis l’hiver 1997/98 et
constitue un jalon très important pour la recherche sur la dynamique des
avalanches au SLF. Après avoir été partiellement détruit lors de l’hiver extrême
de 1999, il a été reconstruit et équipé de robustes capteurs pouvant mesurer,
entre autres, les pressions et les vitesses des avalanches. Les valeurs
mesurées le long du parcours de celles-ci sont combinées à des méthodes
modernes de télédétection dans le but de se faire l’image la plus réelle
possible du flux de neige. Il est extrêmement important de pouvoir répondre à
certaines questions concernant, entre autres,
la dissipation de l’énergie et l’érosion du manteau neigeux lors de
l’écoulement. Les résultats des essais de la VdlS ont permis de développer des
modèles dynamiques d’avalanches et d’améliorer les programmes de simulation numérique
(en particulier RAMMS) ainsi que de valider les prescriptions suisses pour
l’établissement des cartes de danger.
Un site unique de recherche
Le site de recherche de la VdlS se situe à 8 km
au nord de Sion, capitale du Canton du Valais. Il fut choisi en fonction de la
grande activité avalancheuse constatée dans la région ces dernières années et des conditions nécessaires d’observation et de
sécurité liées à ce genre d’essai. Des avalanches spontanées de neige
humide ont lieu au début et à la fin de l’hiver alors que des avalanches
spectaculaires de poudreuse se déclenchent plus tôt au cœur de celui-ci durant
les mois de janvier et février. Les zones de déclenchement se situent entre
2500 et 2700 m.s.m. dans les régions de Pra Roua et Crêta Besse 1 et 2. Les volumes de neige mobilisés dans ces zones peuvent être
supérieurs à 100'000 m3. Les avalanches atteignent ensuite deux couloirs bien
marqués. Ces deux couloirs se réunissent plus bas en une combe plus large jusqu’à
la rivière « La Sionne » située à 1500 m.s.m. Les masses de neige rencontrent,
à une altitude de 1650 m, des obstacles fortement instrumentés construits par le SLF: un banc de mesure, un mât
et un ouvrage en béton sur lesquels différents
capteurs sont installés pour mesurer les vitesses, pressions et densités (Fig. 4). Il est fréquent que les avalanches remontent sur le versant opposé et
atteignent le bunker situé 50 m au-dessus du lit de la
rivière et dans lequel se trouvent des observateurs/ scientifiques. Ceux-ci vivent alors une expérience inoubliable se
situant entre le tremblement de terre du siècle et le naufrage du
Titanic… mais en toute sécurité derrière des murs de béton armé de 40 cm
d’épaisseur.
Avalanches spontanées
Des avalanches spontanées peuvent avoir lieu à
partir des trois zones de déclenchement. Afin d’activer automatiquement les
instruments de mesure, des capteurs sismiques sont installés dans la partie
supérieure de la zone avalancheuse. Ceci permet d’avoir également des données
alors que personne ne se trouve dans le bunker. Ces données sont transmises
automatiquement au SLF à Davos et sont ensuite interprétées directement par les
scientifiques. De cette manière, il est possible d’avoir des données très
intéressantes sur des avalanches humides, avalanches qui se déclenchent, le
plus souvent, sans signe extérieur.
Déclenchements
artificiels
Lorsque de fortes chutes de neige sont annoncées, le SLF entreprend une
campagne de mesure à grande échelle dans la Vallée de la Sionne en déclenchant
artificiellement une ou plusieurs avalanches. Une
pré-alarme est lancée par un expert local (à Sion) dans toute l’Europe afin que
les scientifiques des pays intéressés puissent se préparer pour venir
participer aux essais. L’expert local
étudie en permanence l’évolution de la situation. Les
régions proches de la zone d’essai sont sécurisées par des minages préventifs
afin de décharger les pentes pouvant poser certains problèmes. Si les
conditions nivo météorologiques sont bonnes (env. 80 cm de neige fraîche dans
la zone de rupture), des spécialistes externes sont engagés pour le
déclenchement artificiel et pour les mesures aériennes de terrain par laser. Il
est nécessaire d’avoir au moins un jour de beau temps après les chutes de neige
afin de pouvoir réaliser les différentes mesures souhaitées.
L’équipe de Davos, en collaboration avec les scientifiques étrangers
d’Autriche, de France et d’Espagne, se retrouve
la veille au soir de l’événement à Anzère et reçoit, de l’expert du SLF local,
les dernières informations sur la situation actuelle. Les conditions
indispensables de sécurité et les déclenchements prévus sont discutés, évalués, planifiés. Après une nuit en
général assez courte, l’équipe se rend, aux
premières heures, sur les différents
sites d’observation et de mesures afin de préparer et sécuriser l’essai. Alors
que les scientifiques de terrain préparent les diverses caméras, un relevé de
la répartition de la hauteur du manteau neigeux se fait par Laser depuis un
hélicoptère. Cette information est absolument indispensable afin de déterminer
le bilan de masse des avalanches : il est nécessaire de savoir quelle
masse de neige s’est mise en mouvement dans la zone de déclenchement et quelle
partie du manteau neigeux a été érodée dans la zone d’écoulement. En même
temps, à l’intérieur du bunker, d’autres scientifiques du SLF contrôlent le bon
fonctionnement du système d’acquisition de données. Grâce à ce système, les
mesures de plus de 100 capteurs ayant une fréquence d’acquisition de 20 kHz
sont stockées durant 4 minutes par avalanche.
Cela engendre une quantité de données de l’ordre du gigabyte.
Début de l’essai : le déclenchement
Pour avoir le maximum de chance de réussir un
déclenchement, il faut absolument que celui-ci se fasse le plus vite possible après
l’apparition du soleil sur la pente étudiée (exposition Est). C’est pourquoi, dès que les scientifiques sont prêts, aussi bien
sur les sites d’observation que dans le bunker, le „go!“ est donné et une
charge de 15 kg est 'déposée' depuis un hélicoptère sur la zone de déclenchement.
L’onde de choc de l’explosion met en mouvement la plaque de neige qui, très
rapidement, se fissure et se rompt en de nombreux blocs en raison des forces et
des collisions internes. Ces collisions entraînent une dissipation d’énergie
dans l’avalanche et donc influencent la vitesse maximale que celle-ci peut
atteindre.
Accélération et
vitesse finale
Les zones de
déclenchement de ‚Pra Roua‘ et de ‚Crêta Besse 2‘ ont une pente moyenne de 35
degrés alors que la pente de ‚Crêta Besse 1‘ est de 45 degrés. Avec ces inclinaisons, les fragments de
neige accélèrent très vite et atteignent rapidement des couloirs encore plus
raides qui augmenteront leur vitesse. Le front de l’avalanche peut ainsi
atteindre des vitesses de l’ordre de 50-70 m/s, soit 180-250 km/h. De petites
particules de neige ou de glace sont expulsées de la masse coulante et forment
l’aérosol (partie poudreuse de l’avalanche).
Cet aérosol atteint très rapidement des hauteurs de 20 m puis se développe
jusqu’à 50-100 m au-dessus du sol. Sa forme s’apparente à celle d’un chou-fleur et peut
faire penser à une explosion. Etonnamment, l’avalanche ne fait presque aucun
bruit, si ce n’est
un petit chuintement sourd s’apparentant à une cavalcade très lointaine d’un
troupeau d’éléphants. Seul le cliquetis
des caméras des scientifiques et autres journalistes se fait vraiment entendre…
Pression d’impact
La pression d’impact maximale mesurée dans la VdlS
est d’environ 1000 kPa, c’est-à-dire 100t/m2, soit approximativement le poids
de 50 éléphants entassés sur un mètre
quarré. Ces pressions ont été mesurées durant l’hiver extrême de 1999, hiver
durant lequel trois énormes avalanches ont été déclenchées en janvier et
février. Le volume de départ de ces avalanches était d’environ 50'000 m3 chacune, puis augmenta jusqu’à atteindre un volume
supérieur à 200'000 m3 (Fig. 1).
Elles détruisirent la majeure partie des obstacles de mesure (y compris le mât, Fig. 6),
atteignirent le bunker et le recouvrirent de plusieurs mètres de neige.
La configuration du lieu changeât fortement puisque
le vallon d’une hauteur de 50 m, situé entre le bunker et les obstacles, fut
presque totalement comblé par le dépôt des avalanches. Durant les années
2001 et 2002, le mât fut reconstruit plus 'beau' et
plus fort qu’avant afin de résister à une pression de 800 kPa. Jusqu’à maintenant, il a
fièrement survécu aux nouvelles avalanches.
Mesures complémentaires
Le responsable des essais
soutenu par des guides de montagne essaie, dans la mesure du possible, de
déclencher le maximum d’avalanches. A plusieurs reprises, les zones de départ
de Crêta Besse 1‘ et ‚Crêta
Besse 2‘ ont pu être déclenchées le même jour. Avant que les scientifiques aient
l’autorisation d’investir la zone de dépôt pour effectuer des mesures complémentaires,
il est souvent nécessaire de sécuriser le parcours de l’avalanche par d’autres
minages qui libèreront les zones de départ des pans de neige résiduels. C’est encore
une fois par mesures laser depuis l’hélicoptère que la nouvelle répartition de
la hauteur du manteau neigeux se détermine aussi bien dans les zones de déclenchement
que dans la zone de dépôt (Fig. 7).
Les obstacles
- Le banc
de mesure (Fig. 8)
est l’obstacle le plus ancien de la VdlS. Il fut construit en 1997. Sa structure métallique triangulaire
est instrumentée de capteurs de compression mesurant les forces normales
et tangentielles.
- Le mât
de 19 m de hauteur (Fig. 9) fut également construit en 1997. Partiellement détruit en 1999, il fut
reconstruit plus résistant qu’avant. Dans sa partie inférieure, des
capteurs de vitesse sont répartis verticalement tous les 10 cm. Ils sont complétés
par des capteurs de pression, de densité et de force.
- En 2004,
un groupe de chercheurs autrichiens, également
très intéressés par le site, installèrent une grande plaque de
mesure de force sur un ouvrage en béton (Fig. 10).
Les obstacles et les capteurs sont entretenus
par le personnel technique du SLF durant les 'pauses'
estivales. Les capteurs doivent être à nouveau calibrés et les pièces
défectueuses remplacées.
Le système d’acquisition de données doit régulièrement être remis à l’ordre du
jour (Fig. 11). A partir de la fin octobre, le site doit être opérationnel et tout le
monde scientifique attend avec impatience les premières neiges.
Le Bunker
Le bunker (Fig. 2 et 3), construit en
béton armé, a deux étages. L’étage supérieur recueille les radars Doppler et
les caméras vidéo pour la mesure de la vitesse du front. Les radars sont placés
devant des fenêtres et visent la totalité du parcours de l’avalanche. Chaque
fenêtre est munie de clapets qui peuvent/doivent
être fermés juste avant l’arrivée de l’avalanche par l’équipe du SLF. Ceux-ci
se trouvent à l’étage inférieur du bunker, en
sécurité, et supervisent l’acquisition
de données. Ils viennent, si possible, avant les
fortes chutes de neige annoncées par les météorologues car, dès le début de
celles-ci, l’accès au bunker est beaucoup plus compliqué.
Méthodes de mesure expérimentales
Radars Doppler
La vitesse à la
surface de l’avalanche coulante et poudreuse est mesurée à l’aide de radars
Doppler, du départ de l’avalanche jusqu’à son arrêt. Plusieurs radars situés à
l’étage supérieur du bunker sont nécessaires afin de couvrir tous les couloirs
du site.
Vidéogrammétrie
La vitesse du front
de l’avalanche peut aussi être calculée à l’aide de la vidéogrammétrie. Cette
méthode est aussi utilisée pour étudier le développement de la partie poudreuse
de l’avalanche (aérosol) et ses volumes.
Capteurs optiques
En plus de la vitesse à la surface de
l’avalanche, il est aussi important de connaître les répartitions de vitesse à
l’intérieur de celle-ci. Cela permet de connaître son mode d’écoulement. Avec
de tels profils de vitesse, on a une vue sur les processus qui déterminent la dynamique des avalanches. C’est la raison pour laquelle des capteurs
optiques ont été installés sur le mât. Ils peuvent mesurer la vitesse
d’écoulement à différents niveaux.
Capteurs de mesure de force
et de pression d’air
Les forces d’impact sont mesurées par des
capteurs de différentes dimensions (0.1m à 1.0m) installés sur le mât, le banc de
mesure et l’ouvrage en béton. Au sommet du mât, des
capteurs de pression d’air, spécialement développés pour cet usage, mesurent ce
paramètre au-dessus et dans le nuage de poudreuse (aérosol).
Capteurs de capacité
Des capteurs de capacité mesurant la densité et
la hauteur d’écoulement de l’avalanche complètent l’instrumentation du mât.
Télédétection
La connaissance du bilan de masse d’une
avalanche est un facteur déterminant pour la compréhension de la dynamique des
avalanches. Afin de pouvoir calculer ce bilan de masse, il est indispensable de
connaître la hauteur du manteau neigeux sur toute la surface de l’avalanche
avant et après le déclenchement. Pour des raisons
évidentes de sécurité, il est cependant impossible d’aller mesurer manuellement
la hauteur de neige dans la zone avalancheuse. La télédétection est donc le
système utilisé : dans les premières années des essais, il s’agissait de
photogrammétrie mais depuis 2006, cette méthode a été remplacée par le 'laserscanning'. Des mesures de
terrain, où cela
est possible, sont cependant toujours nécessaires.
Radar FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave)
Afin d’affiner les mesures de bilan de masse,
trois paires de radar FMCW (signal à modulation de fréquence linéaire) sont 'enterrées' dans le parcours de
l’avalanche à l’altitude de 2300 et 1900 m.s.m. ainsi qu’à la hauteur des
obstacles. Les radars FMCW mesurent l’érosion du manteau neigeux lors du
passage de l’avalanche ainsi que la hauteur de sa partie coulante.
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