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Force motrice des vagues et de la houle — La nouvelle station d’essais d’hydrodynamique maritime du phare de Biarritz

Pierre Devaux, La Nature N°2937 — 15 septembre 1934

Mis en ligne par Denis Blaizot le jeudi 3 mai 2012

Une station d’expériences est actuellement en construction en l’un des points les plus exposés de la côte de Gascogne, au milieu des rochers du phare de Biarritz en vue d’étudier un nouveau système de moteur-maritime basé sur le principe du bélier-siphon à chambre barométrique (fig. 1, 2 et 3).

Sans vouloir porter sur cette curieuse entreprise un jugement qui serait nécessairement prématuré nous devons constater que ce système élimine d’une façon très ingénieuse une partie des graves difficultés qui s’étaient jusqu’ici opposées à l’emploi de la houle maritime comme moteur ; nos lecteurs pourront en juger eux-mêmes d’après ce bref exposé.

 Les trois sources d’énergie maritime

Pour utiliser une partie des immenses ressources d’énergie que renferme la masse d’eau des océans, on peut s’attaquer soit à l’énergie thermique, comme l’ont fait MM. Georges Claude et Boucherot, soit aux marées à l’aide d’usines « marémotrices » comportant d’immenses bassins d’accumulation, soit enfin aux mouvements plus rapides : houle,vagues,ressac.

La méthode de MM. Georges Claude et Boucherot consiste, comme on sait, à utiliser l’ébullition de l’eau de mer tiède des tropiques (eau de surface) sous pression réduite, pour alimenter des turbines, le condenseur étant refroidi par de l’eau relativement froide, puisée dans la profondeur. De justes espoirs ont été fondés sur ce système dont le champ d’action, il faut bien le remarquer, reste néanmoins circonscrit aux régions équatoriales et tropicales ; nos côtes de France et de l’Afrique du Nord, en particulier, ne présentent pas, entre leurs couches marines superficielles et profondes les différences de température indispensables au fonctionnement des usines de ce type.

Avec les usines marémotrices, la difficulté est d’un autre ordre ; il faut trouver un point de la côte où les dénivellations de la marée soient considérables et où la topographie se prête à l’établissement de bassins d’accumulation très importants. Les quantités d’eau mises en jeu doivent être énormes, eu égard à la faible hauteur de chute ; on est conduit à des dimensions de turbines excessives que viennent limiter les possibilités de transport. Du reste, le principe de ces usines les oblige à marcher sous hauteur de chute variable i toutes ces conditions sont contraires au rendement, et la production est nécessairement réduite à quelques heures par jour. Des essais sont néanmoins en cours ou en projet sur nos côtes bretonnes dans l’estuaire de la Rance, à l’Aber- Vrach et en Écosse.

En mettant les choses au mieux, on voit que les usines thermo-maritimes et marémotrices présenteront toujours un caractère un peu exceptionnel et qu’elles laissent un large champ libre sur nos diverses côtes françaises et coloniales pour un système plus universel et plus régulier.

On est ainsi conduit à tenter d’utiliser la puissance des vagues et de la houle.

 Puissance de la mer par gros temps

Que les vagues marines, surtout par temps de tempête, mettent en jeu des forces et des puissances également colossales, c’est là un fait bien connu dans son ensemble mais qui a été peu étudié dans ses détails.

Nos photographies figures 4 et 5 montrent les dégâts causés à la jetée d’Hendaye-Plage par des vagues venant se briser par choc direct avec un très fort déferlement vertical ; la figure 6 représente une vague de ce type photographiée au môle de Saint-Sébastien. L’aspect « en explosion », avec ses geysers quasi rectilignes, trahit l’apparition de pressions instantanées énormes. Si l’on songe aux effets d’un modeste « coup de bélier » dans une conduite de moyen diamètre, on se rendra compte des poussées que peuvent exercer de semblables vagues sur des surfaces de parement se chiffrant par dizaines de mètres carrés.

Stevenson, en 1844, avait pu obtenir des mesures assez précises de ces poussées au moyen de dynamomètres marins à ressort. Il a donné les chiffres de 1600 kg par m2 pour des beaux temps d’été et de 33000 kg pour les tempêtes ; ce dernier chiffre semble du reste pouvoir être dépassé car on aurait observé des pressions de 50t par m2, par mer absolument démontée.

Des percussions locales d’une intensité presque inexplicable ont été observées à Biarritz lors des grandes tempêtes d’équinoxe. Notre figure 7 montre une perforation complète effectuée par la mer dans l’épaisse murette de la jetée de la Côte des Basques ; sur les figures 9 et 10 on voit les déformations considérables infligées à des barres de fer atteintes par les vagues.

Il est très important de remarquer que les pièces de fer ne sont pas seulement faussées par la dislocation et l’entraînement des blocs de scellement mais par le choc direct de l’eau ; la preuve en a été faite à Biarritz où l’on a pu observer, au cours de plusieurs tempêtes successives, des échelons, des barres cylindriques et même des profilés qui ont été courbés et tordus par des chocs purement hydrauliques ; les profilés pouvaient même être brisés par les vagues quand leur porte-à-faux était suffisant.

De tels efforts semblent correspondre, au bas mot, à des surpressions localisées de l’ordre de 10 à 20 atmosphères (100 à 200 t par m2) provenant de la rencontre de masses d’eau animées de très grandes vitesses. M. de Rouville, dans son ouvrage sur la Construction des tours en mer, indique que de pareilles rencontres peuvent se produire fortuitement, entre des lames, sur le parement des tourelles, en produisant des effets mécaniques presque sans limites ; ainsi s’expliquerait que les débris d’une tourelle recépée au niveau de la fondation ne soient plus déplacés par la mer après leur chute.

Dans d’autres cas, on observe les effets classiques résultant de poussées uniformément réparties (fig. 8) ; les obstacles larges et pleins comme les murs sont alors très éprouvés, tandis que des objets à claire-voie, tels que des bancs, ne paraissent pas avoir souffert. M. de Rouville insiste sur le danger des bandeaux, terrasses évasées et encorbellements ·comme on en plaçait autrefois en haut des colonnes de phares ; il se produit, au moment des grands jaillissements, un effort d’arrachement qui peut disloquer la construction.

Exceptionnellement, on a pu étudier l’érosion produite par une « mitraille » de sable projetée par la mer. Les galets et les débris rocheux, moins mobiles, semblent moins actifs [1] mais le « ragage » des chaînes fixées par une extrémité produit des érosions considérables ; on peut utiliser ce système pour détruire les algues sur les rochers où l’on désire bâtir.

 L’explosion de la voute à La Rochelle

Une autre action extrêmement puissante est l’effet de presse hydraulique, qui prend naissance lorsqu’une surpression se produit dans une cavité complètement remplie d’eau et offrant de grandes surfaces de parois. Ainsi, dans une fente ou faille de rocher présentant des surfaces en regard de 10 m2, il suffira d’une surpression modérée de 1 atm, provenant d’un coup de mer direct sur l’ouverture, pour faire apparaître un effort de séparation de 100 tonnes.

À la jetée de la grande plage de Biarritz, au Casino de Dieppe, à la chaussée d’Hendaye-Plage (fig. 4 et 5), on a observé des destructions dues à cet effet « explosif » ; couronnements arrachés, dallages soulevés, qui viennent s’ajouter aux ravages directs des grandes vagues.

Un exemple très frappant prouve du reste que de telles destructions peuvent se produire par temps calme, sous la simple action du ressac. i s’agit de l’éclatement, vers 1830, de la voûte de La Rochelle, portant la vanne d’alimentation à la mer des anciens fossés de la place [2]

Cette voûte, établie très au fond de la baie et très en arrière des vestiges de la digue de Richelieu, avait été prolongée par des bajoyers, formant un canal courbe à ciel ouvert, destiné à diriger l’impulsion du flot vers les fossés.

Construite en pierres de taille soigneusement appareillées, mesurant 2,50m de longueur, 2 m de largeur et 1,20m d’épaisseur à la clef, pesant au total 28000 kg, la voûte de La Rochelle fut néanmoins soulevée de 0,60m par mer calme et entièrement détruite en 48 h, c’est-à-dire en l’espace de quatre marées.

Le colonel Emy attribuait l’accident initial à une véritable « lame de fond », qui ne serait peut-être qu’une exagération des mouvements locaux, due à des interférences d’ondes. Des efforts colossaux ont été également enregistrés dans un endroit abrité, notamment à La Pallice où d’énormes portes d’écluses ont été faussées et arrachées.

Des impulsions mécaniques très importantes peuvent donc traverser, sous forme ondulatoire, des masses considérables d’eau en repos apparent j et ceci nous amène à parler des ressources d’énergie disponibles en profondeur.

 Énergie de la houle de profondeur

Une critique que l’on fait souvent aux installations d’hydrodynamique maritime est que la puissance recueillie sera nécessairement nulle par temps de calme plat.

Ceci est probablement vrai pour les installations utilisant des rotors ou roues à palettes ; elle l’est déjà moins pour les appareils à flotteurs qui, comme on peut le constater, ne demeurent jamais complètement au repos. Mais il semble bien que si l’on s’adresse aux couches situées à une certaine profondeur, l’énergie disponible reste toujours considérable.

Le professeur Aimé, en 1844, procéda à de très curieuses expériences en vue de déterminer - assez grossièrement - l’ordre de grandeur des impulsions périodiques à diverses profondeurs de la mer. Son appareil consistait en une plaque de plomb au centre de laquelle était attachée, par une cordelette de 20 cm de longueur, une sphère en bois dont l’équateur était hérissé de pointes. Il put ainsi constater qu’à 8,18 et 28 m de profondeur, la sphère était venue marquer fortement la plaque de plomb d’une couronne d’empreintes. Il existerait ainsi, tout au moins en certains points, Une véritable houle de fond.

Le commandant Charcot a lu récemment à l’Académie une note de M. Idrac qui a constaté qu’ « en Méditerranée dans la baie de Villefranche, il se produisait des mouvements de masses d’eau, formant parfois une sorte de petite tempête, à des profondeurs telles qu’il n’en résultait aucune agitation à la surface »,

Un phénomène classique décèle parfois ces tempêtes de la profondeur : c’est l’apparition du trouble à la surface, qui peut se produire avec une extrême soudaineté sur les atterrages présentant des ressauts sous-marins. Au phare d’Ar-Men, où un tel ressaut existe, la tour eut à souffrir de ces lames de fond par temps calme, qui occasionnèrent la mort d’un gardien. Nos photographies figures 1 et 13, prises par un même avion à quelques minutes d’intervalle, montrent avec quelle rapidité change l’aspect de la mer autour du phare de Biarritz. Il est à prévoir que dans une mer d’aspect tranquille, comme celle de la figure 3, il existe des quantités d’énergie importantes que l’on pourrait capter dans la profondeur.

Résumons ici ce que l’on peut dire sur la distribution des mouvements rapides de la mer.

En surface et au large, on rencontre la grande houle classique, dont il existe une théorie mathématique très complète. Dans la houle-type, les molécules d’eau décrivent des circonférences verticales, leur vitesse étant dirigée dans le sens du mouvement de l’onde au sommet de la lame et en sens inverse dans le creux.

Aux atterrages, la proximité du fond exerce sur la base des lames un effet de freinage qui se traduit par le déferlement de la partie supérieure. La vague finit par chavirer et se brise, en produisant une percussion intense. Réfléchies par un obstacle à peu près vertical, les lames peu à peu brisées, reviennent interférer avec les nouvelles vagues en produisant le ressac, dans lequel le mouvement des molécules s’effectue suivant des verticales.

Pour soutirer aux vagues une partie importante de leur énergie, il est souhaitable de mettre à profit l’énergie cinétique des masses d’eau en même temps que l’augmentation de pression que produit, même sans déferlement, le passage de la houle.

L’apport d’énergie maritime en surface, tout au moins sur nos côtes de l’Atlantique, est assez élevé. Des recherches récentes, effectuées par le Service maritime du Maroc, permettent d’évaluer la puissance brute de la houle à 200 ch par mètre linéaire de rivage en hiver, 70 ch en été et 135 ch en moyenne. Toutefois, cette puissance peut varier dans le rapport de 1 à 30 et c’est précisément ce qui en rend la captation difficile.

En profondeur, les phénomènes paraissent plus constants, mais ils ont été étudiés assez peu et surtout dans leurs répercussions à la surface. De là l’intérêt de la méthode que nous décrivons aujourd’hui, qui se prête à l’étude des énergies sous-marines tout en permettant une utilisation appréciable.

 Principe de la chambre barométrique maritime

Imaginons qu’à 7 ou 8 m au-dessus du niveau des basses mers, nous installions un réservoir en acier ou en ciment parfaitement hermétique et jaugeant quelques mètres cubes ; par une large conduite, également étanche, ce réservoir communique avec la mer en un point situé notablement au-dessous de la surface.

Si nous faisons le vide dans le réservoir au moyen de pompes, l’eau s’élèvera jusqu’à un niveau correspondant au degré atteint par le vide, mais — et ceci est fort important — ce niveau ne restera pas immobile : il suivra fidèlement toutes les oscillations du niveau extérieur, la distance verticale de ces deux niveaux restant rigoureusement constante,

Pratiquement, la chambre barométrique ne décèlera pas seulement les variations de la pression statique au point où débouche la conduite mais les à-coups de pression dynamique provenant des houles profondes et des interférences d’ondes, ainsi que les impulsions cinétiques directes si l’ouverture de la conduite est tournée du côté où arrivent les vagues.

Rien ne nous empêche, maintenant, de munir notre réservoir d’une seconde conduite débouchant en un point abrité et de placer un clapet dans la conduite d’admission ; un courant d’eau continu pourra ainsi être obtenu, grâce à la régularisation introduite par le réservoir.

Remarquons du reste qu’il n’est pas indispensable de disposer, pour le débouché de la conduite de fuite, d’un emplacement abrité ; il suffira que cet emplacement se trouve à une distance de l’entrée de la conduite d’admission égale à la distance moyenne qui sépare une crête de houle du creux voisin ; dans ce cas, un clapet de sortie sera nécessaire. On pourra également prévoir plusieurs conduites d’admission, munies de clapets individuels et s’ouvrant en des points différents, de façon à disposer de plusieurs arrivées d’eau successives pour chaque houle ; on utilisera ainsi au mieux les impulsions produites tout autour de la roche, tout en « polyphasant » l’adduction, dont le flux deviendra plus régulier.

Nous avons là tous les éléments d’une station d’études qu’il suffira de compléter par une turbine, montée sur la conduite de fuite, pour obtenir une petite usine d’essais.

 Les installations de Biarritz

Le « laboratoire d’hydrodynamique maritime de Biarritz » (fig. 1 et 3) a été installé en un point de la côte judicieusement choisi, sur le revers nord du cap Saint-Martin qui porte le phare. Sur cette face, qui reçoit en plein le choc de la mer par vent de norois, la falaise est à peu près accore, à l’inverse de l’extrémité du cap, qui présente des plateaux où la mer déferle irrégulièrement suivant l’heure de la marée [3]. Notre photographie montre comment la construction a pu être encastrée dans un angle de la muraille rocheuse, sur un petit plateau naturel, et reliée au terre-plein de phare par des escaliers extérieurs.

Le gros œuvre en béton, seul terminé actuellement, présente la forme incurvée classique des ouvrages appelés à supporter l’effort direct des vagues ; construit en un point où les coups de mer sont particulièrement dangereux, il constitue un renforcement appréciable pour la falaise, mais on a été conduit à lui donner une masse beaucoup plus importante que ne le comportait le projet primitif, en vue de lui assurer la stabilité nécessaire.

Nos figures 11 et 12, reproduites d’après les plans de M. Grasset, montrent clairement la disposition intérieure projetée du laboratoire-usine. On notera, outre la conduite de trop-plein, une vanne de by-pass, autrement dit de passage direct, permettant, en cas de gros temps d’évacuer les masses d’eau engouffrées sans les faire passer par le réservoir ; cette vanne sert également pour obtenir l’arrêt complet de l’usine.

 Propriétés du siphon à colonne barométrique

Pour nous faire une idée correcte des avantages et des inconvénients du dispositif à chambre barométrique, il est commode de remarquer que ce dispositif est totalement équivalent, pour les échanges d’énergie et la circulation de l’eau, au bassin à ciel ouvert que représente la figure 14.

L’eau de la mer agitée pénètre par la conduite O, soulève le clapet C et entre dans le bassin A ; de là elle s’écoule à travers la turbine T dans une anse en mer calme B. Il est clair que la création d’une dépression barométrique n’a d’autre effet que de surélever artificiellement le niveau de A mais ne fournit ni n’absorbe aucune énergie mécanique.

Le fonctionnement de la turbine repose sur la différence de hauteur h qui existe entre le niveau moyen de la mer en B et le niveau plus élevé qui existe dans le bassin A du fait des impulsions (dynamiques et hydrostatiques) de la mer dans la conduite d’entrée O.

Ceci nous montre tout d’abord que l’on ne pourra utiliser la totalité des impulsions, jusqu’aux plus petites, mais uniquement les maxima d’impulsion suffisants pour ouvrir le clapet C, c’est-à-dire dépassant la différence de niveau h  ; de plus, nous n’utiliserons pas les dépressions, provenant des oscillations de la mer ; on y arriverait cependant en faisant déboucher la turbine dans un bassin inférieur communiquant avec la mer agitée par des clapets de sortie et où s’établirait un niveau inférieur au niveau moyen de la mer.

Par contre, n’opérant que sur des différences ce système est totalement insensible à la marée et ceci sans aucun artifice d’« usine flottante » ; de plus, les appareils de mesure et la turbine sont soustraits à l’action destructrice de la mer et alimentés par un courant d’eau régulier. Ces avantages sont communs au système à ciel ouvert représenté figure 14 et au dispositif barométrique, mais ce dernier, grâce à la dénivellation qu’il permet d’établir, peut être installé à peu près n’importe où sans digues de protection coûteuses.

Il est à remarquer que des systèmes à clapets ont été appliqués sur la côte de la Méditerranée, notamment en « Coustière » près de Fos-sur-Mer, pour favoriser la vidange des eaux littorales des étangs dans la mer. Grâce à de larges clapets battants, on peut théoriquement abaisser le niveau d’un étang au-dessous du niveau moyen de la mer, au voisinage du niveau le plus bas des dépressions qui se produisent devant des clapets.

Une question importante est celle de l’entretien du vide qui ne se conservera nullement de lui-même à cause de l’intense dégagement d’air dissous qui se produira nécessairement dans l’eau de mer. Les chiffres fournis par MM. Claude et Boucherot, qui opéraient avec un vide beaucoup plus poussé, de l’ordre du 300e d’atmosphère, permettent d’espérer qu’on ne dépensera guère, pour le fonctionnement de la pompe à vide, plus de 10% de l’énergie captée.

 Avenir et possibilités immédiates

En résumé, le système à chambre barométrique permet d’expérimenter sur des mers très violentes tout en maintenant les expérimentateurs et les appareils à l’abri ; il recueille les énergies cinétiques ainsi bien qu’hydrostatiques des vagues (d’où le nom de « bélier-siphon ») ; il doit fournir un courant d’eau régulier, sous une hauteur de chute réglable par la manœuvre du by-pass, ce qui permettra d’opérer les mesures par temps calme aussi bien que par gros temps.

Quand il s’agira d’équiper la station avec des turbines, celles-ci pourront être d’un type courant et peu coûteux utilisé pour les petites chutes de faible hauteur. Ainsi au point où en sont actuellement les travaux, les aléas matériels sont des plus réduits.

Comme bien des choses en France, à l’origine, cette intéressante entreprise a été entièrement l’œuvre de l’initiative privée. Nous souhaitons que la petite société d’études du « Laboratoire hydrodynamique marin » puisse trouver les moyens financiers du reste peu considérables, qui lui permettront de terminer sa tâche dans le cadre modeste qu’elle s’est assigné.

Au point de vue scientifique comme au point de vue de l’économie nationale l’expérience mérite d’être menée à bien.

Pierre Devaux, Ancien élève de l’École Polytechnique.


[1Virgile parle de ce mouvement des pierres dans les tourbillons de Charybde :

« At gemitum ingentem pelagi, pulsataque saxa,

« Audimus longe, fractasque ad littora voces.

[2Du mouvement des Ondes et des Travaux hydrauliques maritimes, par A. R. Emy, colonel du Génie en retraite, ex-directeur des Fortifications de La Rochelle et de Bayonne, 1831.

[3Le laboratoire hydrodynamique se trouve presque à l’emplacement de la célèbre grotte appelée « Chambre d’Amour », en mémoire de deux amants qui s’y seraient laissé surprendre par la marée montante, et qui a donné son nom à toute la plage jusqu’à la Barre de l’Adour.

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