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Processus et causes de défaillance du génie végétal pour la stabilisation des berges de rivière : retour d’expérience sur un large jeu de données issues de la BD GeniVeg

Why and how do soil bioengineering structures for river bank stabilization fail? Feedback on a large dataset from the GeniVeg database
Solange Leblois, André Evette, Delphine Jaymond, Guillaume Piton et Alain Recking

Résumés

Le génie végétal en rivière tire profit des propriétés des végétaux pour la stabilisation et la protection des berges, en les intégrant dans des ouvrages d’ingénierie reproduisant des structures naturelles fonctionnelles. L’utilisation croissante de ces techniques est freinée par un nombre encore restreint de critères dimensionnants. L’étude d’ouvrages défaillants à travers l’observation de mécanismes de ruptures et leurs causes permet de cibler les points de dysfonctionnement et ainsi d’établir des recommandations visant à prévenir l’apparition de ces défaillances et d’optimiser conception et mise en œuvre. L’analyse de 223 ouvrages défaillants, comprenant 269 techniques mises en œuvre, a permis de récolter 454 observations de défaillances. Les symptômes observés sont : une mauvaise reprise de la végétation, une déstructuration totale ou partielle de l’ouvrage et des érosions en pied, à l’arrière ou aux extrémités de l’ouvrage et autour de points durs. Les principales causes de mauvaise reprise de la végétation sont l’ennoiement, l’assèchement de la végétation, l’ombrage, l’absence de contact avec le substrat et la concurrence entre espèces. Les érosions en pied de berge sont les plus observées suivies par les érosions à l’arrière de l’ouvrage. La conjonction de multiples érosions pouvant aboutir à la destruction de l’ouvrage, anticiper ces dernières dès la conception ou reprendre les ouvrages lors de premières traces d’érosion devrait limiter les destructions complètes. De plus, contrôler les érosions permet le maintien du substrat nécessaire à la reprise de la végétation. Les causes de mauvaise reprise de la végétation et les défaillances mécaniques rappellent l’importance d’un suivi et entretien accru de l’ouvrage les premières années qui suivent sa construction.

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Notes de la rédaction

Manuscrit reçu le 28 mai 2021, reçu sous forme révisée le 22 février 2022, définitivement accepté le 14 mars 2022

Texte intégral

Les auteurs remercient l’OFB pour son soutien financier ainsi que les gestionnaires d’ouvrages de génie végétal pour leurs expériences partagées et leur enthousiasme. Nous remercions également l’ensemble des intervenants impliqués dans la base de données GeniVeg.

1. Introduction

1Les aménagements en génie végétal font partie des solutions dites « fondées sur la nature », (Keesstra et al., 2018). Comme défini par Schiechtl et Stern (1997) et Zeh (2007), le génie végétal se construit sur les bénéfices fournis par les plantes : arbres, arbustes et herbacées sont utilisés dans des ouvrages d’ingénierie reproduisant des structures naturelles fonctionnelles afin de stabiliser pentes et berges.

2Les ouvrages en rivière ont souvent pour fonction principale de stabiliser les talus en contrôlant les érosions tout en améliorant les fonctionnalités écologiques (Cavaillé et al., 2018) et paysagères. Ces techniques, dont des traces ont été retrouvées au Ier siècle av. JC ont été largement utilisées au XVIIIe et XIXe siècle en Europe de l’ouest (Evette et al., 2009). De tout temps ces techniques ont été essentiellement dimensionnées de manière empirique, sur la base d’observations de configurations naturellement stables et de retours d’expériences.

3De nombreux guides offrent des préconisations techniques qualitatives pour la mise en œuvre du génie végétal, par exemple pour les rivières européennes de climat tempéré (Lachat et al., 1994 ; Gray et Sotir, 1996 ; Schiechtl et Stern, 1997 ; Degoutte, 2006 ; Zeh, 2007 ; Adam et al., 2008 ; BAW, 2010 ; Bonin et al., 2013 ; Peeters et al., 2020). Ils sont complétés par l’utilisation de quelques rares critères quantitatifs que sont la contrainte tractrice et la puissance du cours d’eau (Leblois et al., 2016 ; Peeters et al., 2020).

4Cet attrait pour le génie végétal se justifie également par des coûts réduits de mise en œuvre (Watson et al., 1997 ; Dave et Mittelstet, 2017) et d’entretien au regard de la longévité des ouvrages comparés à des ouvrages complets en génie civil (Piégay et al., 2005 ; Pinto et al., 2016). Le génie végétal connaît, une fois mis en place, une période de fragilité avant reprise de la végétation (Evette et Frossard, 2009) et n’est pleinement efficace que 2 à 4 ans après réalisation. Les performances théoriques des ouvrages, sous réserve d’un entretien approprié du site, ne cessent ensuite d’augmenter puis de se stabiliser au bout de 10 à 15 ans. L’accroissement de leur capacité de résistance à l’arrachement dans le temps le confirme (Leblois et al., 2016 ; Peeters et al., 2018). A l’inverse un ouvrage de génie civil est bâti avec un haut niveau de performance qui ne cesse de se dégrader à l’usage (Pinto et al., 2016 ; Bigham, 2020) et nécessite donc un entretien accru. Ouvrage inerte, il n’a pas la capacité auto-réparatrice du vivant.

5Les méthodes de génie civil traditionnelles très efficaces localement, parfois surdimensionnées (Recking et Pitlick, 2013), ou faisant trop souvent fi des espaces de bon fonctionnement (Piégay et al., 2005) peuvent engendrer des déséquilibres non souhaités à l’aval des ouvrages du fait de la fixation du lit ou de la modification du transport solide (Odgaard, 1989 ; Thorne, 1992 ; Jafarnejad Chaghooshi et al., 2014). Ces ouvrages ont également une empreinte écologique forte (Paratscha et al., 2019 ; Von der Thannen et al., 2020).

6Quelle que soit la technique utilisée, Bonin et al. (2013) et Pinto et al. (2019) rappellent que toute intervention doit être précédée d’une étude globale. Une érosion ne doit être maîtrisée que si les enjeux à protéger sont forts ou si la cause ne peut être annihilée. En effet l’érosion est un processus naturel, support de la fourniture en matériaux de la rivière (Fox et al., 2016), nécessaire à son bon fonctionnement. L’érosion engendre également une dynamique morphologique créatrice d’habitats aquatiques et rivulaires (Piégay et al., 2005 ; Florsheim et al., 2008).

7Afin de pouvoir appréhender les processus de défaillance sur les ouvrages de génie végétal, l’étude présente en premier lieu un état de l’art détaillant les processus d’érosion en berge, le rôle de la végétation sur la stabilité des berges et les causes de défaillance décrites sur retours d’expérience. Dans un second temps la méthodologie mise en œuvre pour analyser les ouvrages en génie végétal est détaillée suivie par la présentation des résultats se concentrant sur les ouvrages défaillants. Enfin, la discussion met en relation ces résultats avec les connaissances empiriques du terrain et la littérature spécifique à la cause de défaillance observée.

2. Etat de l’art

2.1. Erosion en berge

8L’érosion de berge est un processus répondant à l’interaction entre les forces hydrauliques et les forces gravitationnelles. La berge rompt lorsque les contraintes motrices sont plus importantes que les contraintes de résistance (Thorne, 1982). Les processus sont classés entre terrestres (ou subaériens) et fluviaux (Chassiot et al., 2020).

2.1.1. Processus terrestres

9Les processus terrestres sont divisés entre processus lents préparatoires – infiltration, dessiccation, dégel et regel – qui fragilisent la berge, et processus rapides – ruissellement de surface, glissement et effondrement - qui marquent le recul de la berge. Ces processus sont directement liés à l'humidité du sol et donc aux matériaux qui le composent (Thorne, 1982). Les épisodes de gel peuvent être responsables d’une partie importante de l’érosion de berges et du degré de développement des méandres y compris en Europe de l’ouest (Wallemacq et al., 2011).

10En berges de rivière, le processus rapide se fait par glissement en plan, parallèle ou non à la pente de berge : effondrement de la berge suite à un sous-cavage, rupture de tranches verticales, glissement de coin ou glissement circulaire (Thorne, 1982). Dans le cas d’un processus lent, l'infiltration agit par trois mécanismes sur la stabilité des berges (Fox et Wilson, 2010) :

11(i) la pression interstitielle en milieu non saturé qui est définie par la différence de pression entre l'air et l'eau dans le sol : moins le sol est saturé plus elle diminue et plus la cohésion apparente et donc la résistance au cisaillement du sol augmentent (Fredlund et al., 1978).

12(ii) la force exercée par le poids de l’eau infiltrée sur les particules de sol qui engendre glissement ou liquéfaction lorsqu’elle est équivalente au poids des sédiments submergés. Ce type de rupture est plus fréquent sur des matériaux non cohésifs (Ghiassian et Ghareh, 2008).

13(iii) l'érosion par infiltration (érosion interne) : les particules de sol sont transportées en dehors de la berge et liquéfient le sol au point de sortie. Ce phénomène crée un sous-cavage qui peut entraîner la formation de fissures puis la rupture de la berge (Fox et al., 2006). Wilson et al. (2007) et Chu-Agor et al. (2008) ont montré qu'un faible degré de sous-cavage par infiltration entraîne une forte réduction de la stabilité de la berge.

14Rinaldi et Casagli (1999) et Rinaldi et al. (2004, 2008) ont montré que les ruptures de berge ont lieu préférentiellement durant la décrue lorsque les flux s’inversent et se font de la berge vers la rivière par un effet cumulé d'une pression interstitielle encore élevée en berge et de la réduction de la pression hydrostatique de la rivière qui confine la berge durant la crue.

2.1.2. Processus fluviaux

15L'érosion fluviale fait référence à l'abrasion et à l’entrainement de matériaux par la rivière. Le départ d'agrégats ou particules individuelles se fait par détachement mécanique sur la partie de la berge exposée à la rivière. Ainsi la section en pied est la plus concernée par cette érosion.

16Les berges des rivières s'écoulant dans des dépôts alluvionnaires sont souvent composées de matériaux cohésifs (argile, limons) qui reposent sur des matériaux sans cohésion comme des sables et des graviers. Le phénomène d'érosion de berge est alors décrit par un cycle constitué de trois phases (Thorne et Tovey, 1981 ; Fukuoka, 1994) :

17(i) érosion en pied de berge des matériaux non cohésifs par arrachement de particules créant un sous-cavage (processus fluvial) ;

18(ii) rupture des matériaux cohésifs sus-jacents de la berge sous leur propre poids (processus terrestre rapide) ;

19(iii) érosion des matériaux tombés en pied de berge avant reprise de l'érosion sous-cavente (processus fluvial).

20La cohésion du sol ressort comme élément essentiel de la tenue de la berge. Hooke (1979) et Lawler et al. (1997) ont constaté que l'érosion de berges cohésives est plus corrélée au taux d'humidité, tandis que l'érosion de berges peu cohésives est plus contrôlée par les conditions hydrauliques. Ces travaux vont dans le même sens que les travaux de Couper (2003) qui a montré que les berges avec un plus fort contenu en limon et argile (plus cohésives) sont plus soumises aux érosions dites subaériennes localisées en milieu à haut de berge. A l'inverse elles résistent mieux aux érosions fluviales localisées essentiellement en pied au contact de l'eau.

2.2. Effet de la végétation sur la stabilité des berges

21La végétation, par des effets directs et indirects, joue un rôle majeur dans la stabilisation des berges. Ces effets difficilement quantifiables peuvent être positifs et négatifs (Greenway, 1987 ; Thorne, 1990 ; Wu, 1994 ; Collison et Anderson, 1996), bien que la végétation montre généralement un effet stabilisant sur les berges (Pollen, 2007).

2.2.1. Effets du système caulinaire (i.e., aérien)

22Le système caulinaire impacte les vitesses d’écoulement et la sédimentation avec une forte variabilité spatiale (Yager et Schmeeckle, 2013). En fonction de sa flexibilité et de sa submersion, le système caulinaire augmente la rugosité des berges (Piégay et al., 2003 ; Hurson et Biron, 2019). Il a pour effet hydraulique la réduction des vitesses d'écoulement au contact de celle-ci et la dissipation d'énergie par turbulence et redistribution des flux, réduisant ainsi l’érosion (Greenway, 1987 ; Clark et Hellin, 1996 ; Gray et Sotir, 1996 ; Schiechtl et Stern, 1997 ; Chen et al., 2011). La réduction des vitesses permet la sédimentation par « effet peigne » (Lavaine et al., 2015). À l’inverse, les concentrations et accélérations de flux et turbulences engendrées par des tiges rigides peuvent aussi être source d’érosion (Clark et Hellin, 1996 ; Suárez Díaz, 2001 ; Yager et Schmeeckle, 2013).

23Les feuilles et tiges souples, ployant sous l’action du courant forment un « tapis », protégeant mécaniquement les berges en isolant le sol du contact de l’eau (Clark et Hellin, 1996 ; Gray et Sotir, 1996 ; Súarez Díaz, 2001).

2.2.2. Effets mécaniques sur le sol

24La végétation impacte la tenue du sol contre l’érosion par des effets mécaniques et des effets hydrologiques (Gray, 1974 ; Gray et Sotir, 1996). Les effets mécaniques agissent à la fois sur le processus terrestre rapide d’érosion qu’est le glissement et le processus lent d’érosion interne par infiltration.

25Le sol est robuste en compression plus qu'en tension. Un sol comprenant des racines – qui permettent une meilleure résistance à la traction (Reubens et al., 2007) – montre donc une résistance accrue au cisaillement (Thorne, 1990). Plusieurs études montrent que la résistance à la traction des racines est, par une relation non linéaire, inversement proportionnelle au diamètre de celles-ci à surface identique. La composition chimique des racines, avec une plus forte présence de lignine pour une plus faible présence de cellulose et alpha-cellulose sur de petites racines, semble expliquer cette résistance accrue (Zhang et al., 2014). Dans un cas de rupture de berge, les racines peuvent se casser ou être extraites en fonction de l'humidité du sol, de sa résistance au cisaillement et du type de racines. En conditions comparables, les plus petits diamètres tendent préférentiellement à casser tandis que les racines plus larges sont extraites. Dans un sol sec avec une résistance au cisaillement forte, les racines sont en prédominance cassées et inversement sont extraites en sol humide (Pollen, 2007).

26Les racines des arbres s’ancrent dans des couches solides, servant de support ou de contrefort aux couches de sols superficiels. Entre les systèmes racinaires des arbres contigus se forment des effets de voûte qui stabilisent le talus (Clark et Hellin, 1996 ; Gray et Sotir, 1996 ; Suárez Díaz, 2001). L'ancrage par des racines profondes joue un rôle moins important en rivière (Simon et Collison, 2002), avec le développement préférentiel de racines traçantes de la ripisylve en réponse aux conditions contraignantes d’anoxie dépendantes des horizons sédimentaires en place et de la proximité de la nappe (Jackson et al., 1996). De plus la colonisation du sol par les racines dépend de la granulométrie. Elle est facilité sur des textures grossières et à faible cohésion (Foussadier, 2003). Les racines superficielles retardent l’entrainement des particules (Khanal et Fox, 2017) et forment un treillis dense sur les 30 à 50 premiers centimètres, créant un réseau structuré et souple qui maintient le sol (Clark et Hellin, 1996 ; Gray et Sotir, 1996 ; Suárez Díaz, 2001 ; Simon et Collison, 2002).

27La végétation apporte une surcharge sur la berge qui permet une augmentation de la stabilité par compression mais qui est aussi pourvoyeuse d’instabilité en augmentant le poids appliqué sur la surface de rupture. Considérant, dans le cas de berge de rivière, des matériaux disposés avec une pente importante, le poids aura plutôt un effet déstabilisateur (Simon et Collison, 2002). Autre effet mécanique négatif, les troncs transfèrent au sol les forces exercées par le vent sur le houppier avec les risques de déracinement associés (Clark et Hellin, 1996 ; Gray et Sotir, 1996 ; Suárez Díaz, 2001).

2.2.3. Effets hydrologiques sur le sol

28La végétation augmente la stabilité du sol par évapotranspiration et en interceptant les précipitations qui se seraient autrement infiltrées (Clark et Hellin, 1996 ; Gray et Sotir, 1996 ; Suárez Díaz, 2001 ; Simon et Collison, 2002 ; Ghestem et al., 2011). Ces processus diminuent l’humidité du sol et ainsi augmentent sa cohésion apparente en diminuant la pression interstitielle (Li et al., 2006). L'interception par les feuilles des précipitations limite également le tassement du sol, ce qui maintient sa capacité d'infiltration (Clark et Hellin, 1996 ; Gray et Sotir, 1996 ; Suárez Díaz, 2001). Ces effets hydrologiques positifs ont donc essentiellement lieu en dehors des périodes de dormance de la végétation et sont plus importants sur des sols non saturés.

29Les effets hydrologiques négatifs de la végétation sur la tenue des berges sont la concentration des flux favorisant alors l’érosion interne autour de cheminements préférentiels que peuvent être les tiges, puis les racines ou les chenaux suite à la dégradation de racines (Ghestem et al., 2011) et l'accroissement du nombre et de la taille de macro-pores dans la berge. Par ailleurs, en consommant l’eau, les végétaux accentuent les fentes de dessiccation et donc la perméabilité et le volume disponible pour l’infiltration (Clark et Hellin, 1996 ; Gray et Sotir, 1996 ; Suárez Díaz, 2001), facilitant les érosions terrestres par infiltration (§ 2.1.1.).

2.3. Défaillance des ouvrages de génie végétal

30La littérature concernant les défaillances observées sur les ouvrages de génie végétal est limitée et les processus sont peu décrits. Elle se rapporte généralement à des résultats de suivi de projets en génie végétal (Rauch et al., 2014). Ces études montrent l’importance de la reprise de la végétation pour la tenue du projet, malgré quelques défaillances apparentes sur des structures rigides (Buchanan et al., 2014), ou l’application sur des rivières intermittentes (Dhital et Tang, 2015). Ces études sont spécifiques à certaines techniques : tressage (Anstead et Boar, 2010 ; Anstead et al., 2012), caissons (Krymer et Robert, 2014) ou les comparent entre elles (Dave et Mittelstet, 2017).

31Recking et al. (2019) ont recensés sur la base d'un travail sur modèle réduit cinq processus observables pouvant aboutir à la rupture des fascines : (i) érosion en pied menant à une érosion de berge à l'arrière de l'ouvrage, également observé par Karle et al. (2005) et Anstead et Boar (2010) ; (ii) érosion de surface au droit du talus sus-jacent ; (iii) contournement de la fascine par l'amont ; (iv) contournement de la fascine par l'aval ; (v) érosion à un point de discontinuité de la fascine. Lorsque plusieurs processus se recoupent, l'érosion s'emballe rapidement pour aboutir à la destruction de l'ouvrage.

32Anstead et Boar (2010) ont analysé 37 projets de tressage parmi lesquels 4 ont rompus et 11 montrent des dommages apparents sur la structure de l'ouvrage ou une mauvaise reprise de la végétation. Les causes d’échecs sont synthétisées dans le Tableau 1. Les érosions en pied et à l'arrière de l'ouvrage durant des périodes d'inondation expliquent une forte part des dommages.

Tab. - Occurrence et causes de rupture de tressages réalisés au Royaume-Uni entre 1989 et 2009 incluant 4 ouvrages détruits et 11 ouvrages détruits partiellement ; traduit de Anstead et Boar (2010).
Tab. 1 – Occurrence of various causes of failure in willow spiling projects in the UK carried out between 1989 and 2009, based on documentation from 4 failed and 11 partially failed projects, Anstead et Boar (2010).

Tab. - Occurrence et causes de rupture de tressages réalisés au Royaume-Uni entre 1989 et 2009 incluant 4 ouvrages détruits et 11 ouvrages détruits partiellement ; traduit de Anstead et Boar (2010).Tab. 1 – Occurrence of various causes of failure in willow spiling projects in the UK carried out between 1989 and 2009, based on documentation from 4 failed and 11 partially failed projects, Anstead et Boar (2010).

33Batier (2004), dans le cadre d'un retour d'expérience sur 10 ans, a recensé sur un unique cours d’eau 79 ouvrages, essentiellement des fascines et des peignes, sur lesquels il a cherché les paramètres impactant la réussite des ouvrages. Les principales défaillances observées sont les érosions en pied de berge et les érosions sur toute la hauteur de la berge. Les facteurs de pérennités suivant sont recensés : réalisation des ouvrages à la fin de l’hiver pour une reprise favorable de la végétation ; positionnement hors méandre, les contraintes y étant moins importantes ; une forte couverture végétale, correspondant à une bonne reprise de la végétation et l'absence de rongeur.

34Sur 4 techniques observées sur 19 ouvrages : fascine, peigne, caissons et épis, Peeters et al. (2018) ont constaté trois causes principales de dégradation : (i) une mauvaise reprise de la végétation (exposition, coupes non gérées, animaux) ; (ii) un défaut de conception (remplissage inadapté, mauvais dimensionnement) ; (iii) une mauvaise prise en compte des caractéristiques de la rivière (énergie, matériaux en suspensions, courbure du méandre).

35Généralement plusieurs facteurs se cumulent pour aboutir à la rupture de l’ouvrage. Les causes et l'importance de chacune sont souvent difficilement identifiables. Le Tableau 2 synthétise de manière non exhaustive les causes principales de défaillance relevées dans la littérature.

Tab. 2 – Principales causes de défaillance des ouvrages de génie végétal en berge de rivière issues de la littérature.
Tab. 2 – Main causes of failure of soil bioengineering structures from the literature.

Tab. 2 – Principales causes de défaillance des ouvrages de génie végétal en berge de rivière issues de la littérature.Tab. 2 – Main causes of failure of soil bioengineering structures from the literature.

36Plusieurs travaux rappellent l'importance de l'entretien des ouvrages surtout les premières années (Anstead et al., 2012 ; Peeters et al., 2018), avec une meilleure chance de succès si on remédie aux premiers désordres dès la première année (Pezeshki et al., 2007). La taille des saules favorise leur développement racinaire (Schiechtl et Stern, 1997) ainsi que la production de tiges souples et de meilleur qualité. Ces tiges souples vont par ailleurs jouer un meilleur rôle de protection que des tiges rigides de plus gros diamètre (effets peignes et tapis). Un ouvrage pour lequel la végétation meurt retrouve des niveaux de protection similaires à un ouvrage fraîchement réalisé (Anstead et Boar, 2010).

3. Méthode

3.1. Données

37Le jeu de données utilisé dans le cadre de cette étude est issu de la base de données BD GeniVeg (i.e., https://genibiodiv.inrae.fr/​en/​database-of-french-constructions/​) (Jaymond et al., 2021), complétée par des visites sur site d'ouvrages dégradés. INRAE Grenoble est porteur depuis 2017 de la création de cette base de données sur le génie végétal développée en coopération avec l’OFB. Elle recense des ouvrages (principalement sur le territoire français) comportant des techniques de génie végétal pour la protection des berges de cours d’eau et plans d’eau. Parmi les informations fournies par la base de données, l'étude a exploité pour chaque ouvrage les données suivantes : techniques utilisées, état de l'ouvrage, photographies de l'ouvrage, commentaires fournis par les gestionnaires d'ouvrages et retours de visites.

38L'état de l'ouvrage est fourni dans la base de données par une note allant de 1 à 5 comme détaillé par Jaymond et al. (2021). La note 1 correspond à un ouvrage détruit ne répondant plus à la fonction souhaitée, 3 à un ouvrage abimé et 5 à un ouvrage en excellent état. Les ouvrages sélectionnés pour caractériser les modes de défaillances sont les ouvrages pourvus d'une note allant de 1 à 3.

39Les sites étudiés sont localisés essentiellement en France comme présenté sur la Figure 1. La pente et la largeur moyenne répertoriées au niveau des ouvrages sont respectivement de 1 % et 16 m. 50 % des sites sont compris dans l’intervalle de pente 0,3 à 1,2 % et dans l’intervalle de largeur 4 à 10 m.

Fig. 1 – Localisation des ouvrages en génie végétal en berge de rivière exploités dans l’étude. Ces ouvrages sont issus de la base de données GeniVeg.
Fig. 1 – Location of soil bioengineering works for riverbank protection used in the study. The dataset is taken from the GeniVeg data base.

Fig. 1 – Localisation des ouvrages en génie végétal en berge de rivière exploités dans l’étude. Ces ouvrages sont issus de la base de données GeniVeg.Fig. 1 – Location of soil bioengineering works for riverbank protection used in the study. The dataset is taken from the GeniVeg data base.

3.2. Techniques observées

40Les ouvrages de stabilisation de berge peuvent être divisés entre les ouvrages de protection qui protègent directement la berge des attaques des écoulements et les ouvrages positionnés dans le lit de la rivière qui déplacent les flux et éloignent ainsi les écoulements des enjeux (Bigham, 2020).

41Cette étude ne concerne que la première catégorie. Les techniques suivantes sont étudiées : fascine d'hélophytes, bouturage et plantation, peigne, tressage, fascine de saules, lit de plants et plançons, couche de branches à rejet, caisson et géotextile. Chaque ouvrage est potentiellement constitué de plusieurs de ces techniques. Il peut également posséder des enrochements en pied, l'ouvrage est alors dit en génie mixte.

3.3. Analyse

42Les ouvrages sont étudiés au cas par cas dans l'objectif de lister les défaillances observées ainsi que leurs causes probables. Dans le cadre de cette étude, les défaillances sont considérées comme les dégradations ne permettant plus à l’ouvrage en génie végétal d’assurer sa fonction de protection contre l’érosion.

43Les observations de défaillance ont été collectées, puis classées. Les causes probables, souvent multiples, de ces observations de défaillance sont identifiées grâce à un travail d’expertise de terrain, d’analyse de photographies et d’informations fournies par les gestionnaires d’ouvrages. Pour synthétiser, le présent travail correspond à la chaîne d'analyse suivante : (i) recensement d'ouvrages présentant des défaillances ; (ii) description des défaillances observées ; (iii) prospection des causes possibles expliquant ces défaillances ; et (iv) production de recommandations.

44Chaque ouvrage - défini par une technique en pied de berge - peut contenir plusieurs techniques (par exemple : fascine de saule en pied de berge et lit de plants et plançons sur le talus) et chaque technique fait l'objet d'une investigation distincte qui peut aboutir à l'observation de plusieurs défaillances. En synthèse, l’étude présente 454 observations réalisées sur 269 techniques intégrées dans 223 ouvrages.

4. Résultats

45Les résultats présentés s'intéressent à la fonction de stabilisation de berge des ouvrages. La bonne tenue mécanique des ouvrages en génie végétal nécessite une bonne reprise de la végétation qui permettra d'atteindre également les fonctions écologiques et paysagères souhaitées. Au total 454 observations de dégradations ont été collectées sur 269 techniques mises en œuvre.

46Les symptômes observés sur les ouvrages défaillants sont de deux types : (i) une mauvaise reprise de la végétation sur 60 % des ouvrages ; (ii) des défaillances de la structure des ouvrages et de la berge attenante sur 74 % des ouvrages parmi lesquels 24 % sont complétement ruinés. Leur état de dégradation laisse alors de gros doutes quant à la nature des causes de la défaillance.

4.1. Reprise limitée de la végétation

47Les causes de mauvaise reprise de la végétation ont été regroupées en 5 groupes, présentés Figure 2 :

  • Les paramètres abiotiques (ennoiement, assèchement, ombrage et qualité du milieu) ;

  • Ceux issus de la conception ou de la réalisation (absence de contact avec le substrat, espèces inappropriées, qualité et mise en œuvre de la végétation, période de réalisation) ;

  • Ceux qui n’ont pu être expliqués ;

  • Les paramètres biotiques (concurrence entre espèces végétales, faune, maladie) ;

  • Ceux liés aux usages du site (piétinement humain, pâturage et gestion inadaptée de la végétation).

48Les pourcentages indiqués représentent la proportion d’ouvrages ayant une cause donnée sachant que l’ouvrage a pour symptôme une mauvaise reprise de la végétation. Des photographies illustratrices de ces causes sont fournies dans la Figure 3.

49Pour 16 % des symptômes de mauvaise reprise de la végétation, aucune cause n’a pu être clairement identifiée. Les causes principales impactant fortement la reprise de la végétation sur les sites étudiés, proviennent principalement des conditions stationnelles dans lesquelles la végétation est implantée, plutôt que d'interventions extérieures. Les facteurs abiotiques que sont l’ennoiement, la sécheresse et l’ombrage interviennent dans 67 % des défaillances ; viennent ensuite l’absence de contact avec le substrat à 27 % et la concurrence entre espèces pour 12 % des cas.

Fig. 2 – Causes potentielles d’une mauvaise reprise de la végétation sur des ouvrages de génie végétal, pour la protection des berges de rivière, évaluées par la collecte de 200 causes de mauvaise reprise, observées sur 153 techniques mises en œuvre.
Fig. 2 – Potential causes of poor vegetation establishment on soil bioengineering structures for riverbank protection assessed by collecting 200 causes of poor establishment observed on 153 implemented techniques.

Fig. 2 – Causes potentielles d’une mauvaise reprise de la végétation sur des ouvrages de génie végétal, pour la protection des berges de rivière, évaluées par la collecte de 200 causes de mauvaise reprise, observées sur 153 techniques mises en œuvre.Fig. 2 – Potential causes of poor vegetation establishment on soil bioengineering structures for riverbank protection assessed by collecting 200 causes of poor establishment observed on 153 implemented techniques.

Fig. 3 – Reportage photographique des causes de mauvaise reprise de la végétation, ©INRAE.
Fig. 3 – Photographic report on causes of poor vegetation establishment, ©INRAE.

Fig. 3 – Reportage photographique des causes de mauvaise reprise de la végétation, ©INRAE.Fig. 3 – Photographic report on causes of poor vegetation establishment, ©INRAE.

A :  ennoiement, ouvrage calé trop bas ; B : sécheresse, plants et plançons dépassent trop de la berge, non-respect de la polarité des plançons ; C : pollution physique sur l’ouvrage ; D : concurrence par les boutures, pas de reprise de la fascine en pied de berge ; E : concurrence entre les étages du caisson, absence de reprise aux étages inférieurs ; F : concurrence avec les espèces exotiques envahissantes ; G : absence de contact avec le substrat dans l’ouvrage et absence d’ancrage.
A: submersion, the structure is too low on the bank; B: water stress, living branches protrude too far from the bank, cutting planted the wrong way; C: physical pollution on the structure; D: competition between the cuttings and the bundles that could not start; E: competition between the higher stage of the crib wall and the lower stages where the vegetation could not start; F: competition between the fascine and an invasive species; G: no contact with the substrate.

4.2. Défaillance mécanique de l’ouvrage et de la berge attenante

50Les processus de défaillance concernant la structure des ouvrages sont multiples. La technique du géotextile a ses propres défaillances et causes détaillées à la section 4.2.3.

4.2.1. Processus observés

51Les défaillances observées sont listées par processus sur la Figure 4. Les défaillances s'orientent autour de deux grands processus que sont les érosions et les destructions.

Fig. 4 – Processus de défaillance mécanique des ouvrages en génie végétal et de la berge attenante par l’observation de 241 processus de défaillance relevés sur 170 techniques mises en œuvre.
Fig. 4 – Mechanical failure processes of soil bioengineering structures based on the study of 241 failure processes identified for 170 implemented techniques.

Fig. 4 – Processus de défaillance mécanique des ouvrages en génie végétal et de la berge attenante par l’observation de 241 processus de défaillance relevés sur 170 techniques mises en œuvre.Fig. 4 – Mechanical failure processes of soil bioengineering structures based on the study of 241 failure processes identified for 170 implemented techniques.

52Les destructions décrites ci-dessous sont présentées sur la Figure 5. Il s’agit : (i) d’une destruction totale impliquant la perte de fonction principale de l'ouvrage, avec ou sans érosion à l'arrière. Il ne peut être déterminé si cette érosion a eu lieu avant ou après la rupture de l'ouvrage. Certaines destructions totales sont dues au changement d’usage de la berge tel que la réalisation d’un quai ou d’un parking. Le second type de destruction est : (ii) une destruction de la structure interne de l’ouvrage ou perte de fonction partielle. Sont répertoriés : la rupture d'un fagot avec encoche d'érosion, des plants arrachés suite à une érosion, la rupture de la structure du caisson et une faible sédimentation dans les peignes.

Fig. 5 – Reportage photographique des symptômes de destruction des ouvrages, ©INRAE.
Fig. 5 - Photographic report of structural destruction in soil bioengineering structures, ©INRAE.

Fig. 5 – Reportage photographique des symptômes de destruction des ouvrages, ©INRAE.Fig. 5 - Photographic report of structural destruction in soil bioengineering structures, ©INRAE.

A : Ouvrage détruit avec érosion à l’arrière ; B : Fonctionnement partiel, absence de sédimentation dans le peigne ; C : Destruction partielle, longrine de caisson ; D : Destruction partielle, fagot détruit avec encoche d’érosion à l’arrière alors que la végétation adjacente a bien repris ; E : Destruction partielle d’un lit de plants et plançons, plant manquant suite à une érosion en pied.
A: Ruined structure with erosion at the back; B: Partial failure, no sedimentation in the tree revetment; C: Partial failure, break of a stretcher in a crib wall; D: Partial failure, bundles breaking with erosion at the back even though the surrounding vegetation started; E: Partial failure of a brush layer, plant missing after bank toe scouring.

53Les érosions décrites ci-dessous sont présentées Figure 6. Il s’agit :

54(i) d’érosion en pied de berge intégrant le sous-cavage et la présence de sur-profondeurs en pied d'ouvrage. La déstabilisation des enrochements en pied (sur les techniques mixtes) et l'arrachage de pieux marqueurs d'affouillements sont également répertoriés.

55(ii) d’érosion de la berge localisée à l'arrière de l'ouvrage. Elles incluent l'érosion de berge par-dessus : surverse ou infiltration, l'érosion en arrière de l'ouvrage créant une perte de contact avec le substrat par exfiltration des matériaux ou subséquent à d'autres érosions ; et la vidange des matériaux des caissons au-dessus du niveau de l'eau par érosion de surface ou infiltration.

56(iii) d’érosion aux extrémités amont ou aval de la technique, dépendante de l’ancrage de l’ouvrage en berge et de son positionnement.

57(iv) d’érosion autour d'un point dur créateur de turbulences favorisant les érosions, qui peuvent se faire autour d'éléments naturels (rocher, arbre) ou de structures anthropiques (poteaux, débris, enrochements).

Fig. 6 - Reportage photographique des processus d’érosion des berges adjacentes aux ouvrages, ©INRAE.
Fig. 6 - Photographic report of erosion processes in and around soil bioengineering structures, ©INRAE.

Fig. 6 - Reportage photographique des processus d’érosion des berges adjacentes aux ouvrages, ©INRAE. Fig. 6 - Photographic report of erosion processes in and around soil bioengineering structures, ©INRAE.

A : érosion en pied, sous-cavage ; B : érosion en pied, fosse et pieux arrachés ; C : érosion en pied, blocs de génie mixte déstructurés ; D : érosion à l’arrière, caissons intermédiaires et supérieurs vidés ; E : érosion à l’arrière au contact de l’ouvrage ; F : érosion de la berge au-dessus de l’ouvrage ; G : érosion à l’aval d’un tronc d’arbre ; H : érosion à l’extrémité aval de l’ouvrage.
A: toe scouring, under-mining; B: toe scouring, scour hole and stakes pulled up; C: toe scouring, riprap below the bioengineering structure damaged; D: riverbank erosion, the middle and upper stages of the crib wall have been emptied; E: riverbank erosion directly behind the structure; F: riverbank erosion above the structure; G: erosion downstream a tree trunk; H: erosion at the downstream end of the structure.

58Sur 45 % des techniques, la défaillance a abouti à une destruction totale qui n’a pu être expliquée (fig. 4). Présent sur 45 % des techniques, le processus le plus représenté est l'érosion en pied d’ouvrage, suivi par l’érosion de la berge en arrière des ouvrages sur 20 % des techniques présentant des défaillances structurelles. La destruction partielle, l’érosion aux extrémités et l’érosion autour d’un point dur sont également des processus importants avec une apparition pour chaque processus à plus de 10 %.

4.2.2. Défaillance des géotextiles

59Les géotextiles peuvent être utilisés seuls ou dans des ouvrages plus complexes. Ils occupent cependant toujours les mêmes fonctions (Lachat et al., 1994) : protection contre les érosions de surface éoliennes et hydriques, filtration des particules migrantes par érosion interne ou érosion de surface le temps que la végétation prenne le relais, maintien des graines sur la berge, maintien d’un microclimat (température et humidité) favorable à la reprise et au développement de la végétation et apport de matière organique à plus long terme.

Fig. 7 - Reportage photographique des défaillances sur géotextiles mis en œuvre, ©INRAE.
Fig. 7 - Photographic report on geotextile implementation failures, ©INRAE.

Fig. 7 - Reportage photographique des défaillances sur géotextiles mis en œuvre, ©INRAE.Fig. 7 - Photographic report on geotextile implementation failures, ©INRAE.

A : fissure dans le sol à la limite du géotextile ; B : glissement des matériaux et du géotextile ; C : érosion des matériaux et rupture du géotextile ; D : érosion des matériaux sous le géotextile.
A: a crack at the geotextile border; B: substrate and geotextile sliding; C: substrate erosion and geotextile failure; D: substrate erosion under the geotextile.

60Treize observations de défaillances des géotextiles ont été collectées, toutes associées à une cause potentielle. Les défaillances illustrées Figure 7 sont les suivantes : (i) érosion des matériaux sous le géotextile, accompagnée parfois de sa rupture pour 80 % ; (ii) fissures dans le sol au bord du géotextile pour 10 % ; (iii) surépaisseur, empêchant la reprise de la végétation pour 10 %.

61Les causes de ces dysfonctionnements sont clairement identifiées. Il s’agit d’un ancrage défaillant, qui est soit absent, soit uniquement constitué d’agrafes sans ancrage dans le sol. Il peut également s’agir d’une rupture de l'ouvrage en pied de berge qui entraîne le glissement du géotextile. D’après l’expérience des auteurs la qualité du géotextile est parfois aussi à remettre en cause (grammage insuffisant, maillage trop lâche, mauvaise tenue des brins). La fréquence d’observation de ce type de problème n’a toutefois pu être étudiée car l’information n’était pas renseignée dans la base de données.

4.2.3. Analyse par techniques

62La Figure 8 analyse plus en détail les défaillances principales des différentes techniques. Ces dernières sont présentées en fonction de leur positionnement fréquent sur la berge : pied de berge (plus sollicitées) ou talus (moins sollicitées). Les techniques sont ordonnées en fonction des contraintes hydrauliques maximales subies auxquels les ouvrages ont tenu d’après la littérature, cf. première colonne de la Figure 8 (Leblois et al., 2016). La fréquence de défaillance (i.e., 3ème colonne de la Figure 8) correspond, pour chaque technique donnée, au nombre d’ouvrages comportant au moins une défaillance, divisé par le nombre total d’ouvrages utilisant cette technique dans la base de données (ratios présentés dans la deuxième colonne de la Figure 8). On note ainsi que les techniques utilisées en pied de talus montrent une plus grande fréquence de défaillance que les ouvrages en talus. En pied de berge, 10 à 22 % des ouvrages connaissent une défaillance, alors que c’est le cas pour seulement 2 à 9 % des ouvrages situés strictement sur les talus.

63La partie de droite de la Figure 8 présente en teintes de gris la fréquence d’apparition d’un type de défaillance pour chaque type de technique utilisée, calculée comme suit :

64Les défaillances observées sont classées de droite à gauche par ordre croissant de fréquence d’apparition sur l’ensemble des observations (fig. 4). Pour rappel, une technique sur un ouvrage peut présenter plusieurs défaillances.

65Ces fréquences d’observation sont analogues à des probabilités conditionnelles : en faisant l’hypothèse que mon ouvrage subisse une défaillance, quelle est la probabilité qu’il subisse par exemple une mauvaise reprise de la végétation ? En guise d’illustration, les boutures sont des techniques plutôt installées sur les talus et leur résistance mécanique à 3 ans est estimée à 165 N/m². La fréquence de défaillance des boutures de l’échantillon analysé est de 5 % (42/819). Quatre types de défaillances ont été relevés sur les boutures : érosion autour de la bouture (point dur), érosion en pied, destruction totale et mauvaise reprise de la végétation. Une mauvaise reprise de la végétation a été constatée sur 81 % des boutures défaillantes. En faisant l’hypothèse que notre échantillon soit représentatif d’un parc d’ouvrages donné, on peut estimer qu’environ 5 % x 0.81 ≈ 4 % des boutures sont défaillantes pour cause de mauvaise reprise de la végétation.

66Cette partie de la Figure 8 permet d’attirer l’attention sur les défaillances les plus fréquemment observées sur les différentes techniques ; plus la défaillance est fréquente plus le niveau de gris est foncé. Ainsi, la mauvaise reprise de la végétation est fortement représentée pour toutes les techniques étudiées. Les problèmes d’érosion en pied sont également souvent observés sur l’ensemble des techniques de génie végétal ; les techniques en talus étant parfois installées sans protection de pied ou le pied de berge pouvant avoir été fortement érodé.

Fig. 8 – Fréquence d’apparition de chaque processus de défaillance en fonction de la technique de génie végétal utilisée. Echantillon de 454 défaillances observées sur 269 techniques mises en œuvre et présentant des défaillances.
Fig. 8 – Frequency of occurrence of each failure process according to the soil bioengineering technique used. Sample of 454 observed failures in 269 implemented techniques presenting failures.

Fig. 8 – Fréquence d’apparition de chaque processus de défaillance en fonction de la technique de génie végétal utilisée. Echantillon de 454 défaillances observées sur 269 techniques mises en œuvre et présentant des défaillances.Fig. 8 – Frequency of occurrence of each failure process according to the soil bioengineering technique used. Sample of 454 observed failures in 269 implemented techniques presenting failures.

5. Discussion et recommandations

5.1. Reprise limitée de la végétation

67Une mauvaise reprise de la végétation est une défaillance en soi. Celle-ci est un précurseur de défaillance de la structure de l'ouvrage (Anstead et Boar, 2010). Les causes de défaillance constatées dans cette étude sont cohérentes avec celles recensées dans la littérature (tab. 2, fig. 2).

68Le risque d’ennoiement peut être réduit lors de la conception par une meilleure acquisition et projection après projet des niveaux d’eau et de strates de végétation pour un calage plus précis des ouvrages. Le génie végétal visant à copier les modèles naturels, on pourra caler les niveaux de ligneux (fascines, boutures, etc.) avec ceux des ligneux naturels qui intègrent déjà les contraintes hydrologiques de la rivière ; on pourra procéder de même pour les hélophytes. De plus, en cas de crues prolongées les premières années après la mise en œuvre de l’ouvrage, la végétation en pied de berge peut subir un manque d’oxygène aboutissant à une faible reprise de la végétation et nécessitant éventuellement une reprise de celle-ci.

69L’exposition de la berge, le climat, le régime hydrique et le type de sol de la berge permettent d’ajuster le projet face au risque de sécheresse. Un suivi avec arrosage les trois premières années peut être nécessaire. Pezeshki et al. (1998) et Schaff et al. (2003) ont montré que l'humidité du sol, et par conséquent la texture du sol, sont des facteurs critiques pour la reprise des boutures de saule. Shields et al. (1998) ont observé une très forte mortalité sur des boutures de saule par dessiccation en présence d'un sol très sec. Watson et al. (1997) et Pezeshki et al. (2007) ont montré l'importance sur la reprise de l'emplacement des boutures dans la berge, avec un assèchement en haut de berge et une meilleure reprise dans des matériaux de texture intermédiaire, ni trop fins, ni trop gros. À l'inverse, un excès d'humidité dans le sol n'est pas non plus favorable à la reprise car il entraîne un manque d'oxygène pour les racines et les micro-organismes ainsi qu'une diminution du potentiel d'oxydoréduction (Ernst, 1990 ; Pezeshki, 2001). Bien que contraignant pour les gestionnaires, la forte probabilité de défaillance associée à la sécheresse démontre le caractère critique et stratégique d’aider la bonne reprise par des opérations d’arrosage.

70L'ombrage intègre les manques de lumière liés à l'exposition, à la forte pente de la berge, aux montagnes, aux bâtiments ou encore à la végétation autour de l'ouvrage lors de sa réalisation. Les risques liés à l’ombrage peuvent s’anticiper lors des travaux préparatoires et par le choix d’espèces en adéquation avec les conditions stationnelles.

71Dans le cas de visites ponctuelles, il est toujours difficile de savoir si l'absence de substrat a empêché la reprise ou si l’érosion fait suite à une non reprise de la végétation. Cependant, certains cas montrent nettement des problèmes de reprise de la végétation dès la réalisation. Quoi qu'il en soit, en cas de mauvais contact avec le substrat ou avec un substrat trop caillouteux ou cohésif, la végétation reprendra avec plus de difficulté. Par exemple, des fascines réalisées sans matériaux dans les fagots ni ancrage des saules dans la berge ont pu être observées. Peeters et al. (2018) a également souligné la défaillance de fascines due à l’absence de matériaux adaptés à la reprise de la végétation. Il est donc essentiel de fournir un substrat adéquat pour la reprise de la végétation et la tenue de berge dès la réalisation, et de prêter attention à ce qu'il reste présent dans le cadre d'un suivi accru les premières années.

72La concurrence pour les ressources se fait avec les espèces présentes sur l'ouvrage : d’une part entre les espèces installées (ensemencement, boutures, plants) et d’autre part avec les espèces en place ou arrivant spontanément, dont les espèces exotiques envahissantes. Nous mentionnons par exemple deux cas de concurrence arbustive au sein des ouvrages : la bonne reprise de boutures en milieu et haut de berge qui empêche la reprise des techniques de pied de berge telles qu'une fascine de saule ou d'hélophyte ; ainsi que, pour les caissons, l’absence de reprise ou la mort des plantations dans les niveaux inférieurs concurrencés par la reprise des niveaux supérieurs (fig. 3). Les autres causes, présentées Figure 2, plus ponctuelles semblent moins fréquentes et peuvent être vues comme des points de vigilance à avoir de la conception au suivi de l'ouvrage.

5.2. Défaillance de la tenue mécanique de la berge et de l’ouvrage

5.2.1. Défaillance des ouvrages

73Les destructions d’ouvrage concernent 47 % des défaillances structurelles recensées. L’ensemble des défaillances décrites ci-après peuvent aboutir par dégradation à la destruction de l’ouvrage ; la forte représentation des destructions totales peut donc s'expliquer par effet d’accumulation dans le temps.

74Thorne et Tovey (1981) ont montré que l'érosion en pied, second processus de défaillance le plus observé dans cette étude avec 45 % des cas, est la première étape dans le processus d'érosion de berge (fig. 4). Elle semble donc essentielle à contrôler. Recking et al. (2019) ont montré l’importance de l’effet de courbure du méandre qui doit impérativement être pris en compte lors de la conception des ouvrages. Watson et al. (1997), Simon et al. (2009), Rauch et al. (2014), Dave et Mittelstet (2017) ont montré l'efficacité de la pose d'enrochements en pied de berge pour réduire leur érosion et obtenir un fort succès sur les ouvrages de génie végétal attenant. De même, Recking et al. (2019) ont pu montrer l'effet positif sur la résistance des ouvrages de génie végétal de l'utilisation de ramilles anti-affouillement positionnées sous la fascine.

75L'érosion en pied et l'érosion à l'arrière de l'ouvrage, troisième processus de défaillance le plus récurrent, entraînent une diminution de contact entre le substrat et la végétation. Or, l’absence de contact avec le substrat est présente dans 27 % des cas de mauvaise reprise de la végétation (fig. 2). Ces symptômes influencent à la fois la reprise de la végétation et la tenue mécanique de l'ouvrage et sont donc essentiels à contrôler.

76Sur la base du travail sur modèle réduit de Recking et al. (2019), l'érosion à l'arrière d'un ouvrage peut également être le marqueur d'un contournement, signe avant-coureur d'un ouvrage proche de la destruction totale. Ce contournement peut être la conséquence de la conjonction de plusieurs érosions plus localisées. Il s'agit donc de contrôler celles-ci dès leur détection.

77Les érosions aux extrémités peuvent être limitées par un réel ancrage de l'ouvrage dans la berge. Celui-ci ne doit pas être apposé devant la berge mais être intégré à la reprise de l’ensemble du talus ; des prolongations amont et aval de l’ouvrage peuvent être envisagées, notamment au niveau des méandres, ainsi qu’un enfoncement ou une remontée de l’ouvrage dans la berge aux extrémités. Suivant la sensibilité du site, les extrémités peuvent également faire l’objet d’un accompagnement par la mise en œuvre de boutures ou autres structures végétales ainsi que d’enrochements.

78Les érosions autour de points durs, tels que des troncs rigides en pied de berge ou des enrochements créant des turbulences à proximité de la berge, peuvent être contrôlées par le retrait de cette structure anthropique ou naturelle contraignante ainsi que par une gestion accrue de la végétation. En cas d’impossibilité, le projet doit intégrer cette contrainte.

5.2.2. Défaillance des géotextiles

79Le géotextile est utilisé en appui des ouvrages et semble, la majeure partie du temps, répondre à ses fonctions, avec une probabilité de défaillance faible de 2 % (fig. 8), et donc être dans l’ensemble proprement mis en œuvre. Les quelques défaillances observées montrent que le géotextile, pour être efficace, doit être ancré avec soin et bien épouser la berge. L’ancrage doit être réalisé dans le sol et complété par des agrafes.

80Les visites sur le terrain ont permis de constater la forte présence de résidus métalliques plus ou moins rouillés ou saillants, quel que soit l’ancienneté de l’ouvrage. Il est donc important de rappeler que dans de nombreuses situations des alternatives en bois pour les agrafes de fixation des géotextiles et en fil de coco ou chanvre pour les fils de fer des fascines ou couches de branches peuvent être utilisés (fig. 9).

Fig. 9 - Fil de coco remplaçant un fil de fer dans la construction d’une fascine sur un secteur faiblement contraint. ©INRAE
Fig. 9 – Coir replacing iron wire in the construction of a fascine in a low stress segment. ©INRAE

Fig. 9 - Fil de coco remplaçant un fil de fer dans la construction d’une fascine sur un secteur faiblement contraint. ©INRAEFig. 9 – Coir replacing iron wire in the construction of a fascine in a low stress segment. ©INRAE

5.3. Analyse par technique

81Malgré les forts taux de défaillances sur les tressages, fascines et caissons mis en évidence sur la Figure 8, il faut se garder de conclure trop hâtivement que ces techniques sont moins efficaces, pour plusieurs raisons :

  • Les fascines et tressages sont des ouvrages de pied de berge soumis à de fortes contraintes et positionnés dans les zones soumises aux attaques du courant les plus intenses. Le nombre d'observations de défaillance est donc naturellement plus fort.

  • Les caissons constituent à eux seul une protection de l'ensemble de la berge et sont utilisés préférentiellement sur des talus pentus ce qui est plus propice à l'apparition de défaillances.

  • Les boutures, lits de plants et plançons et couches de branches sont généralement des techniques de milieu à haut de berges ne possèdent pas de structure rigide pouvant entrainer des turbulences localement. Le nombre d'observations de défaillance est de fait moindre.

  • Les fascines d'hélophytes et les peignes sont installés sur des cours d'eau à plus faible contrainte, ce qui pourrait expliquer un taux de défaillance plus réduit sur ces techniques.

82La répartition des types de défaillances en fonction de la technique mise en œuvre, présentée en teintes de gris Figure 8, peut être interprétée comme suit :

  • Les boutures et plantations de par leur nature sont surtout affectées par une mauvaise reprise de la végétation.

  • Toutes les autres techniques excepté les peignes, sont plutôt fortement impactées par une mauvaise reprise de la végétation, point clé de la réussite d'un ouvrage.

  • Le peigne, de par sa nature, présente pour l'essentiel une destruction partielle liée à une sédimentation trop limitée en son sein. Peeters et al. (2020) préconise qu'il y ait une quantité minimum de MES en suspensions dans la rivière afin d'assurer la bonne efficacité de cette technique.

  • Le caisson montre une part importante de destruction partielle de par sa structure relativement rigide qui peut rompre ou mal vieillir, ainsi qu’un fort risque de se vider. L'usage d’enrochements en pied ou de pierres ou géotextiles dans les niveaux inférieurs des caissons est donc recommandé.

  • Fascines, tressages et caissons montrent de fortes marques d'érosions, qui peuvent être expliquées par leur emplacement en pied de berge.

  • Les érosions aux extrémités sont concentrées sur les ouvrages de type fascines et tressages qui sont plus complexes à intégrer à la berge sans proéminence.

83En l'absence d'observations continues des ouvrages, il est rarement possible d'identifier, pour les ouvrages ayant rompus, s'ils ont rompu suite à la non reprise de la végétation ou bien suite à une destruction mécanique. Une destruction mécanique, même partielle, peut elle-même entraîner une limitation de la reprise de la végétation. Bien que les deux cas puissent coexister, les nombreux cas de non reprise de la végétation (fig. 8) et l'absence de marqueurs d'évènements majeurs ayant pu entraîner la destruction des ouvrages tendent à confirmer ce qui peut paraître évident : la non reprise de la végétation est un facteur prépondérant dans la rupture des ouvrages.

6. Conclusion

84Le génie végétal tire sa force d’une couverture végétale saine, qu'elle soit arborée, arbustive ou herbacée. Cette étude montre qu’il est primordial d'assurer cette bonne reprise de la végétation. Pour ce faire, les points essentiels à surveiller sont : le maintien d’un substrat adapté au contact de la végétation, la gestion de la concurrence entre les espèces, le calage adéquat des ouvrages suivant les espèces mises en place, et l’assurance d’avoir des conditions stationnelles optimales pour la reprise (choix des espèces adaptées, et/ou gestion de la sécheresse avec arrosage éventuel, et de l'ombrage avec coupe sélective).

85Les érosions observables sur les ouvrages sont des marqueurs avant-coureurs de pertes de fonctionnalités et des risques de destruction à venir. Il est donc fortement conseillé de maîtriser celles-ci avant que le processus ne s'emballe, quitte à reprendre l'ouvrage. Les érosions les plus communes sont les érosions en pied, à l’arrière et aux extrémités des ouvrages. Suivant les contraintes hydrauliques du site, l'usage de ramilles anti-affouillements, d’enrochements ou de structures végétales en pied de berge et en sabot est recommandé.

* Auteur correspondant : Tel : +33 (0)4 76 76 28 36
solange.leblois@inrae.fr (S. Leblois)

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Annexe

Abridged English version

Soil bioengineering relies on certain benefits provided by plants: trees, shrubs and grasses are used in engineered structures that mimic natural functional structures in order to stabilize slopes and riverbanks (Schiechtl and Stern, 1997; Zeh 2007).

Riverbank erosion is in fact a combination of terrestrial and fluvial processes (Chassiot et al., 2020). The terrestrial processes can be divided into slow preparatory processes that weaken the riverbank: seepage, desiccation, thawing and refreezing; and rapid processes that mark the retreat of the bank: surface runoff and mass wasting. These processes are directly related to the moisture content of the soil and therefore to the materials of which it is composed (Thorne, 1982). Fluvial erosion occurs when a river recruits aggregates or individual particles through their mechanical detachment from the part of the bank exposed to the water flow. Thus, the lower section of the bank is the most affected by this type of erosion. Thorne and Tovey (1981) defined three steps in the cycle of bank erosion on alluvial deposits: undermining, cantilever failure and fluvial scour.

Vegetation affects bank stability through mechanical and hydrological processes. Vegetation generally has a stabilizing effect on riverbanks (Pollen, 2007). Soil is generally strong in compression but weak in tension. The fibrous roots of trees and herbaceous species are, inversely, strong in tension but weak in compression, and thus enhance soil strength (Thorne, 1990). Vegetation also increases bank stability by intercepting rainfall that would otherwise infiltrate the bank, and by extracting soil moisture for plant transpiration (Ghestem et al., 2011).

Peeters et al. (2018) analysed 19 bank protections and highlighted three main deterioration factors: (i) poor vegetation establishment due to a lack of sunlight, unmanaged cutting and damage caused by animals; (ii) an inadequate structure design or filling; and (iii) a lack of consideration of fluvial processes. Anstead and Boar (2010) reported similar causes of failure in willow spilling projects based on documentation from 15 sites: erosion at the bank toe, poor quality material, too much shade, flood damage, erosion at the backfill, drought and incorrect installation (tab. 1-2). Recking et al. (2019) explored failure processes on flume experiments. In their study, none of the 145 runs showed any direct uprooting of the fascine by the flow; all the destructions resulted from bank scouring, erosion and collapse around the structure. Furthermore, in all cases, the most destructive effects resulted from water recirculation inside the bank.

The dataset used in this study was derived from the GeniVeg database (https://genibiodiv.inrae.fr/​en/​database-of-french-constructions/​) (Jaymond et al., 2021) and completed by site visits of some of the degraded structures (fig. 1). Overall, the study presents 454 observations of failure causes and processes including 269 techniques and 223 sites.

The observed soil bioengineering failures in the data are of two types: poor vegetation establishment for 60 % of the structures (figs. 2-3), and mechanical failure for 74 % of the structures (figs. 4-6), of which 24 % were completely ruined.

For 16 % of the techniques with poor vegetation establishment (fig. 2-3), no cause could be clearly identified. Otherwise, the main causes of poor vegetation recovery are more related to site conditions during establishment, than to external interventions. Abiotic factors such as flooding, drought and over-shading were involved in 67 % of failures, followed by the lack of contact with the substrate for 27 % and competition among species for 12 %.

For 45 % of the techniques used, failure resulted in the total destruction of the structure and the causes could not be explained (figs. 4-6). For another 45 % of the techniques, the most frequent process of mechanical failure was erosion at the bank toe, followed by bank erosion behind the structure for 20 % of the techniques used. Erosion at the ends, erosion around a hard point and internal structural destruction were also important processes, affecting respectively 16 %, 13 % and 13 % of the techniques.

The distribution of failure types depending on the bioengineering technique used is presented in Figure 8. Except for tree revetment, all the techniques were affected by poor vegetation establishment. Toe erosion also severely affected all the techniques. According to the literature, willow fascine or spilling and crib walls are able to resist high shear stress. However, they failed more frequently than the other techniques. In fact, they presented high rates of destruction, erosion at the toe and behind the structure due to their position in the bank highly prone to fluvial and terrestrial erosion.

Since the structures were not continuously monitored, it is not possible to identify whether the structures failed as a result of incomplete vegetation establishment or as a result of mechanical destruction. Furthermore, mechanical destruction itself, even if partial, may limit vegetation establishment. In any case, vegetation non-recovery is a major factor in the failure of soil bioengineering (Anstead et Boar, 2010), and must be addressed.

Drowning can be reduced at the design stage by a more accurate estimation of year-round water levels and riverbank vegetation strata; this would allow a more precise positioning of the structures in terms of elevation. As soil bioengineering aims to copy natural models, planting strata can be aligned with the existing vegetation on neighbouring sites already coherent with the hydrological constraints of the river. Considering bank exposure, climate, hydric conditions and soil type would allow designers to adjust the project to drought risk. The risks associated with over-shading can be anticipated during the preparatory work and mitigated by choosing species and techniques that are suitable for the site conditions.

Thorne and Tovey (1981) showed that erosion at the bank toe, the second most frequently observed mechanical failure in this study, is the first step in the bank erosion process. It is therefore essential to control this stage. As with erosion at the bank toe, erosion behind the structure, the third most frequent failure process, leads to a decrease in the contact between the substrate and the vegetation, and this was a cause of poor vegetation establishment for 27 % of the techniques.

Soil bioengineering draws its strength from well-developed vegetation. This study shows that it is essential to ensure good vegetation establishment. The following points are essential: maintaining a suitable substrate, managing competition among species, adequately positioning the structures according to the chosen species to ensure optimal stationary conditions for vegetation establishment (e.g., managing for drought risk with possible watering and over-shading with selective cutting). Erosion observed on the structures are early warning signs of a loss of functionality and the risk of future destruction. We therefore strongly recommend monitoring the sites and repairing the structures before process gets out of hand.

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Table des illustrations

Titre Tab. - Occurrence et causes de rupture de tressages réalisés au Royaume-Uni entre 1989 et 2009 incluant 4 ouvrages détruits et 11 ouvrages détruits partiellement ; traduit de Anstead et Boar (2010).Tab. 1 – Occurrence of various causes of failure in willow spiling projects in the UK carried out between 1989 and 2009, based on documentation from 4 failed and 11 partially failed projects, Anstead et Boar (2010).
URL http://journals.openedition.org/geomorphologie/docannexe/image/16954/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 76k
Titre Tab. 2 – Principales causes de défaillance des ouvrages de génie végétal en berge de rivière issues de la littérature.Tab. 2 – Main causes of failure of soil bioengineering structures from the literature.
URL http://journals.openedition.org/geomorphologie/docannexe/image/16954/img-2.jpg
Fichier image/jpeg, 880k
Titre Fig. 1 – Localisation des ouvrages en génie végétal en berge de rivière exploités dans l’étude. Ces ouvrages sont issus de la base de données GeniVeg.Fig. 1 – Location of soil bioengineering works for riverbank protection used in the study. The dataset is taken from the GeniVeg data base.
URL http://journals.openedition.org/geomorphologie/docannexe/image/16954/img-3.jpg
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Titre Fig. 2 – Causes potentielles d’une mauvaise reprise de la végétation sur des ouvrages de génie végétal, pour la protection des berges de rivière, évaluées par la collecte de 200 causes de mauvaise reprise, observées sur 153 techniques mises en œuvre.Fig. 2 – Potential causes of poor vegetation establishment on soil bioengineering structures for riverbank protection assessed by collecting 200 causes of poor establishment observed on 153 implemented techniques.
URL http://journals.openedition.org/geomorphologie/docannexe/image/16954/img-4.jpg
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Titre Fig. 3 – Reportage photographique des causes de mauvaise reprise de la végétation, ©INRAE.Fig. 3 – Photographic report on causes of poor vegetation establishment, ©INRAE.
Légende A :  ennoiement, ouvrage calé trop bas ; B : sécheresse, plants et plançons dépassent trop de la berge, non-respect de la polarité des plançons ; C : pollution physique sur l’ouvrage ; D : concurrence par les boutures, pas de reprise de la fascine en pied de berge ; E : concurrence entre les étages du caisson, absence de reprise aux étages inférieurs ; F : concurrence avec les espèces exotiques envahissantes ; G : absence de contact avec le substrat dans l’ouvrage et absence d’ancrage.A: submersion, the structure is too low on the bank; B: water stress, living branches protrude too far from the bank, cutting planted the wrong way; C: physical pollution on the structure; D: competition between the cuttings and the bundles that could not start; E: competition between the higher stage of the crib wall and the lower stages where the vegetation could not start; F: competition between the fascine and an invasive species; G: no contact with the substrate.
URL http://journals.openedition.org/geomorphologie/docannexe/image/16954/img-5.jpg
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Titre Fig. 4 – Processus de défaillance mécanique des ouvrages en génie végétal et de la berge attenante par l’observation de 241 processus de défaillance relevés sur 170 techniques mises en œuvre.Fig. 4 – Mechanical failure processes of soil bioengineering structures based on the study of 241 failure processes identified for 170 implemented techniques.
URL http://journals.openedition.org/geomorphologie/docannexe/image/16954/img-6.jpg
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Titre Fig. 5 – Reportage photographique des symptômes de destruction des ouvrages, ©INRAE.Fig. 5 - Photographic report of structural destruction in soil bioengineering structures, ©INRAE.
Légende A : Ouvrage détruit avec érosion à l’arrière ; B : Fonctionnement partiel, absence de sédimentation dans le peigne ; C : Destruction partielle, longrine de caisson ; D : Destruction partielle, fagot détruit avec encoche d’érosion à l’arrière alors que la végétation adjacente a bien repris ; E : Destruction partielle d’un lit de plants et plançons, plant manquant suite à une érosion en pied.A: Ruined structure with erosion at the back; B: Partial failure, no sedimentation in the tree revetment; C: Partial failure, break of a stretcher in a crib wall; D: Partial failure, bundles breaking with erosion at the back even though the surrounding vegetation started; E: Partial failure of a brush layer, plant missing after bank toe scouring.
URL http://journals.openedition.org/geomorphologie/docannexe/image/16954/img-7.jpg
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Titre Fig. 6 - Reportage photographique des processus d’érosion des berges adjacentes aux ouvrages, ©INRAE. Fig. 6 - Photographic report of erosion processes in and around soil bioengineering structures, ©INRAE.
Légende A : érosion en pied, sous-cavage ; B : érosion en pied, fosse et pieux arrachés ; C : érosion en pied, blocs de génie mixte déstructurés ; D : érosion à l’arrière, caissons intermédiaires et supérieurs vidés ; E : érosion à l’arrière au contact de l’ouvrage ; F : érosion de la berge au-dessus de l’ouvrage ; G : érosion à l’aval d’un tronc d’arbre ; H : érosion à l’extrémité aval de l’ouvrage.A: toe scouring, under-mining; B: toe scouring, scour hole and stakes pulled up; C: toe scouring, riprap below the bioengineering structure damaged; D: riverbank erosion, the middle and upper stages of the crib wall have been emptied; E: riverbank erosion directly behind the structure; F: riverbank erosion above the structure; G: erosion downstream a tree trunk; H: erosion at the downstream end of the structure.
URL http://journals.openedition.org/geomorphologie/docannexe/image/16954/img-8.jpg
Fichier image/jpeg, 288k
Titre Fig. 7 - Reportage photographique des défaillances sur géotextiles mis en œuvre, ©INRAE.Fig. 7 - Photographic report on geotextile implementation failures, ©INRAE.
Légende A : fissure dans le sol à la limite du géotextile ; B : glissement des matériaux et du géotextile ; C : érosion des matériaux et rupture du géotextile ; D : érosion des matériaux sous le géotextile.A: a crack at the geotextile border; B: substrate and geotextile sliding; C: substrate erosion and geotextile failure; D: substrate erosion under the geotextile.
URL http://journals.openedition.org/geomorphologie/docannexe/image/16954/img-9.jpg
Fichier image/jpeg, 152k
URL http://journals.openedition.org/geomorphologie/docannexe/image/16954/img-10.jpg
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Titre Fig. 8 – Fréquence d’apparition de chaque processus de défaillance en fonction de la technique de génie végétal utilisée. Echantillon de 454 défaillances observées sur 269 techniques mises en œuvre et présentant des défaillances.Fig. 8 – Frequency of occurrence of each failure process according to the soil bioengineering technique used. Sample of 454 observed failures in 269 implemented techniques presenting failures.
URL http://journals.openedition.org/geomorphologie/docannexe/image/16954/img-11.jpg
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Titre Fig. 9 - Fil de coco remplaçant un fil de fer dans la construction d’une fascine sur un secteur faiblement contraint. ©INRAEFig. 9 – Coir replacing iron wire in the construction of a fascine in a low stress segment. ©INRAE
URL http://journals.openedition.org/geomorphologie/docannexe/image/16954/img-12.jpg
Fichier image/jpeg, 677k
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Pour citer cet article

Référence électronique

Solange Leblois, André Evette, Delphine Jaymond, Guillaume Piton et Alain Recking, « Processus et causes de défaillance du génie végétal pour la stabilisation des berges de rivière : retour d’expérience sur un large jeu de données issues de la BD GeniVeg », Géomorphologie : relief, processus, environnement [En ligne], vol. 28 - n° 2 | 2022, mis en ligne le 04 juillet 2022, consulté le 11 août 2022. URL : http://journals.openedition.org/geomorphologie/16954 ; DOI : https://doi.org/10.4000/geomorphologie.16954

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Auteurs

Solange Leblois

Université Grenoble Alpes, INREA, LESSEM, 2 rue de la papeterie BP 76, 38402 Saint-Martin-d’Hères, France.Université Grenoble Alpes, INREA, ETNA, 2 rue de la papeterie BP 76, 38402 Saint-Martin-d’Hères, France.

André Evette

Université Grenoble Alpes, INREA, ETNA, 2 rue de la papeterie BP 76, 38402 Saint-Martin-d’Hères, France.

Delphine Jaymond

Université Grenoble Alpes, INREA, ETNA, 2 rue de la papeterie BP 76, 38402 Saint-Martin-d’Hères, France.

Guillaume Piton

Université Grenoble Alpes, INREA, LESSEM, 2 rue de la papeterie BP 76, 38402 Saint-Martin-d’Hères, France.

Alain Recking

Université Grenoble Alpes, INREA, LESSEM, 2 rue de la papeterie BP 76, 38402 Saint-Martin-d’Hères, France.

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Droits d’auteur

© Groupe français de géomorphologie

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