Barrages Mobiles [PDF]

Zitiervorschau

MINISTERE DE L’ÉQUIPEMENT, DES TRANSPORTS ET DU LOGEMENT CENTRE D’ÉTUDES TECHNIQUES MARITIMES ET FLUVIALES

Recommandations pour le CALCUL AUX ETATS-LIMITES DES OUVRAGES EN SITE AQUATIQUE

Série : OUVRAGES

BARRAGES MOBILES

_________________________________________________________________________________ Barrages mobiles

page 1 Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

RECOMMANDATIONS POUR LE CALCUL AUX ETATS-LIMITES DES OUVRAGES EN SITE AQUATIQUE BARRAGES MOBILES TABLE DES MATIERES ___________

1.

OBJET _____________________________________________________________________________ 4

2.

DESCRIPTION ET COMPORTEMENT DES OUVRAGES_________________________________ 5 2.1 SEUILS FIXES ___________________________________________________________________ 5 2.2 BARRAGES MOBILES ____________________________________________________________ 5 2.3 RECONNAISSANCES _____________________________________________________________ 6 2.4 CONCEPTION ___________________________________________________________________ 6 2.4.1 PROFIL DES SEUILS __________________________________________________________ 6 2.4.2 PILES ET RADIER ____________________________________________________________ 6 2.4.3 CULEES ____________________________________________________________________ 7 2.4.4 FONDATION_________________________________________________________________ 7 2.4.5 AVAL-RADIER _______________________________________________________________ 8 2.4.6 RIDEAU PARAFOUILLE _______________________________________________________ 9 2.5 CONSTRUCTION ________________________________________________________________ 9 2.5.1 DERIVATION DE LA RIVIERE __________________________________________________ 9 2.5.2 CONSTRUCTION EN DEHORS DE LA RIVIERE ____________________________________ 9 2.5.3 REALISATION A L’ABRI DE BATARDEAUX ______________________________________ 10 2.5.4 PREFABRICATION___________________________________________________________ 10 2.5.5 AUTRES TECHNIQUES _______________________________________________________ 11

3.

SITUATIONS DE PROJET ___________________________________________________________ 11 3.1 3.2 3.3 3.4

4.

11 12 12 12

COMBINAISONS D’ACTIONS _______________________________________________________ 14 4.1 4.2

5.

ANALYSE DES SITUATIONS _____________________________________________________ EXEMPLES DE SITUATIONS DURABLES __________________________________________ EXEMPLES DE SITUATIONS TRANSITOIRES_______________________________________ EXEMPLES DE SITUATIONS ACCIDENTELLES _____________________________________

SYSTEMES ETUDIES ____________________________________________________________ 14 CAS DE CHARGE _______________________________________________________________ 14

DIMENSIONNEMENT HYDRAULIQUE _______________________________________________ 15 5.1 DONNEES ET PARAMETRES _____________________________________________________ 5.2 NIVEAUX DE SECURITE_________________________________________________________ 5.3 DETERMINATION DES COTES HYDRAULIQUES ___________________________________ 5.4 ETAT-LIMITE DE REMOUS EN PERIODE DE CRUE _________________________________ 5.4.1 DESCRIPTION DE L’ETAT-LIMITE _____________________________________________ 5.4.2 MODELE REDUIT PHYSIQUE _________________________________________________ 5.4.3 MODELES ANALYTIQUES SIMPLES ____________________________________________ 5.4.3.1 5.4.3.2 5.4.3.3

15 17 17 18 18 19 20

Principe __________________________________________________________________________ 20 Fonctionnement normal du barrage _____________________________________________________ 20 Fonctionnement accidentel du barrage___________________________________________________ 21

5.5 LONGUEUR DU BASSIN DE DISSIPATION _________________________________________ 22 5.5.1 SEUIL FIXE ET BARRAGE GRAND OUVERT _____________________________________ 22 5.5.2 BARRAGE OUVERT PARTIELLEMENT __________________________________________ 24 _________________________________________________________________________________ Barrages mobiles

page 2 Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

5.5.2.1 5.5.2.2

6.

Barrage à sous-verse ________________________________________________________________ 24 Barrage à surverse __________________________________________________________________ 24

FORMULATION DES ETATS-LIMITES STRUCTURAUX _______________________________ 25 6.1 DESCRIPTION DES PHENOMENES A EVITER ______________________________________ 25 6.1.1 INSTABILITE EXTERNE_______________________________________________________ 25 6.1.2 INSTABILITE HYDRAULIQUE _________________________________________________ 26 6.1.3 INSTABILITE INTERNE _______________________________________________________ 26 6.1.4 INSTABILITE GLOBALE ______________________________________________________ 26 6.1.5 DEPLACEMENTS ET DEFORMATIONS__________________________________________ 27 6.2 CLASSEMENT DES ETATS-LIMITES ET COMBINAISONS TYPES D’ACTIONS ASSOCIEES 27 6.3 ASPECTS PARTICULIERS LIES A LA PRISE EN COMPTE DE LA SECURITE ____________ 28

7.

MODELISATION DU COMPORTEMENT STRUCTURAL DE L’OUVRAGE _______________ 29 7.1 INSTABILITE EXTERNE _________________________________________________________ 7.1.1 GLISSEMENT-PLAN__________________________________________________________ 7.1.2 DECOMPRESSION DU SOL DE FONDATION_____________________________________ 7.1.3 POINCONNEMENT DU SOL DE FONDATION ____________________________________ 7.2 INSTABILITE HYDRAULIQUE ____________________________________________________ 7.2.1 ETATS-LIMITES DE RENARD __________________________________________________ 7.2.2 CONDITIONS DE FILTRE _____________________________________________________ 7.2.3 STABILITE DES PROTECTIONS AMONT ET AVAL_________________________________ 7.2.3.1 7.2.3.2 7.2.3.3 7.2.3.4

8.

Expression générale _________________________________________________________________ Seuils ____________________________________________________________________________ Barrages mobiles ___________________________________________________________________ Enrochements liés __________________________________________________________________

30 31 33 34

7.3 INSTABILITE INTERNE__________________________________________________________ 7.3.1 STRUCTURES METALLIQUES _________________________________________________ 7.3.2 BETON ARME_______________________________________________________________ 7.4 INSTABILITE GLOBALE _________________________________________________________ 7.5 DEPLACEMENTS ET DEFORMATIONS ____________________________________________

34 34 34 34 35

COEFFICIENTS PARTIELS _________________________________________________________ 35 8.1 COEFFICIENTS DE VALEUR _____________________________________________________ 8.2 COEFFICIENTS DE MODELE _____________________________________________________ 8.2.1 EN SITUATIONS DURABLES ET TRANSITOIRES __________________________________ 8.2.2 EN SITUATIONS ACCIDENTELLES _____________________________________________

9.

29 29 29 29 29 29 30 30

35 36 36 38

TEXTES DE REFERENCE ___________________________________________________________ 39

_________________________________________________________________________________ Barrages mobiles

page 3 Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

RECOMMANDATIONS POUR LE CALCUL AUX ETATS-LIMITES DES OUVRAGES EN SITE AQUATIQUE BARRAGES MOBILES ___________

1.

OBJET

Le présent fascicule présente les règles de justification semi-probabilistes aux états-limites pour les infrastructures des barrages mobiles en rivière et des seuils fixes (fondations, génie civil), à l’exception des bouchures mobiles traitées dans le fascicule Structures métalliques et des équipements (organes de manœuvre) abordés dans le fascicule du même nom. Il ne traite pas non plus des barragesréservoirs ni des stations de pompage. Le fascicule a pour objet : ♦ d’établir le canevas des justifications en cohérence avec le format semi-probabiliste aux états-limites décrit dans les Directives Communes de 1979 relatives au calcul des constructions, et dans les Eurocodes (voir la section 6 de ce fascicule), ♦ d’exposer les modèles employés pour écrire les conditions d’état-limite (voir la section 7 de ce fascicule), ♦ de proposer des valeurs des coefficients de modèle (voir la section 8.2 de ce fascicule). Ce fascicule ne doit pas être utilisé séparément des autres fascicules qui forment l’ensemble des Recommandations pour le calcul aux états-limites des ouvrages en site aquatique. Il y a lieu de considérer en particulier les fascicules Parties en béton des ouvrages, Quais-poids, Gabions de palplanches et Rideaux de soutènement. Ce fascicule ne traite pas de la qualité des travaux ni du contrôle de leur exécution. Il n’aborde la conception et l’exécution des ouvrages que dans ce qui apparaît nécessaire à l’intelligence de leurs règles de justification.

_________________________________________________________________________________ Barrages mobiles

page 4 Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

2.

DESCRIPTION ET COMPORTEMENT DES OUVRAGES

2.1 SEUILS FIXES Par définition, un seuil en rivière est un ouvrage transversal destiné soit à maintenir un niveau d’eau en amont, soit à stabiliser le lit de la rivière (par exemple, rattrapage d’un enfoncement excessif du lit dû à une extraction de matériaux alluvionnaires ou à un curage). Il est fixe lorsqu’il ne comporte aucune partie mobile (vanne de diverse nature). Il n’y a donc pas de contrôle du niveau d’eau à l’amont du seuil, qui, pour un débit donné, ne dépend que des conditions d’écoulement à l’aval et de la géométrie de l’ouvrage. D’une manière générale, on distingue deux grands types de seuls fixes : ♦ les seuils en béton, plus ou moins profilés, capables de supporter des chutes importantes et des débits unitaires élevés (par définition, le débit unitaire est le débit par mètre de largeur), ♦ les seuils en enrochements, qui sont des ouvrages plus rustiques (et donc sensiblement 3 moins chers), mais plus fragiles (débit unitaire maximum de l’ordre de 10 m /s.ml, chute n’excédant pas quelques mètres) ; les enrochements constituant l’ouvrage peuvent éventuellement être liaisonnés au béton.

2.2 BARRAGES MOBILES Les barrages mobiles sont des ouvrages transversaux mis en place pour opposer un obstacle à l’écoulement d’une rivière variable selon le débit de celle-ci, de façon à contrôler le niveau d’eau en un ou plusieurs points à l’amont selon un cahier des charges précis établi d’après les fonctions que l’ouvrage doit remplir (navigation, débits réservés, soutien des nappes phréatiques...). Un cas fréquent de gestion consiste à maintenir un niveau constant « aussi longtemps que possible ». En période de basses eaux, le barrage est complètement fermé, puis les vannes s’ouvrent au fur et à mesure que le débit augmente. Tant que les vannes ne sont pas complètement ouvertes, on parle d’un fonctionnement « à ouverture partielle ». Leur rôle mécanique essentiel est donc de résister à la poussée de l’eau ; ce sont des ouvrages-poids, en ce sens que c’est par la mobilisation des forces de frottement sur la fondation que ce poids induit, qu’ils peuvent remplir leur rôle. L’action de l’eau, qui s’exerce en général principalement sur les organes mobiles de bouchure (vannes), est reportée sur les piles et les culées. Celles-ci transmettent au sol, par l’intermédiaire de leur semelle, des efforts horizontaux et verticaux. Les premiers sont donc repris par frottement tandis que les seconds sollicitent la capacité portante du sol.

_________________________________________________________________________________ Barrages mobiles

page 5 Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

2.3 RECONNAISSANCES Les reconnaissances nécessaires à l’établissement d’un projet de barrage portent sur : ♦ la reconnaissance générale du site, ♦ la topographie et la bathymétrie, ♦ la géologie et la géotechnique, la sismique,

+ On peut également consulter : ♦ les généralités sur les reconnaissances géotechniques, ♦ Comment assurer la qualité de l’étude géotechnique ? ♦ la climatologie, ♦ l’hydrologie,

+ Voir aussi les données de base de l’étude hydrologique. ♦ l’hydraulique

+ Voir aussi les généralités sur les études hydrauliques. 2.4 CONCEPTION

2.4.1 PROFIL DES SEUILS On cherche à optimiser le profil de la crête et du coursier des seuils en béton de façon à guider la nappe déversante vers une forme proche d’une nappe libre.

2.4.2 PILES ET RADIER Différentes solutions peuvent être envisagées pour la conception des liaisons pile-radier suivant la nature du terrain, la largeur des passes et le mode de construction envisagé : ensemble monolithique, succession d’ensembles (pile + radier) en T renversé, éléments indépendants. Les différentes contraintes qui doivent orienter le choix entre ces possibilités résultent des propriétés géotechniques (contraintes admissibles, risque de mouvement), des problèmes de bétonnage (longueur maximale d’un plot) et du type de bouchure. Pour pallier le risque de soulèvement d’un élément isolé de radier, on peut parfois clouer celui-ci dans le sol lorsque sa nature le permet, ou assurer un report des efforts verticaux sur les piles par l’intermédiaire d’un clavage qui ne transmet pas de moment. On privilégie les dispositifs permettant d’une part d’assurer un meilleur contact entre le radier et le sol, d’autre part de mobiliser un effort de frottement plus important : redans, bêches d’ancrages, barres d’ancrages passifs, etc.

_________________________________________________________________________________ Barrages mobiles

page 6 Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

2.4.3 CULEES Les culées jouent le rôle d’une demi-pile et à ce titre doivent transmettre au sol les efforts horizontaux de la poussée de l’eau, mais elles servent aussi de soutènement aux terre-pleins de rive. Leur conception doit être homogène avec celle du reste du barrage. Elles doivent donc soit être reliées avec la pile la plus proche (solution sans joint), soit être séparées par un joint (central ou non) du reste du barrage.

2.4.4 FONDATION Le type de fondation choisi dépend de la nature et des propriétés mécaniques du sol ainsi que du mode de réalisation (en rivière ou à terre). Les barrages mobiles ne sont en général pas des ouvrages qui créent des contraintes verticales importantes car ils dépassent peu le niveau du sol naturel. Les contraintes au sol sont même généralement inférieures à celles existant avant les travaux. La solution simple par fondation superficielle directe peut donc avantageusement être retenue dans la majorité des cas. Si une couche superficielle de mauvaise qualité empêche de mettre en œuvre une telle solution, il est parfois intéressant de substituer à ces mauvais matériaux une couche de graves alluvionnaires correctement compactées. Il y a lieu de tenir compte dans la conception de la fondation des problèmes liés aux sous-pressions et aux écoulements souterrains. Ainsi, suivant la perméabilité du sol de fondation, il peut être nécessaire de prévoir un écran étanche dont la longueur doit être telle que le gradient hydraulique entre le niveau amont et le niveau aval ne dépasse pas une valeur critique spécifiée (phénomènes de renard et d’érosion régressive), tenant compte du fait que les perméabilités horizontales et verticales sont différentes. Cet écran pourra dans certains cas jouer le rôle de batardeau de chantier. Il y a lieu également de s’assurer que les gradients latéraux restent aussi limités à des valeurs acceptables. Les écrans en palplanches sont moins étanches que ceux en paroi moulée. Cette dernière technique s’impose pour des profondeurs supérieures à une quinzaine de mètres et dans les terrains où il est impossible de battre des palplanches. Il faut également tenir compte des conditions de drainage sous le radier. On peut avoir intérêt à prévoir un système de drainage qui permette de ramener le niveau aval jusque dans la partie amont de la fondation de manière à diminuer la sous-pression totale, mais alors, le cheminement des lignes de courant étant plus court, les gradients hydrauliques sont modifiés et il faut vérifier de nouveau leurs valeurs. Pour diminuer les sous-pressions, on peut également placer des barbacanes à travers le radier. Cette solution présente l’inconvénient d’empêcher toute mise à sec ultérieure du radier pour des visites ou des réparations, qui devront donc s’effectuer sous l’eau.

+ Voir aussi ce qui concerne les écoulements souterrains. Si le terrain ne présente pas de propriétés mécaniques suffisantes, il faut alors s’orienter vers des fondations profondes (pieux, barrettes, etc...) ou vers la substitution.

_________________________________________________________________________________ Barrages mobiles

page 7 Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

2.4.5 AVAL-RADIER A la protection d’aval-radier sont assignées des fonctions anti-érosion : ♦ fonction première : la résistance à l’érosion, qui empêche l’affouillement à l’aval immédiat du radier, ♦ fonction seconde : la dissipation résiduelle de l’énergie à la sortie de l’ouvrage, ♦ fonction annexe : la protection contre l’érosion interne sous le radier, par étanchéité de la protection aval (allongement aval), Outre ces fonctions, l’intégrité de la structure doit être assurée en cas de développement d’une fosse d’affouillement à son voisinage, par ses propriétés de souplesse ou de cohésion. L’aval-radier des barrages subit des sollicitations importantes et fréquentes : ♦ débit par mètre linéaire important, ♦ écoulements dissymétriques qui engendrent des courants transversaux et des courants de retour particulièrement défavorables. La protection aval en enrochements libres est normalement utilisée. La blocométrie est adaptée en fonction de l’énergie dissipée par mètre d’ouverture et de la profondeur d’eau. Les conditions de filtre doivent être respectées et l’on met en place des couches multiples si c’est nécessaire. Le bétonnage des enrochements n’est pas recommandé car, bien qu’il donne à la protection une certaine cohésion, il rigidifie une structure destinée à s’adapter aux abaissements du lit du cours d’eau. Si une telle solution est adoptée, il convient de maintenir sous la couche supérieure les mêmes conditions de filtre que si les enrochements étaient libres, car une rupture du liant peut toujours se produire. Les protections de l’ouvrage sont dimensionnées de façon à éviter les risques d’affouillement aux abords immédiats du seuil. On distingue donc : ♦ les protections éventuellement nécessaires à l’amont (fond du lit et berges), ♦ les protections aval, constituées : • du bassin de dissipation de l’ouvrage, • des protections complémentaires à la sortie du bassin (fond du lit et berges). Les enrochements libres présentent en effet les avantages suivants : ♦ une grande souplesse et donc une bonne adaptabilité aux mouvements du lit (pas de rupture) ; ainsi, les enrochements aval peuvent à terme « tapisser » une fosse d’affouillement tout en maintenant le niveau du lit à la sortie immédiate du bassin, ♦ une relative simplicité dans la pose, ♦ des réparations faciles par recharge. _________________________________________________________________________________ Barrages mobiles

page 8 Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

Les techniques végétales, qui peuvent s’avérer d’un grand intérêt pour les protections de berge, ne sont pas du tout adaptées ici, car elles n’offrent pas une sécurité suffisante pour assurer la pérennité de l’ouvrage.

2.4.6 RIDEAU PARAFOUILLE Un rideau parafouille amont est indispensable à l’amont de l’ouvrage. En fonction de la profondeur du substratum et de sa nature, ce rideau pourra être en béton, en matériau étanche, constitué d’une paroi moulée, d’un écran en palplanches, d’un rideau d’injections... La liaison avec la structure devra être étudiée avec soin pour éviter une rupture de cet écran sous l’effet des sollicitations appliquées à l’ouvrage. En outre, il est souvent judicieux de disposer un rideau parafouille à l’aval de l’ouvrage, de profondeur généralement plus modeste qu’à l’amont, afin de se prémunir contre un sous-cavement de la partie aval du radier, lié à la disparition par érosion régressive des protections aval.

2.5 CONSTRUCTION Les techniques de construction envisagent les travaux en présence d’eau ou à sec.

2.5.1 DERIVATION DE LA RIVIERE La rivière est dérivée en phase provisoire et l’ouvrage est ensuite réalisé à sec dans l’ancien lit de la rivière. L’étanchéité peut être réalisée de plusieurs façons : ♦ digue en terre ou en alluvions, ♦ paroi moulée, ♦ rideau de palplanches, ♦ bateau-batardeau.

2.5.2 CONSTRUCTION EN DEHORS DE LA RIVIERE L’ouvrage est réalisé à sec en dehors de la rivière en profitant de la présence d’un méandre par exemple, et, une fois l’ouvrage terminé, la rivière est dérivée définitivement dans l’ouvrage. L’étanchéité peut être réalisée comme précédemment.

_________________________________________________________________________________ Barrages mobiles

page 9 Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

2.5.3 REALISATION A L’ABRI DE BATARDEAUX L’ouvrage est construit dans la rivière à l’abri de batardeaux, sans dérivation (c’est le cas le plus général). Les travaux se réalisent en deux phases au minimum, afin de laisser la rivière s’écouler par une partie du lit pendant que l’on exécute les travaux sur l’autre partie. S’il existe, le trafic fluvial n’est pas interrompu pendant les travaux. ♦ Étanchéité latérale : elle est assurée par la réalisation d’une ceinture (plus ou moins) étanche sur le pourtour de la zone à construire. Elle est constituée par un ou plusieurs des éléments suivants : • une digue en terre, en tout-venant ou en alluvions, • un rideau de palplanches métalliques (éventuellement conforté par un remblai), • une paroi étanche du type paroi moulée au coulis réalisée dans une digue ou dans le terrain en place. ♦ Étanchéité du fond : si les matériaux de fondation sont très perméables et que le rideau d’étanchéité ne rencontre pas d’horizon plus étanche, il est souvent nécessaire de réduire la perméabilité du sol à l’intérieur du batardeau en réalisant un béton immergé. Suivant le degré d’étanchéité recherché, il faut : • pour une étanchéité partielle, garder un ou plusieurs puits de décompression afin de contrôler les arrivées d’eau, • pour une étanchéité totale, bloquer les sous-pressions par gravité (forte épaisseur de béton) ou par ancrage du radier béton aux fondations, • envisager éventuellement de réaliser des injections du fond de fouille.

2.5.4 PREFABRICATION Il s’agit ici de la préfabrication des ouvrages de génie civil (les organes métalliques sont toujours préfabriqués). Cette solution consiste à construire le barrage en totalité ou partiellement sur un site différent de son emplacement final, puis à le transporter jusqu’à son emplacement définitif. Le mode de transport utilisé est généralement la voie d’eau. La préfabrication peut être : ♦ totale si aucun travail d’assemblage n’est à réaliser sur place ; l’ouvrage, une fois mis en place, peut être immédiatement connecté et mis en service, ♦ partielle si des travaux d’assemblage importants sont à effectuer après la mise en place. Deux modes de mise en place sont possibles : ♦ mise en place à sec en vidant l’intérieur d’un batardeau pour échouer le barrage, ce qui nécessite un batardeau complet et relativement étanche, _________________________________________________________________________________ Barrages mobiles

page 10 Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

♦ mise en place en eau en immergeant le barrage préfabriqué. On utilise la poussée d’Archimède pour une mise en place lente et par suite, très précise. Le barrage est alors rempli d’eau, de sable, ou de béton.

2.5.5 AUTRES TECHNIQUES On peut signaler, en complément de ce qui suit, d’autres procédés plus rarement envisagés : gabions disposés en marches d’escalier, palplanches en rideau simple ou double...

+ Voir aussi les modes de construction des autres types d’ouvrages : ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦

3.

Quais-poids Gabions de palplanches Écluses Quais sur pieux Ducs d’Albe Rideaux de soutènement Talus et pentes Digues des voies navigables Parties en béton des ouvrages Structures métalliques

SITUATIONS DE PROJET

+ Voir l’application à un CCTP. 3.1 ANALYSE DES SITUATIONS Les situations de projet doivent être établies en cohérence avec celles qui sont établies pour le dimensionnement hydraulique, les études de structure métallique et les études des organes de manœuvre. Elles sont définies par : ♦ des conditions hydrauliques (niveaux d’eau amont et aval, débit de la rivière), ♦ la configuration mécanique du barrage (positions de la bouchure, batardage éventuel...), ♦ la présence éventuelle d’affouillements en pied d’ouvrage. Les paramètres de référence à préciser sont les affouillements éventuels en pied de radier (aval) ou les atterrissements éventuels en pied de radier (amont) entraînant une modification des lignes d’eau de la Retenue Normale au droit du barrage. Les propriétés des sols doivent aussi être précisées (prise en compte des comportements à court terme et à long terme des sols fins, le cas échéant).

_________________________________________________________________________________ Barrages mobiles

page 11 Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

3.2 EXEMPLES DE SITUATIONS DURABLES On définit en général la situation durable d’exploitation par les lignes d’eau résultant du débit qui, compte tenu des règles de gestion du barrage (que l’on suppose respectées), conduit aux efforts les plus défavorables pour la partie d’ouvrage considérée. Dans une approche simplifiée, on peut considérer les lignes d’eau correspondant au niveau amont maxi et au niveau aval mini.

3.3 EXEMPLES DE SITUATIONS TRANSITOIRES Le mode de construction détermine de nombreuses situations transitoires : ♦ batardage d’une section de la rivière, entraînant des conséquences sur le régime de l’écoulement des eaux au droit du chantier, ♦ crue « de chantier », ♦ stabilité d’une dérivation provisoire, ♦ transport et manutention d’éléments préfabriqués, ♦ etc. Les essais de manœuvre de la bouchure sous batardeau de chantier, les conditions d’épreuve et de réception, peuvent définir une situation transitoire particulière, avec des modifications éventuelles des conditions de pression hydraulique. On peut considérer aussi une situation transitoire de maintenance du barrage avec une passe batardée et des lignes d’eau correspondant aux niveaux maxi en amont et mini en aval.

3.4 EXEMPLES DE SITUATIONS ACCIDENTELLES ♦ collision d’un bateau contre une pile, avec le niveau d’eau maxi amont, ♦ séisme, ♦ affouillement accidentel à l’aval-radier, ♦ conséquences d’un mauvais fonctionnement du dispositif d’étanchéité amont, ♦ conséquences d’un mauvais fonctionnement des dispositifs de drainage (colmatage, déformation, etc.), ♦ conséquences d’une ouverture dissymétrique de la bouchure de l’ouvrage, conduisant à des dégradations des protections aval, _________________________________________________________________________________ Barrages mobiles

page 12 Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

♦ rupture d’un ouvrage hydraulique en amont, ♦ rupture d’un ouvrage hydraulique en aval, ♦ erreur de manœuvre du barrage conduisant à une surcote à l’amont, ♦ crue accidentelle, ♦ etc. On peut aussi prendre en compte les situations accidentelles d’exploitation dégradée telles qu’elles sont définies pour les bouchures mobiles dans le fascicule Structures métalliques, dans la mesure où celles-ci impliquent des valeurs « accidentelles » des efforts de manœuvre reportés sur le génie civil du barrage : ♦ défaut de fonctionnement d’un actionneur, ♦ blocage d’une vanne par un corps étranger, ♦ blocage d’une passe en position fermée, ♦ etc.

+ Voir aussi les situations de projet des autres types d’ouvrages : ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦

Quais-poids Gabions de palplanches Écluses Quais sur pieux Ducs d’Albe Rideaux de soutènement Talus et pentes Digues des voies navigables Parties en béton des ouvrages Structures métalliques

+ Voir aussi les généralités sur les situations de projet.

_________________________________________________________________________________ Barrages mobiles

page 13 Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

4.

COMBINAISONS D’ACTIONS

4.1 SYSTEMES ETUDIES Les vérifications se décomposent de la manière suivante : ♦ Instabilité externe : le système est constitué par l’ensemble du barrage se comportant comme un bloc rigide. ♦ Instabilité hydraulique : elle concerne le sol de fondation et les protections enrochées. ♦ Instabilité interne : le système est constitué par les parties d’ouvrages à examiner : piles, radier, culées (génie civil), aval-radier, bouchures mobiles, organes de manœuvre. ♦ Instabilité globale : voir le fascicule Talus et pentes. ♦ Déplacements et déformations : on vérifie les tassements de l’ouvrage.

4.2 CAS DE CHARGE

+

Pour évaluer les actions du sol et de l’eau dans le sol, il convient de se référer aux fascicules Actions du terrain, Actions quasi-statiques des niveaux d’eau et Paramètres d’interaction sol-structure. La mise en place de systèmes de contrôle de l’écoulement tels que les rideaux parafouille, évents, tapis drainant, lignes de drains forés, barbacanes, etc. modifie le profil des pressions interstitielles. Les dispositifs envisagés et les profils de pressions doivent être fixés ou validés par un géotechnicien confirmé. Hormis le cas des chocs de bateaux (associés aux PHEN), les situations accidentelles associées à une configuration ou à une action accidentelle sont en général supposées établies avec les lignes d’eau correspondant à la valeur fréquente (crue de période de retour de 2 à 10 ans). Toutefois, le séisme est vérifié avec la valeur quasi-permanente, c’est-à-dire avec les lignes d’eau correspondant au débit moyen annuel (module de la rivière), ou encore les Retenues Normales (RN) amont et aval. En revanche, la configuration accidentelle du blocage d’une passe en position fermée est associée à la valeur caractéristique des niveaux d’eau.

+ Voir aussi les divers crues et débits représentatifs. + Voir aussi les valeurs représentatives des niveaux d’eau fluviaux. Suivant la nature des terrains, la présence ou non d’une nappe et les positions de celle-ci dans le sol, les modes d’application des charges, on adoptera un raisonnement et on effectuera les calculs en contraintes effectives ou en contraintes totales. Les indications à ce sujet données dans les fascicules Quais-poids et Actions du terrain peuvent être transposées aux barrages. Les combinaisons types d’actions définissent sans ambiguïté la valeur représentative de crue ou de débit à prendre en compte. _________________________________________________________________________________ Barrages mobiles

page 14 Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

Il peut arriver dans certains cas, quand l’ouvrage fonctionne en régime noyé à partir d’un certain débit, que le débit le plus contraignant soit inférieur au débit de calcul. Le dimensionnement (hydraulique et structurel) doit en tenir compte.

+ Voir aussi les cas de charge pour les autres types d’ouvrages : ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦

Quais-poids Gabions de palplanches Écluses Quais sur pieux Ducs d’Albe Rideaux de soutènement Talus et pentes Digues des voies navigables Parties en béton des ouvrages Structures métalliques

+ Voir aussi les généralités sur les combinaisons d’actions. 5.

DIMENSIONNEMENT HYDRAULIQUE

5.1 DONNEES ET PARAMETRES Les grandeurs ou informations suivantes sont supposées être connues : ♦ les débits représentatifs de la rivière, ♦ la loi hauteur débit à l’aval de l’ouvrage (non influencée par le barrage), ainsi que son évolution possible dans le temps (par exemple liée aux évolutions morphodynamiques naturelles de l’ouvrage), ♦ la cote de Retenue Normale (niveau normal maintenu dans la retenue par le barrage en période de basses eaux), ♦ le type de barrage (à sous-verse ou à surverse), ♦ la largeur maximale d’emprise disponible, ♦ les dimensions souhaitées des vannes et des piles, étant entendu que l’on cherche dans la mesure du possible des dimensions standardisées.

_________________________________________________________________________________ Barrages mobiles

page 15 Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

Les principales notations utilisées sont indiquées sur le schéma ci-dessous (exemple de barrage à surverse).

Z1 V1

ZD h1 ZS

h3

Z3

On appelle : ♦ Z1 : niveau d’eau amont, ♦ h1 : hauteur d’eau amont comptée à partir de la cote déversante : h1 = Z 1 − Z S ,

♦ h3 : hauteur d’eau aval comptée à partir de la cote déversante : h3 = Z 3 − Z S , ♦ V1: vitesse à l’approche du barrage,

♦ H1 : hauteur de charge amont comptée à partir de la cote déversante : H 1 = h1 +

V1 2 , 2g

♦ ZS : cote déversante lorsque le barrage est grand ouvert (cote du seuil des vannes pour les barrages à sous-verse, ou cote du clapet entièrement effacé pour les barrages à surverse), ♦ ZD : cote déversante du clapet en position haute (barrages à surverse), ♦ ZR : cote du bassin de dissipation, ♦ Z3 : niveau d’eau aval,

_________________________________________________________________________________ Barrages mobiles

page 16 Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

5.2 NIVEAUX DE SECURITE Les états-limites et les conditions qui font l’objet du dimensionnement hydraulique ci-après ressortissent à la catégorie des états-limites ultimes ; ils sont vérifiés avec les crues ou les débits de calcul et, si nécessaire, accidentels, précisés au titre des « états-limites fonctionnels » dans le fascicule Actions quasi-statiques des niveaux d’eau. Il n’est pas défini de coefficient de modèle.

5.3 DETERMINATION DES COTES HYDRAULIQUES La cote du seuil ZS est déterminée de façon à ce que, en période de crue, les niveaux générés par l’ouvrage à l’amont restent compatibles avec les contraintes d’inondation. La cote ZR du bassin de dissipation est déterminée de façon à contrôler la position du ressaut hydraulique. Ces aspects sont développés plus en détail ci-après et les méthodes appropriées sont présentées dans le fascicule Écoulement des eaux.

_________________________________________________________________________________ Barrages mobiles

page 17 Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

5.4 ETAT-LIMITE DE REMOUS EN PERIODE DE CRUE

5.4.1 DESCRIPTION DE L’ETAT-LIMITE Le dimensionnement hydraulique concerne un état-limite de remous en période de crue : les surélévations des niveaux fluviaux doivent rester inférieures à une valeur maximale admissible, qui dépend du contexte local (en particulier la vulnérabilité des lieux habités vis-à-vis des inondations), en général arrêtée en concertation avec les administrations concernées (DIREN, DDAF, DDE...). En période de crue, le barrage grand ouvert doit donc générer une perte de charge suffisamment faible pour que le remous provoqué à l’amont reste en deçà d’une valeur acceptable. Ce principe est représenté sur le schéma ci-dessous. ∆hmax

Ligne d'eau après barrage ∆h

Ligne d'eau avant barrage

Barrage

Point A

Si, au point A, la surélévation maximale admissible est ∆hmax, la perte de charge à l’ouvrage ∆h devra être suffisamment faible pour que la courbe de remous en amont du barrage passe sous le niveau maximum admissible en A. Cet état-limite hydraulique permet de dimensionner les principaux paramètres de la perte de charge :

♦ la largeur totale déversante de l’ouvrage, ♦ la cote du seuil (vannes grandes ouvertes). Dans ce qui suit, nous ne nous intéressons qu’à l’évaluation de la perte de charge locale ∆h de l’ouvrage. Les courbes de remous dans la retenue sont calculées par les méthodes classiques. Nous considérons le fonctionnement de l’ouvrage en crue, lorsque les vannes sont grande ouvertes.

_________________________________________________________________________________ Barrages mobiles

page 18 Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

5.4.2 MODELE REDUIT PHYSIQUE La perte de charge générée par le barrage est la conséquence du champ des vitesses et du champ des pressions qui se développent au voisinage des parties fixes de l’ouvrage. Les écoulements présentent un caractère tridimensionnel au droit de l’ouvrage : décollement des filets liquides autour des piles et des culées, formations de rouleaux à l’aval, pression non hydrostatique sur la crête déversante et la partie amont du coursier. Les modèles numériques tridimensionnels, capables de prédire précisément ces champs tridimensionnels ne sont pas encore aujourd’hui opérationnels. Autrement dit, seul le modèle réduit physique de l’ouvrage fournit un modèle détaillé de ces processus. La mise en œuvre d’un modèle réduit physique n’est pas systématique : pour les ouvrages simples et courants, les méthodes empiriques de dimensionnement, présentées ci-après, peuvent s’avérer suffisantes (moyennant probablement un surdimensionnement). Le modèle réduit est préconisé :

♦ si l’ouvrage est suffisamment complexe pour sortir du domaine de validité des méthodes simples, ♦ et/ou si l’optimisation de l’ouvrage apporte une économie au projet supérieure au coût de construction et d’exploitation du modèle. Quoi qu’il en soit, un modèle réduit, s’il est réalisé, n’intervient qu’au stade d’optimisation de l’ouvrage (c’est à dire au stade du projet). La conception générale et le prédimensionnement (stade avant-projet) font appel aux méthodes simples présentées plus loin. De plus, les essais effectués sur le modèle n’auront pas pour seul objectif la mesure de la perte de charge en crue. Les aspects suivants seront également étudiés :

♦ les ouvertures dissymétriques des vannes, ♦ l’étalonnage des vannes (ouvertures partielles), ♦ les affouillements au voisinage de l’ouvrage, l’optimisation du bassin de dissipation et la définition des protections, ♦ les phases de construction de l’ouvrage. Le modèle est réalisé à une échelle suffisamment grande pour qu’il soit précis et fiable (en général comprise entre 1/30 et 1/60). Selon l’objectif assigné, l’ouvrage sera représenté dans sa totalité ou partiellement (par exemple, un modèle en canal vitré reprenant une passe et deux demi-passes du barrage). L’emprise du modèle est définie de manière telle que les longueurs en amont et en aval du barrage soient suffisantes pour :

♦ assurer un bon établissement des vitesses à l’approche de l’ouvrage, ♦ couvrir en aval toute la zone susceptible d’être affouillée, ♦ permettre les études éventuelles de phases de chantier. _________________________________________________________________________________ Barrages mobiles

page 19 Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

Le programme d’essais est établi en fonction des différents points à étudier.

+ Voir aussi les généralités sur le modèle réduit physique. + Voir aussi les notions de similitude nécessaires à la réalisation d’un modèle réduit. 5.4.3 MODELES ANALYTIQUES SIMPLES 5.4.3.1 Principe Les méthodes présentées ci-après font appel :

♦ à une simplification de la modélisation du phénomène étudié (dans le sens de la sécurité), ♦ et/ou aux différentes expérimentations réalisées sur modèle réduit physique à l’occasion d’études générales ou de recherche appliquée. On examine successivement le fonctionnement normal du barrage, lorsque toutes les vannes sont grandes ouverte, puis le fonctionnement accidentel, lorsqu’une des vannes reste bloquée en position fermée. On suit en général une démarche itérative. Après avoir fixé dans un premier temps le nombre des vannes (en général supérieur à 3) et leurs dimensions ( en fonction de la cote de retenue normale et la largeur totale disponible), la cote du seuil des vannes ZS est calculée de façon à ce que la perte de charge soit acceptable en fonctionnement normal. Puis le fonctionnement accidentel est étudié. La conséquence du blocage d’une passe sur la perte de charge détermine alors le nombre de passes à envisager. Il est possible aussi que l’analyse de ce cas de fonctionnement conduise à modifier la cote du seuil. 5.4.3.2 Fonctionnement normal du barrage Toutes les vannes sont grandes ouvertes. Si B est la largeur totale de l’ouvrage, la largeur nette Bu offerte à l’écoulement peut s’écrire :

Bu = B − å1 c1bi n

avec :

♦ n : le nombre de piles, ♦ bi : la largeur des piles, ♦ c1 : le coefficient d’obstruction des piles. Le coefficient c1 dépend de la géométrie des piles, et de l’angle d’incidence de l’écoulement. Pour un ouvrage bien alimenté (axe de l’ouvrage perpendiculaire à l’écoulement), c1 est en général compris entre 1,05 et 1,10 (proche de 1,00 pour des piles bien profilées).

_________________________________________________________________________________ Barrages mobiles

page 20 Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

Le débit q par unité de largeur est calculé par :

q=

Q , Q étant le débit total. La charge spécifique H1 Bu

en amont du seuil est évaluée par :

♦ en écoulement dénoyé :

q = m 2 g H 13 / 2 ,

♦ en écoulement noyé : q =

m 2 g h3 H1 − h3 . 0.385

où m est un coefficient de débit compris entre 0,385 (seuil épais) et 0,450 (seuil bien profilé). La hauteur aval h3 lim est évaluée en égalisant les deux expressions du débit. Si h3 > h3 lim , l’écoulement est noyé, sinon l’écoulement est dénoyé. Le niveau d’eau à l’amont de l’ouvrage est alors calculé par :

Z1 = Z S + H 1 −

V12 2g

5.4.3.3 Fonctionnement accidentel du barrage En supposant qu’une vanne reste bloquée en position fermée, la largeur nette Bu offerte à l’écoulement s’écrit :

Bu = B − å1 c1bi − c2bv n

avec :

♦ bv : la largeur de la passe fermée, ♦ c2 : le coefficient d’obstruction, dont la valeur est de l’ordre de 1,25 (on suppose qu’une vanne en position fermée entraîne une obstruction égale à 1,25 fois sa largeur). Pour un barrage à sous-verse, on applique les formules ci-dessus avec cette nouvelle valeur de Bu . Pour un barrage à surverse, on prendra en compte le débit déversé par dessus le clapet resté en position haute, en appliquant la formule valable en écoulement noyé, dans laquelle H1 est comptée à partir de la cote supérieure du clapet ZD .

_________________________________________________________________________________ Barrages mobiles

page 21 Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

5.5 LONGUEUR DU BASSIN DE DISSIPATION

5.5.1 SEUIL FIXE ET BARRAGE GRAND OUVERT Le bassin de dissipation est un élément fondamental de la protection de l’ouvrage contre les affouillements. Il doit être conçu de façon à contenir le ressaut hydraulique, et ceci pour tous les cas de fonctionnement de l’ouvrage (débits, niveaux aval). Pour un débit Q donné, le débit unitaire q est évalué par la formule indiquée ci-avant pour le « fonctionnement normal du barrage » ; on multiplie ce débit par un coefficient c qui tient compte de l’alimentation de l’ouvrage :

♦ si l’ouvrage est bien alimenté, c est peu différent de 1,00 ; on choisit alors une valeur sécuritaire de l’ordre de 1,10 (augmentation de 10 % du débit unitaire) ; ♦ si un obstacle est à craindre au voisinage de la crête de l’ouvrage (embâcle, éventuellement projet d’infrastructure - une micro-centrale par exemple), la valeur recommandée est

c=

B , b étant la largeur de l’obstacle. B − 2b

L’écoulement sur le seuil est schématisé sur le graphique ci-dessous. ZH 1

V12 2g

Z1

H1

h1 Z3

ZS h3 h2

ZR

S1

S2

S3

La charge spécifique H1 en amont du seuil, calculée à partir de la cote déversante ZS, est évaluée par les formules indiquées ci-avant pour le « fonctionnement normal du barrage », que l’on rappelle cidessous :

♦ en écoulement dénoyé :

q = m 2 g H13 / 2 ,

♦ en écoulement noyé : q =

m 2 g h3' H1 − h3' , 0.385

_________________________________________________________________________________ Barrages mobiles

page 22 Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

♦ h’3 est la hauteur aval comptée à partir de la cote ZS :

h3' = Z 3 − Z S

où m est un coefficient de débit, qui vaut en moyenne 0,450 pour les seuils profilés en béton, 0,385 à 0,400 pour les seuils en enrochements à crête épaisse, et 0,430 à 0,450 pour les seuils en enrochements à crête mince. Pour tous les débits considérés, les données du problème sont donc :

♦ le débit unitaire q, ♦ la cote de charge amont

ZH1 = Z S + H1 ,

♦ le niveau d’eau aval Z3 . Le calcul est effectué :

♦ en négligeant la perte de charge par frottement entre les sections S1 et S2 (ce qui va dans le sens de la sécurité vis-à-vis de la dissipation d’énergie), ♦ en écrivant l’équation du ressaut, en section rectangulaire, entre les sections S2 et S3.

En faisant intervenir la charge critique Hc sur le seuil, définie par

æ q ö Hc = ç ÷ è 1 .7 ø

2/3

, les deux équations

suivantes sont obtenues :

æH ö ZH 1 − Z 3 h2 h = − 3 + 0.147çç c ÷÷ Hc Hc Hc è h2 ø

2

3 æ ö æ Hc ö h2 1 h3 ç ÷ ÷÷ − 1÷ = 1 + 2.36çç ç Hc 2 Hc ç ÷ è h3 ø è ø

On dispose donc de deux équations à deux inconnues, qui sont h2 et h3. La cote du radier de dissipation est alors calculée par :

Z R = Z 3 − h3 Dans les calculs précédents, la longueur du ressaut n’est pas prise en compte. Une relation communément admise est la suivante, LR désignant la longueur du bassin de dissipation :

LR = 5(h3 − h2 ) + ∆L où ∆L désigne la distance entre le pied du coursier et le début du ressaut (valeur nulle si le bassin est calé de telle sorte que le ressaut se produise au pied du coursier). _________________________________________________________________________________ Barrages mobiles

page 23 Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

+ Voir aussi une description des écoulements sur un seuil fixe ou un barrage grand ouvert. 5.5.2 BARRAGE OUVERT PARTIELLEMENT 5.5.2.1 Barrage à sous-verse Pour un prédimensionnement, on peut soit utiliser le modèle simplifié proposé ci-dessus pour les seuils fixes, soit calculer l’écoulement torrentiel à la sortie de la vanne avec, comme condition limite amont, la hauteur contractée déterminée dans le fascicule Écoulement des eaux. Le niveau de charge amont ZH1 est le niveau de consigne du barrage.

+ Voir aussi une description des écoulements en sous-verse. 5.5.2.2 Barrage à surverse L’écoulement sur un barrage à surverse est schématisé sur le graphique ci-dessous :

ZH1 H1

Z1

V12 2g

hc h1

ZD

Ressaut Z3 h3

hf h2

Protections aval

ZR

Ld

S1

S'1

S2

S3

Deux approches sont possibles pour le prédimensionnement. La première consiste à considérer la face intérieure de la nappe déversant comme un seuil de forme parfaite et sans frottement. On utilise alors le modèle proposé pour les seuils fixes pour évaluer la cote ZR du bassin. La seconde approche, issue de résultats d’essais systématiques, utilise les relations empiriques suivantes :

h2 h = 0.54( c )1.275 w w Ld h = 4.30( c ) 0.81 w w _________________________________________________________________________________ Barrages mobiles

page 24 Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

hf w

=(

hc 0.66 ) w

h3 h = 1.66( c ) 0.81 w w

Dans ces équations, hc est la hauteur critique sur le clapet, évaluée par hauteur totale de la chute, soit

0,07 ≤

hc = (

q2 1/ 3 ) , et w est la g

w = Z D − Z R . Leur domaine d’application correspond à

hc ≤ 1,00 . w

La longueur totale du bassin de dissipation est donc égale à :

LR = LD + 5(h3 − h2 )

+ Voir aussi une description des écoulements en surverse.

6.

FORMULATION DES ETATS-LIMITES STRUCTURAUX

6.1 DESCRIPTION DES PHENOMENES A EVITER 6.1.1 INSTABILITE EXTERNE Glissement-plan : voir le fascicule Quais-poids. Cet état-limite correspond à l’équilibre global de la structure sous l’effet des forces horizontales motrices dont on vérifie qu’elles peuvent être reprises par la mobilisation d’un frottement à l’interface sol-ouvrage ou sol-sol. Le choix des plans de glissement est important (par exemple cisaillement ou non du dispositif d’étanchéité amont, prise en compte d’un massif de sol sous l’ouvrage...). Leurs déformations et l’évolution probable de leurs propriétés est à examiner. Décompression du sol de fondation : voir le fascicule Quais-poids. La décompression à l’interface de la fondation et du sol est un phénomène important en ce sens que la distribution des pertes de charge n’est uniforme que si la fondation est entièrement comprimée, c’est-à-dire si le barrage reste au contact du massif de fondation sur toute la largeur de sa base, et notamment à l’amont. Dans le cas contraire, la partie amont du barrage se décolle du massif de fondation et une fissure s’ouvre à la base. Poinçonnement du sol de fondation ou capacité portante : voir le fascicule Quais-poids.

_________________________________________________________________________________ Barrages mobiles

page 25 Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

6.1.2 INSTABILITE HYDRAULIQUE Stabilité des protections amont et aval : la partie aval des barrages, ou aval-radier, protégée par des enrochements, supporte le ressaut hydraulique et prémunit l’ouvrage contre les risques d’instabilité qu’induirait le creusement d’une fosse de dissipation à l’aval. Elle permet aussi d’augmenter la sécurité de l’ouvrage vis-à-vis de l’érosion interne :

♦ en augmentant le chemin de filtration, si elle est étanche, ♦ en empêchant que des éléments fins ne soient emportés, si les conditions de filtre sont satisfaites. La partie amont des seuils doit aussi être protégée de l’effet érosif des écoulements. Conditions de filtre : voir le fascicule Digues des voies navigables. Autres phénomènes : la boulance concerne les matériaux soumis à des écoulements hydrauliques ascendants déstabilisateurs, pouvant liquéfier localement le sol ; la boulance peut se produire aussi bien dans les argiles que dans les matériaux pulvérulents. Le soulèvement en masse affecte le massif de sol en butée derrière un soutènement. La ruine d’un barrage peut survenir également si un processus d’érosion régressive, c’est-à-dire d’entraînement des particules du sol de fondation, se développe à partir des zones de résurgence de l’écoulement qui traverse le sol. L’érosion régressive est naturellement favorisée par l’existence de cheminements préférentiels dans le domaine d’écoulement : fissures transversales, couches plus perméables d’un sol de fondation hétérogène, contact béton-sol mal conçu ou mal exécuté... Compte tenu du caractère progressif du phénomène d’érosion régressive, ses effets peuvent ne se manifester que longtemps après la mise en service. Ces phénomènes sont regroupés sous le terme de « renard ». Ils constituent des manifestations particulièrement dangereuses pour l’ouvrage : en situation durable d’exploitation, l’érosion régressive et, en situation transitoire de construction ou de maintenance, la boulance et le soulèvement en pied d’un batardeau (voir les fascicules Rideaux de soutènement et Gabions de palplanches).

6.1.3 INSTABILITE INTERNE Structures métalliques : voir le fascicule Structures métalliques. Béton armé : voir le fascicule Parties en béton des ouvrages.

6.1.4 INSTABILITE GLOBALE Grand glissement : voir le fascicule Talus et pentes.

_________________________________________________________________________________ Barrages mobiles

page 26 Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

6.1.5 DEPLACEMENTS ET DEFORMATIONS Tassement absolu : ce phénomène n’est en général pas préjudiciable à l’ouvrage, mais il faut vérifier qu’il n’y a pas de risque d’abaissement des lignes d’eau. Tassement différentiel : les tassements différentiels doivent être vérifiés vis-à-vis de l’état-limite de fonctionnement mécanique des bouchures, selon des critères qui dépendent de la technique employée. Les clapets articulés de façon quasi-continue sur le radier s’accommodent mal de ce phénomène : un clapet supporté par une file d’appuis ponctuels sera très sensible aux tassements différentiels.

6.2 CLASSEMENT DES ETATS-LIMITES ET COMBINAISONS TYPES D’ACTIONS ASSOCIEES Les états-limites sont classés et associés aux combinaisons types d’actions comme indiqué dans le tableau ci-dessous. Etat-limite

Catégorie

Combinaisons types associées

INSTABILITÉ EXTERNE Glissement plan

se reporter au fascicule Quais-poids

Décompression du sol de fondation

se reporter au fascicule Quais-poids

Poinçonnement du sol de fondation

se reporter au fascicule Quais-poids INSTABILITÉ HYDRAULIQUE

Boulance

se reporter au fascicule Rideaux de soutènement

Soulèvement en masse

se reporter au fascicule Rideaux de soutènement

Érosion régressive

se reporter au fascicule Gabions de palplanches

Conditions de filtre

se reporter au fascicule Digues des voies navigables

Stabilité des protections amont et aval

ELU

fondamentale / accidentelle

ELS

rare / fréquente

INSTABILITÉ INTERNE Résistance des structures métalliques Résistance du béton armé

se reporter au fascicule Structures métalliques se reporter au fascicule Parties en béton des ouvrages

DEPLACEMENTS ET DEFORMATIONS Tassements absolus

ELS

quasi-permanente

Tassements différentiels

ELS

quasi-permanente

INSTABILITÉ GLOBALE se reporter au fascicule Talus et pentes

_________________________________________________________________________________ Barrages mobiles

page 27 Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

+ Voir aussi les états-limites à vérifier pour d’autres types d’ouvrages : ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦

Quais-poids Gabions de palplanches Écluses Quais sur pieux Ducs d'Albe Rideaux de soutènement Talus et pentes Digues des voies navigables Parties en béton des ouvrages Structures métalliques

6.3 ASPECTS PARTICULIERS LIES A LA PRISE EN COMPTE DE LA SECURITE La sécurité dans la justification des barrages mobiles dépend avant tout des conditions hydrauliques retenues pour le projet. A ce titre la détermination des sous-pressions dans le sol joue un rôle fondamental.

+ Voir aussi les méthodes pour déterminer les forces d’écoulement dans les sols. Le caractère favorable ou défavorable du poids propre de l’ouvrage et de ses équipements doit être examiné vis-à-vis de l’état-limite de capacité portante. La condition d’état-limite de résistance des protections par enrochements s’exprime par :

γd . Dmin ≤ Dactuel où Dmin dépend des conditions de l’écoulement et des propriétés des blocs (densité). Les conditions de l’écoulement servent à définir des situations de projet et, de ce fait, ne sont pas affectés par des coefficients partiels (voir le fascicule Actions quasi-statiques des niveaux d’eau). Les niveaux de sécurité élevés requis pour la stabilité des seuils et des avals-radier sont pris en compte par l’introduction de coefficients de modèle γd et γd, serv .

_________________________________________________________________________________ Barrages mobiles

page 28 Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

7.

MODELISATION DU COMPORTEMENT STRUCTURAL DE L’OUVRAGE

+ Voir l’application à un CCTP. 7.1 INSTABILITE EXTERNE

7.1.1 GLISSEMENT-PLAN Les plans de glissement sont horizontaux. On considère généralement le plan correspondant à la partie la plus profonde de l’ouvrage, soit la partie aval du radier, en intégrant le massif de sol « emprisonné » entre celle-ci et l’amont du radier. On néglige généralement la butée à l’aval du radier, du fait de la possible disparition par érosion des protections. En raison du doute qui enveloppe la résistance de la connexion des rideaux parafouille avec le radier, ces derniers ne jouent pas de rôle mécanique direct et, de ce fait, ne sont pas pris en compte dans la modélisation générale de la fondation mais pour les seuls états-limites d'hydraulique des sols (entraînement de fines, renard...).

+ Voir aussi le fascicule Quais-Poids. 7.1.2 DECOMPRESSION DU SOL DE FONDATION Les critères de décompression proposés dans les tableaux à la fin de ce fascicule sont plus sévères que ceux qui sont définis pour les quais-poids en raison de la sensibilité des barrages à ce genre de phénomène.

7.1.3 POINCONNEMENT DU SOL DE FONDATION

+ Voir le fascicule Quais-Poids. 7.2 INSTABILITE HYDRAULIQUE

7.2.1 ETATS-LIMITES DE RENARD

+ Pour la boulance, voir les fascicules Rideaux de soutènement et Gabions de palplanches. + Pour l’érosion régressive, voir le fascicule Gabions de palplanches.

_________________________________________________________________________________ Barrages mobiles

page 29 Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

7.2.2 CONDITIONS DE FILTRE Pour assurer la transition entre le sol de fondation d’une part et les ouvrages d’autre part (ouvrages en béton ou tapis d’enrochements), on interpose une ou plusieurs couches de matériaux, respectant les conditions de filtre pour les couches supérieure et inférieure. On peut envisager l’emploi de géotextiles.

+ Voir également le fascicule Digues des voies navigables. 7.2.3 STABILITE DES PROTECTIONS AMONT ET AVAL 7.2.3.1 Expression générale Il est recommandé d’examiner la stabilité des protections amont et aval sur des modèles réduits physiques (fascicule Écoulement des eaux) qui, seuls, peuvent prendre correctement en compte les phénomènes hydrauliques liés à des ouvertures dissymétriques. Pour le prédimensionnement, on peut utiliser une démarche générale analytique (ci-après) qui consiste à évaluer le champ des vitesses sur et au voisinage de l’ouvrage, puis à en déduire les protections à mettre en place pour se prémunir contre les affouillements. L’expression générale de la résistance des enrochements libres soumis à l’action des écoulements hydrauliques est présentée dans le fascicule Valeurs représentatives ces résistances (formule d’Isbach) complétée par l’annexe au fascicule Écoulement des eaux. L’expression générale de la condition d’état-limite est :

γd . Dmin ≤ Dréel

+ Pour en savoir plus sur les affouillements en aval des seuils fixes et des barrages mobiles, voir le fascicule Écoulement des eaux.

_________________________________________________________________________________ Barrages mobiles

page 30 Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

7.2.3.2 Seuils A l’amont du seuil : Il s’agit des protections mises en place éventuellement à l’amont de l’ouvrage, où se produit la mise en vitesse aux abords de la crête déversante.

V0

Vc

hc

e L

A la transition entre le lit naturel et le début des protections, la couche limite est inférieure à la hauteur d’eau. Pour se placer dans le sens de la sécurité, on suppose que la hauteur h’ de la couche limite correspond au diamètre D de l’enrochement, ce qui revient à appliquer une formule de type Isbach avec n = 1,38 (qui correspond à Ac = 0,060). Le diamètre Dmin est alors calculé par :

Dmin = 0,027

V2 ∆

où Dmin est exprimé en mètres, et ∆ désigne la densité déjaugée des enrochements. La vitesse V peut être évaluée en calculant la courbe de remous avec comme condition aval la hauteur critique hcrit sur le seuil, ce qui permet également de fixer la longueur L de la protection. La valeur majorante de la vitesse est la vitesse critique

Vcrit = ghcrit sur le seuil. On peut donc conserver cette 1/ 3

valeur sécuritaire pour prédimensionner la protection, avec

hcrit

æ q2 ö = çç ÷÷ è g ø

.

La longueur L de la protection est en général de l’ordre de 1 à 2 fois la hauteur critique hcrit. L’épaisseur e de la protection est en général e = 2 . Dmin .

+

Pour plus d’éléments sur les lois de comportement des matériaux plongés dans un écoulement fluide, voir l’annexe du fascicule Écoulement des eaux.

_________________________________________________________________________________ Barrages mobiles

page 31 Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

A l’aval du seuil : Il s’agit des protections mises en place à la sortie du bassin de dissipation.

V

Vt

V0

h0

e

Etat initial

h hs

Etat après affouillement

L x

Le schéma ci-dessus représente un état admissible à l’aval de l’ouvrage. Une fosse d’affouillement est tolérée, pour autant qu’elle n’affecte pas la sortie immédiate de l’ouvrage. Les protections en enrochements disposés à l’aval de l’ouvrage « tapissent » cette fosse et la maintiennent dans l’état schématisé sur le graphique. Sans préjuger de cet état final, les protections sont dimensionnées en fonction de la vitesse V à la sortie du bassin de dissipation. L’écoulement sur le radier est de nature turbulent lisse, ce qui signifie une faible valeur de la couche limite. Sur les enrochements, à la transition radier-protections, on suppose comme précédemment que la hauteur de la couche limite est de l’ordre du diamètre des blocs. La difficulté réside en l’évaluation de la vitesse V. Il est préconisé de prédimensionner les enrochements par une formule de type Isbach, écrite sous la forme générale :

Dmin = a

V2 ∆

où a est un coefficient que l’on peut évaluer selon deux approches :

♦ la vitesse V prise en compte est la vitesse moyenne, comptée sous le niveau aval, avec le lit initial de la rivière. Les Design Criteria de l’US Corps of Engineers recommandent la valeur a = 0,071 ; ♦ une valeur a = 0,027 est prise en compte (comme pour les protections amont), la vitesse réelle V étant estimée d’après les essais systématiques effectués sur modèle réduit. Les valeurs proposées sont indiquées sur le graphique ci-dessous (F est le nombre de Froude en amont du ressaut).

_________________________________________________________________________________ Barrages mobiles

page 32 Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

V ite sse s à l'a va l d u re ssa ut 1 ,2

1

V/V t

0 ,8

F= 2

0 ,6

0 ,4

F= 4 0 ,2

F= 6

0 0

1

2

3

4

5

6

x/ h 0

L’épaisseur e de la protection doit être de l’ordre de 2 à 3 fois le diamètre des blocs. La longueur L doit être telle que le volume des blocs soit suffisant pour tapisser entièrement la fosse d’affouillement aval. On peut estimer grossièrement ce volume Vp en supposant une pente d’équilibre de 2 horizontal pour 1 vertical recouverte d’une couche de blocs :

V p = 2.hs .D 7.2.3.3 Barrages mobiles Lorsque les vannes des barrages sont grande ouvertes, en période de crue, le niveau amont n’est plus contrôlé. On se ramène donc au cas d’un seuil fixe, et tout ce qui est dit dans la section précédente s’applique. Les seules différences concernent la largeur nette de déversement, qu’il faut évaluer en tenant compte :

♦ de l’obstruction provoquée par les parties fixes de l’ouvrage (piles), ♦ de la possibilité du blocage accidentel d’une (ou de plusieurs) vannes en position fermée, ainsi que les perturbations apportées au champ des vitesses au voisinage de l’ouvrage lorsqu’une ou plusieurs vannes restent bloquées en position fermée (écoulements dissymétriques). Toutes les méthodes présentées plus haut pour les seuils fixes s’appliquent. En ce qui concerne les impacts sur les affouillements du blocage d’une ou plusieurs vannes en position fermée, ils sont étudiés finement sur modèle réduit physique ; pour un prédimensionnement, on peut appliquer le modèle simplifié en tenant compte de la largeur nette de déversement (situations où les passes sont ouvertes, situations accidentelles où une passe reste fermée...) par les formules des seuils fixes.

_________________________________________________________________________________ Barrages mobiles

page 33 Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

7.2.3.4 Enrochements liés Si des enrochements liés sont utilisés, le diamètre des blocs doit être identique à celui d’une protection en enrochements libres. L’épaisseur quant à elle est dimensionnée :

♦ au regard des sous-pressions : un calcul de stabilité doit être mené, qui détermine l’épaisseur à donner au revêtement pour équilibrer les sous-pressions, sous les hypothèses suivantes à discuter pour chaque projet : • liaison radier / aval-radier parfaitement étanche, • pas de cohésion à l’interface radier / aval-radier ; pas d’efforts de traction dans la partie inférieure de l’aval-radier (le poids de l’aval-radier doit être supérieur aux sous-pressions). ♦ au regard des efforts hydrodynamiques : l’épaisseur de la protection doit être au moins égale au diamètre des enrochements libres, tel que résultant des formules classiques de dimensionnement des enrochements ; on garantit ainsi la stabilité des blocs en cas de fissuration du liant.

+

Pour plus d’éléments sur la théorie du calcul des affouillements, voir l’annexe du fascicule Écoulement des eaux.

7.3 INSTABILITE INTERNE

7.3.1 STRUCTURES METALLIQUES

+ Voir le fascicule Structures métalliques. 7.3.2 BETON ARME

+ Voir le fascicule Parties en béton des ouvrages. 7.4 INSTABILITE GLOBALE

+ Voir le fascicule Talus et pentes.

_________________________________________________________________________________ Barrages mobiles

page 34 Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

7.5 DEPLACEMENTS ET DEFORMATIONS Le calcul des tassements nécessite :

♦ une connaissance précise des propriétés du sol d’assise et de son éventuelle hétérogénéité, ♦ l’analyse du mode de répartition des sollicitations apportées par l’ouvrage à son assise.

+ Voir à cet effet quelques indications dans le fascicule Paramètres géométriques. + Voir aussi les fascicules : ♦ Quais-poids ♦ Talus et pentes

8.

COEFFICIENTS PARTIELS

8.1 COEFFICIENTS DE VALEUR On écarte de l’analyse qui suit les éléments métalliques faisant partie de l’ouvrage (palplanches, tirants, bouchures). Pour la vérification en situation durable ou transitoire des états-limites ressortissant à la catégorie des états-limites ultimes, les valeurs de calcul des principaux paramètres pertinents pour les ouvrages traités ici, avec application selon le cas des coefficients partiels de valeur (≠ 1,00), concernent :

♦ les cotes en pied d’ouvrage et les niveaux du fond des rivières, ♦ la résistance à la compression du béton, la limite élastique des aciers de renforcement, la résistance au cisaillement des sols (en cohérence avec les actions du terrain, et les paramètres d’interaction sol-structure), ♦ la capacité portante des fondations superficielles (en cohérence avec les propriétés des sols), ♦ la résistance des enrochements de protection, ♦ l’inclinaison des pressions du terrain en poussée et en butée (en cohérence avec les propriétés du sol), le frottement de glissement, ♦ les actions : • pressions du sol en poussée et en butée (en cohérence avec les propriétés des sols, les paramètres d’interaction sol-structure et les niveaux d’eau), _________________________________________________________________________________ Barrages mobiles

page 35 Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

• niveaux d’eau, • poids propre, • écoulement des eaux, efforts transmis par les parties mobiles,

+ Voir aussi les autres actions, notamment : ♦ Courant ♦ Manœuvre

Pour la vérification en situation durable ou transitoire des états-limites ressortissant à la catégorie des états-limites de service, les principaux coefficients partiels de type γR, serv ou γM, serv concernent :

♦ la capacité portante des fondations superficielles. Les critères de service sont proposés dans le fascicule Paramètres géométriques. Pour la vérification en situation accidentelle des états-limites ressortissant à la catégorie des étatslimites ultimes, les principaux coefficients partiels de type γR, acc ou γM, acc concernent :

♦ la résistance à la compression du béton.

8.2 COEFFICIENTS DE MODELE

+ Voir l’application à un CCTP. 8.2.1 EN SITUATIONS DURABLES ET TRANSITOIRES

Etat-limite et combinaison associée

Modèle

Valeur de γd ou γd, serv

INSTABILITÉ EXTERNE Glissement plan (fondamentale)

1,10

Décompression du sol de fondation fondamentale rare

10 % Navier

quasi-permanente Poinçonnement du sol de fondation

80 % 100 %

se reporter au fascicule Quais-poids

_________________________________________________________________________________ Barrages mobiles

page 36 Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

INSTABILITÉ HYDRAULIQUE Boulance

se reporter au fascicule Rideaux de soutènement

Soulèvement en masse

se reporter au fascicule Rideaux de soutènement

Érosion régressive

se reporter au fascicule Gabions de palplanches

Conditions de filtre

se reporter au fascicule Digues des voies navigables seuils fixes

barrages mobiles

fondamentale

1,00

1,25

rare

1,25

1,50

fréquente

1,50

1,75

Stabilité des protections amont et aval

INSTABILITÉ INTERNE Résistance des structures métalliques

se reporter au fascicule Structures métalliques

Résistance du béton armé

se reporter au fascicule Parties en béton des ouvrages DEPLACEMENTS ET DEFORMATIONS

Tassements absolus (quasi-permanente)

/

Tassements différentiels (quasi-permanente)

/ INSTABILITÉ GLOBALE se reporter au fascicule Talus et pentes

La différence entre les coefficients de modèle définis ci-dessus pour l’état-limite de poinçonnement du sol s’explique par l’utilisation de deux modes de pondération différents. Il ne s’agit pas d’une remise en cause comparative de la qualité des modèles de résistance.

_________________________________________________________________________________ Barrages mobiles

page 37 Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

8.2.2 EN SITUATIONS ACCIDENTELLES

Etat-limite

Valeur de γd, acc

Modèle INSTABILITÉ EXTERNE

Glissement plan

1,00

Décompression du sol de fondation

10 %

Poinçonnement du sol de fondation

se reporter au fascicule Quais-poids INSTABILITÉ HYDRAULIQUE

Boulance

se reporter au fascicule Rideaux de soutènement

Soulèvement du massif en pied

se reporter au fascicule Rideaux de soutènement

Érosion régressive

se reporter au fascicule Gabions de palplanches

Conditions de filtre

se reporter au fascicule Digues des voies navigables

Stabilité des protections amont et aval

seuils fixes

barrages mobiles

1,00

1,00

INSTABILITÉ INTERNE Résistance des structures métalliques

se reporter au fascicule Structures métalliques

Résistance du béton armé

se reporter au fascicule Parties en béton des ouvrages INSTABILITÉ GLOBALE se reporter au fascicule Talus et pentes

+ Voir aussi les coefficients de modèle pour les états-limites d’autres types d’ouvrages : ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦

Quais-poids Gabions de palplanches Écluses Quais sur pieux Ducs d’Albe Rideaux de soutènement Talus et pentes Digues des voies navigables Parties en béton des ouvrages Structures métalliques

_________________________________________________________________________________ Barrages mobiles

page 38 Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF

9.

TEXTES DE REFERENCE

FASCICULE 62 titre V du C.C.T.G., (1993) Règles techniques de conception et de calcul des fondations des ouvrages de génie civil Ministère de l’Équipement. VNF - CETMEF, (1998) Les barrages mobiles de navigation : guide du chef de projet Éditions du Moniteur. US Army Corps of Engineers, (2000) Design of spillways Tainter gates EM 1110-2-2702, Washington DC, USA. Compagnie Nationale du Rhône, (1994) Liaison Saône-Rhin : étude hydraulique de la voie navigable CNR, Lyon. Antoine, F., Josseaume, H., Levillain, J. P., Rouas, G., (1992) Recommandations sur les barrages-réservoirs d’alimentation des canaux à bief de partage : expertise, surveillance et entretien, confortement Notice STC VN n° 92.02 - CETMEF.

oOo

_________________________________________________________________________________ Barrages mobiles

page 39 Extrait de ROSA 2000 édition n°1 – © METL / CETMEF