Cours Barrages I2 Chap4 [PDF]

Zitiervorschau

Le choix, l’emplacement, le dimensionnement de l’évacuateur sont des questions essentielles pour la construction d’un barrage (sécurité, longévité). Le barrage, même s’il retient les écoulements, général, contenir les crues exceptionnelles et intéressant de laisser passer de l’eau vers l’aval. fin que l’on dimensionne sur tout ou partie de évacuateur de crues.

ne peut, en il est aussi C’est à cette l’ouvrage un

Celui-ci doit être à même de fonctionner automatiquement pour faire face à une montée brutale des eaux. Il doit aussi pouvoir évacuer les débits les plus élevés du cours d’eau. En Afrique, la priorité est donnée aux évacuateurs à surface libre. En général, l’évacuateur n’occupe qu’une partie du barrage.

Après franchissement du seuil déversant, l’eau garde le plus souvent sa direction dans le chenal, puis le coursier (entonnement frontal). Un ouvrage de dissipation de l’énergie de chute est à prévoir avant de restituer l’eau au cours d ’eau. L’évacuateur est souvent placé latéralement pour profiter de l’appui que constitue le versant. On valorise la meilleure fondation ou le trajet le plus court pour atteindre l’aval ou la bonne tenue des sols en place. En Afrique, les vallées très évasées et la forte érodabilité des sols remettent en cause l’emplacement latéral du déversoir. Pour les petits barrages et afin de limiter le coût d’un ouvrage en position centrale, on cherche à le poser directement sur le remblai au droit du thalweg.

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D’une manière générale, dans le cas des petits barrages en terre, l’évacuateur de crues est composé de : Un déversoir ou seuil : généralement linéaire Un chenal : entonnement latéral ou frontal Un coursier : permet de rattraper le lit de la rivière Un ouvrage de dissipation de l’énergie érosive de l’eau Quelques termes techniques liés aux évacuateurs de crues: • Bajoyers : murs verticaux en rives droite et gauche du déversoir. Ils jouent le rôle de murs de soutènement face à la poussée des terres. • Barbacanes : orifices à travers les structures en béton pour ramener la pression sous ces structures à la pression atmosphérique. • Joint waterstop : joint entre deux plots de béton pour empêcher les fuites d’eau.

Différentes parties d'un évacuateur de crues

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Évacuateurs à surface libre Déversoir poids en béton ou maçonnerie: très courant, bien maîtrisé, souvent volume de béton très important. • 2 types de profils : Creager et pseudo-Creager Déversoir à entonnement latéral : si situé en rive, prévoir un coursier long. Déversoir en béton armé du type « bec de canard » : Entonnement de type mixte (frontal et latéral) posé sur le remblai de la digue. Déversoir en perré traité au mastic bitumineux : bon procédé peu employé en Afrique. Déversoir en gabions : simple et courant, mais demande une réalisation dans les règles de l’art. Déversoir-voile en béton armé

Déversoir à profil craeger La parabole épouse la parabole décrite par une goutte d' eau lancée dans la zone de mise en vitesse en amont du déversoir.

Déversoir trapézoïdal Barrage de Yakouta (Burkina Faso)

Déversoir trapézoïdal Barrage de Korsimoro (Burkina Faso)

Déversoir en bec de canard Barrage de Kanazoé (Burkina Faso)

Déversoir en bec de canard Barrage de Lumbila (Burkina Faso)

Déversoir en « bec de canard »

Déversoir en perré traité au mastic bitumineux Barrage de Frondobo (Côte d’Ivoire)

Barrages et seuils en gabions

Barrage en gabions à parement aval vertical de Saouga 1 (Burkina Faso)

Déversoir-voile en béton armé Vue en perspective d'un type de déversoirvoile en béton armé. 1 : plan d'eau ; 2 : voile en béton armé ; 3 : contrefort ; 4 : radier de dissipation ; 5 : joint de dilatation ; 6 : talus ; 7 : bajoyers ; 8 : becquet ; 9: joint waterstop.

Vue de l'aval du déversoir-voile en béton armé à contreforts de Balavé (Burkina Faso)

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La nature de fondation La conception du barrage La disponibilité en matériaux La disponibilité en main d’œuvre Le coût par rapport au coût total du barrage Les possibilités de suivi et d’entretien L’utilisation de l’aval du barrage Les questions environnementales et conditions sanitaires Les conditions hydrauliques (hauteur de chute, débit)

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Loi de débit et calcul de la longueur déversante Pour un ouvrage à surface libre, on cherche une solution optimale sur la longueur du déversoir. Les calculs concernent d ’abord : La prise en compte des crues les plus élevées, La connaissance de la charge maximale admissible sur l’ouvrage et ses annexes, Le dimensionnement de la longueur déversante.

La prise en compte des crues les plus élevées : Voir détermination du débit de projet Charge maximale admissible conseillée sur les déversoirs

Type

Hauteur max (m)

Déversoir en gabions

0,40 < hmax < 0,70

Déversoir en maçonnerie

0,40 < hmax < 0,70

Déversoir en béton

0,70 < hmax < 1,00

Calcul de la longueur déversante : Cas d'un seuil dénoyé On applique la formule de débit sur un seuil dénoyé :

Q = m * L * 2g * h

3/ 2

avec Q : débit sur le seuil (m3/s) L : longueur déversante (m), h : charge sur le seuil (m) m : coefficient de débit du seuil (-) g : accélération de la pesanteur (g = 10 m/s2)

Détermination du coefficient de débit m m dépend de la forme du seuil, mais aussi de la charge. Coefficient de débit d'un déversoir à profil rectangulaire.

Coefficient de débit d'un déversoir à profil Craeger

Calcul de la longueur déversante : Cas d'un seuil noyé Si les conditions d' évacuation à l' aval sont telles que le niveau d' eau aval est supérieur à la cote du seuil et lorsque h1 ≥ 2 h

h

3

alors le déversoir est noyé.

Q = k * m * L * h1 * 2 g (h − h1 ) avec k: facteur de réduction de m

h1

Facteur de réduction k

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Compte tenu de l’importance de la surface du plan d’eau, les crues font monter le plan de PEN au PHE, constituant ainsi un volume d’eau temporaire qui est déstocké progressivement. Il s’agit du laminage de la crue. L’effet de laminage dépend : • de la forme de l’hydrogramme de crue, • de la capacité d’évacuation du déversoir, • de la capacité de stockage de la retenue, en particulier selon la forme de sa partie supérieure. Tenir compte de l’effet de laminage permet de réduire la longueur du déversoir sans augmenter le risque de submersion du barrage.

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Le calcul de l’effet de laminage ne peut être conduit que si l’on connaît avec précision : • les caractéristiques de l’hydrogramme de crue, • la courbe Hauteur / Volume de la retenue. Équation différentielle du laminage

dz Qc (t ) − Qe [ z (t ) ] = = f [t , z (t ) ] dt S [ z (t ) ] Résolution numérique manuelle (méthode "x0" ou graphique) ou automatique (exemple logiciel CERES du CEMAGREF)

Méthode EIER-CIEH ou méthode du "x0" L’effet de laminage est évalué sous la forme d ’un coefficient

tel que :

Avec

β=

Qemax Qcmax

hydrogramme de crue Qcmax : le débit maximum de l' entrant (débit de projet) (m3/s) Qemax : le débit maximum évacué (m3/s)

se lit sur un abaque en fonction de log10x0

x0 =

m 2 gL12Qcmax tm3 S3

Avec L1 : est la longueur approchée du déversoir (m) S : la superficie normale de la retenue (m2) m : coeff. de débit de l ’évacuateur (-) tm : temps de montée des eaux (s) Qcmax : débit de projet (m3/s) g : accélération de la pesanteur (g = 10 m/s2)

Détermination du coefficient de laminage

Méthodologie pratique • Calculer L1 sans tenir compte de l' effet de laminage

Qcmax = m * L1 * 2 g * h3/ 2 • Calculer x01 puis log10x01 : x01 = • Lire

1

m 2 gL12Qcmax tm3 S3

sur l' abaque et calculer Qemax =

• Calculer L2 avec :

β1Qc

max

Qcmax

= m * L2 * 2 g * h3/ 2

• Recommencer le calcul avec L2 : x02 = • Calculer Qemax =

1

2 Qcmax et L3 :

β 2Qc

max

m 2 gL22Qcmax tm3 S

3

puis log10x02

= m * L3 * 2 g * h3/ 2

et ainsi de suite par itérations successives, jusqu' à obtenir une valeur convergente de L.

Limites de la méthode du "x0" La validité de ces calculs est limitée dans le cas de très forts laminages. Lorsque = Qemax/Qcmax trouvé est inférieur à la valeur Q/Qcmax donnée par l' abaque ci-dessous, il y a lieu d' être prudent quant à la valeur de Qemax. C' est un cas de figure peu fréquent.

Abaque de validité de la détermination de l' effet du laminage basé sur l' hydrogramme schématique triangulaire.

Méthodes graphiques La forme de l' hydrogramme de crue est soit triangulaire (pointu), soit arrondi. On associe à Qc, une hauteur fictive Zc sur le seuil : On associe à Qe, une hauteur Ze sur le seuil :

Qc = m * L * 2 g * Z c3/ 2

Qe = m * L * 2 g * Z e3/ 2

On détermine: Tm (s) = temps de montée de l' hydrogramme de crue de projet A (m²) = surface du plan d' eau normal a (m) = hauteur d' eau sur le seuil pour 2A

Deux de cas de calcul: 1er cas : On se fixe à priori une longueur de déversement. On calcule les termes suivants:

A * Zc Qc * Tm

et

Zc a

On lit sur l' abaque le rapport

Qe Qc

2ème cas : On se fixe à priori une hauteur de déversement. On calcule les termes suivants:

A * Ze Qc * Tm

et

Ze a

On lit sur l' abaque le rapport

Attention aux unités! Q (m3/s) A (m²) Tm (s)

Z (m) a (m)

Qe Qc

Crue à hydrogramme arondi:

1er cas

- Abscisse :

A* Z Qc * Tm

Qe - Ordonnées : Qc - Courbes :

Z a

2ème cas

Crue à hydrogramme pointu :

1er cas

- Abscisse :

A* Z Qc * Tm

Qe - Ordonnées : Qc - Courbes :

Z a

2ème cas

Valorisation de l'effet du laminage Compte tenu du coût nettement plus faible du remblai par rapport aux ouvrages en béton et lorsque la retenue bénéficie d’un bon laminage, on peut significativement baisser le coût de l’évacuateur de crues en valorisant au mieux le laminage par le choix d’une charge élevée sur le seuil déversant. Ce choix n’est pas contraignant pour la sécurité vis à vis des incertitudes liées aux connaissances hydrologiques. Il faut néanmoins tenir compte de l’augmentation des superficies noyées et des difficultés supplémentaires pour dissiper l’énergie de chute.

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Il consiste à l’application des débits trouvés pour le dimensionnement (longueur, forme, profondeur) du chenal d' écoulement, du coursier et du bassin de dissipation.

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• Fait directement suite au déversoir, généralement rectangulaire • Longueur faible, pente faible, écoulement fluvial • Profondeur normale yn se détermine par Manning-Strickler :

Q = KSR 2 / 3 I 1/ 2 Avec

Q : débit

yc =

(m3/s)

R : rayon hydraulique (m) :

R=

I : pente du chenal (m/m) S : section mouillée (m²) : S

S L + 2 yn

2

Q = 0.47 L

2/3

Écoulement fluvial si yn>yc

= Lyn

K : coefficient de rugosité de Manning-Strickler L : largeur du canal (m)

3

1 Q g L

Quelques valeurs de K

État de surface

K

Paroi très lisse (métal – ciment très lisse) Mortier lissé

100

Béton lisse avec joints

75

Maçonnerie ordinaire

70

Béton rugueux, maçonnerie vieille

60

Terre très irrégulière avec herbe

50

Chenal rempli de cailloux

40

85

• Fait suite au chenal d' écoulement et généralement rectangulaire • pente forte, écoulement torrentiel

• La longueur minimale L du convergent peut être calculée par :

L = 2.5(l1 − l2 ) l1 : largeur au plafond du bief amont l2 : largeur au plafond de la section de contrôle

• La largeur du coursier peut être approchée par :

l = 2y

(y le tirant d' eau) (section économique par expérience)

l ≈ Q 0.4

(l en m et Q en m3/s) (en première approximation)

Calcul du tirant d'eau y • A la section de contrôle: y=yc et le long du coursier y 4.5, le ressaut se produit nettement. Blocs de chutes et déflecteurs (chicanes) pour raccourcir le bassin et contenir le ressaut 4

Si vitesse d'entrée < 15 m/s, prendre bassin de type II

Si vitesse d'entrée > 15 m/s, prendre bassin de type III Pour mieux stabiliser le ressaut,

prendre y'2 = 1.05y2

Pour tous les types de bassins, la revanche peut être prise égale à : R = 0.1(y2+V1) R (m), y2 (m), V1 (m/s)

Protection aval du bassin

Le bassin ne dissipe que 75% de l' énergie de l' eau, il faut donc protéger l' aval avec des enrochements et/ou gabions sur une certaine distance. 1. Déterminer la vitesse de début d' entraînement (Ve) -

Pour les sols argileux, Ve varie de 0.8 à 1.2 m/s

-

Pour les sols non cohérents (sables, graviers, …), lire l' abaque suivant :

2. Déterminer le diamètre minimum des enrochements nécessaires D :

3. Calculer l' épaisseur de la couche d' enrochement Eenrochements ≥ 3*D 4. Calculer la longueur à protéger Lprotection ≥ 2*L

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Les ouvrages de vidange -

Destinés à vider entièrement ou partiellement la retenue en cas de danger ou nécessité

-

Différents types: conduites en charge, conduites à écoulement libre, batardeaux, etc.. Les ouvrages de prise

-

Servent à l' utilisation de la retenue (agriculture, adduction en eau, pastoral)

-

Différents types: conduites enterrées (en général en charge), siphon, etc.

Ouvrage de prise/vidange à commande aval Dimensionner la profondeur des écrans anti-renards par la règle de LANE.

Ouvrage de prise/vidange avec tour

Ouvrage de vidange à batardeaux intégré au déversoir (barrage de Keita, Niger)

Ouvrage de prise par siphon