Rosa 2000 Ecluses [PDF]

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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

ECLUSES

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

1.

OBJET _____________________________________________________________________________ 4

2.

DESCRIPTION ET COMPORTEMENT DES OUVRAGES_________________________________ 5 2.1 DESCRIPTION GENERALE ________________________________________________________ 5 2.2 LES BASSINS D’EPARGNE ________________________________________________________ 6 2.3 RECONNAISSANCES _____________________________________________________________ 7 2.4 CONCEPTION ___________________________________________________________________ 7 2.4.1 CYCLES DE SASSEMENT ______________________________________________________ 7 2.4.2 TETES _____________________________________________________________________ 10 2.4.3 SAS________________________________________________________________________ 10 2.4.4 DISPOSITIFS D’ENTREE ET DE SORTIE AMONT ET AVAL _________________________ 11 2.4.5 FONDATIONS_______________________________________________________________ 12 2.4.6 EQUIPEMENTS HYDRAULIQUES ______________________________________________ 13 2.4.7 RADIER ____________________________________________________________________ 13 2.5 CONSTRUCTION _______________________________________________________________ 14

3.

SITUATIONS DE PROJET ___________________________________________________________ 15 3.1 3.2 3.3 3.4

4.

15 15 15 16

COMBINAISONS D’ACTIONS _______________________________________________________ 17 4.1 4.2

5.

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

SYSTEMES ETUDIES ____________________________________________________________ 17 CAS DE CHARGE _______________________________________________________________ 17

FORMULATION DES ETATS-LIMITES _______________________________________________ 18 5.1 DESCRIPTION DES PHENOMENES A EVITER ______________________________________ 18 5.1.1 INSTABILITÉ EXTERNE_______________________________________________________ 18 5.1.2 INSTABILITE HYDRAULIQUE _________________________________________________ 19 5.1.3 INSTABILITÉ INTERNE _______________________________________________________ 19 5.1.4 INSTABILITÉ GLOBALE ______________________________________________________ 19 5.1.5 DEPLACEMENTS ET DEFORMATIONS__________________________________________ 19 5.1.6 ETATS-LIMITES FONCTIONNELS ______________________________________________ 20 5.2 CLASSEMENT DES ETATS-LIMITES ET COMBINAISONS TYPES D’ACTIONS ASSOCIEES 20 5.3 ASPECTS PARTICULIERS LIES A LA PRISE EN COMPTE DE LA SECURITE ____________ 21

6.

MODELISATION DU COMPORTEMENT DE L’OUVRAGE _____________________________ 21 6.1 INSTABILITÉ EXTERNE _________________________________________________________ 6.1.1 GLISSEMENT-PLAN__________________________________________________________ 6.1.2 DECOMPRESSION DU SOL DE FONDATION_____________________________________ 6.1.3 POINCONNEMENT DU SOL DE FONDATION ____________________________________ 6.1.4 SOULEVEMENT _____________________________________________________________

21 21 21 22 22

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6.2 6.3 6.4 6.5 7.

INSTABILITE HYDRAULIQUE ____________________________________________________ INSTABILITÉ INTERNE__________________________________________________________ INSTABILITÉ GLOBALE _________________________________________________________ DEPLACEMENT ET DEFORMATIONS _____________________________________________

COEFFICIENTS PARTIELS _________________________________________________________ 23 7.1 COEFFICIENTS DE VALEUR _____________________________________________________ 7.2 COEFFICIENTS DE MODELE _____________________________________________________ 7.2.1 EN SITUATIONS DURABLES ET TRANSITOIRES __________________________________ 7.2.2 EN SITUATIONS ACCIDENTELLES _____________________________________________

8.

22 22 22 23

23 25 25 26

TEXTES DE REFERENCE ___________________________________________________________ 27

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

1.

OBJET

Le présent fascicule présente les règles de justification semi-probabilistes aux états-limites pour les infrastructures des écluses de navigation (fondations, génie civil), à l’exception de leurs portes traitées dans le fascicule Structures métalliques, et des Organes de manœuvre et d’appui abordés dans le fascicule du même nom. Le fascicule a notamment 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 5 de ce fascicule), ♦ d’exposer les modèles employés pour écrire les conditions d’état-limite (voir la section 6 de ce fascicule), ♦ de proposer des valeurs des coefficients de modèle (voir la section 7.2 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 : ♦ ♦ ♦ ♦ ♦

Quais-poids Gabions de palplanches Rideaux de soutènement Parties en béton des ouvrages Structures métalliques

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.

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2.

DESCRIPTION ET COMPORTEMENT DES OUVRAGES

2.1 DESCRIPTION GENERALE Les écluses sont destinées à permettre aux bateaux de franchir la dénivelée existant entre deux plans d’eau d’altitudes différentes, selon des fonctions et des exigences précises que l’ouvrage doit remplir : ♦ durée du sassement, ♦ volume de trafic à écouler, ♦ sécurité des biens et des personnes. Les écluses des voies navigables ont une hauteur de chute limitée typiquement à 25 mètres. Leur rôle mécanique essentiel est de résister aux poussées de l’eau et des terrains : ce sont en général des ouvrages-poids, mais en cas de faible chute, certaines de leurs parties (sas principalement) peuvent être réalisées au moyen d’ouvrages de soutènement (palplanches ou parois). Elles jouent le rôle de barrage vis à vis de la hauteur de chute amont aval. Les écluses maritimes fonctionnent avec une dénivelée amont / aval qui peut être alternativement positive ou négative (action des marées). L’action de l’eau, qui s’exerce en général principalement sur les organes mobiles de bouchure (portes et vannes), est reportée sur les bajoyers du sas et des têtes. Ceux-ci transmettent au sol, par l’intermédiaire de leur radier, des efforts horizontaux et verticaux. Les premiers sont repris par frottement tandis que les seconds sollicitent la capacité portante du sol. Il faut noter que la surface très importante au sol des ouvrages facilite grandement le report des efforts horizontaux. L’action des terrains, de la nappe phréatique et des surcharges, qui s’exerce sur les parties fixes des ouvrages (sas et têtes principalement), est reportée sur les radiers. Ceux ci transmettent au sol des efforts horizontaux et verticaux. La résultante des efforts horizontaux de l’écluse proprement dite est en général faible (terre-pleins généralement symétriques de part et d’autre de l’écluse). Lorsque ce n’est pas le cas, la résultante de ces efforts est reprise par frottement sur le sol de fondation. La résultante des efforts verticaux est reprise par la capacité portante du sol. Les ouvrages annexes à l’écluse sont : ♦ les dispositifs d’entrée et de sortie amont et aval. Pour ces derniers, il convient de se reporter aux fascicules Quais-poids, Quais sur pieux, Rideaux de soutènement, Gabions de palplanches, ♦ les dispositifs d’accostage et d’amarrage, à l’amont et à l’aval, parmi lesquels les ducs d’Albe, ♦ le bâtiment d’exploitation, qui comprend des locaux techniques (armoires, groupe d’alimentation de secours, atelier, magasin pour pièces de rechanges...), des locaux pour le personnel,

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♦ le poste de commande (mirador, poste de vigie...), abritant les dispositifs de contrôlecommande, les dispositifs d’aide à la conduite des ouvrages, qui peut être intégré ou non au bâtiment d’exploitation, ♦ la station de pompage éventuelle, ♦ le pont ou la passerelle d’exploitation : cet ouvrage est généralement situé à l’aval de la porte aval afin de disposer en dessous du tirant d’air réglementaire, ♦ le(s) bassin(s) d’épargne.

2.2 LES BASSINS D’EPARGNE Ces ouvrages sont des bassins fermés, en béton ou en terre. La surface en plan de chacun d’eux est généralement égale à celle du sas. Ils sont destinés à économiser une partie de l’eau nécessaire aux éclusées lorsque les apports journaliers du bassin versant sur lequel se trouve l’écluse sont inférieurs aux quantités nécessaires au fonctionnement de la voie d’eau (par exemple à proximité des biefs de partage où, de surcroît, la hauteur de chute est généralement plus importante et les apports sont réduits à cause de la faiblesse de la superficie du bassin versant). Le principe est décrit ici avec deux bassins d’épargne, en se plaçant au début d’un cycle où le sas est plein et la porte amont ouverte pour le passage d’un bateau avalant (en provenance de l'amont) : ♦ le bateau entre dans le sas depuis le bief amont et l’on referme la porte amont, ♦ l’eau contenue dans le premier quart supérieur du sas est évacuée dans le bassin d’épargne supérieur, ♦ l’eau contenue dans le deuxième quart supérieur du sas est évacuée dans le bassin d’épargne inférieur, ♦ l’eau contenue dans les deux derniers quarts du sas est évacuée à l’aval, ♦ la porte aval est ouverte, le bateau avalant sort dans le bief aval ; un bateau montant entre dans le sas depuis le bief aval et la porte aval est refermée, ♦ l’eau contenue dans le bassin d’épargne inférieur est vidangée dans le quart inférieur du sas, ♦ l’eau contenue dans le bassin d’épargne supérieur est vidangée dans le quart du sas supérieur au précédent, ♦ l’eau nécessaire au remplissage des deux derniers quarts du sas est prélevée dans le bief amont, ♦ la porte amont est ouverte, le bateau montant sort du sas pour pénétrer dans le bief amont.

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Ainsi, un tel dispositif à deux bassins permet d’économiser la moitié de l’eau d’un cycle. Si la surface des bassins est équivalente à celle du sas, et si le nombre des bassins est n, l’économie en eau e s’exprime par la formule : e = n / (n+2) Le nombre de bassins ne peut pas être augmenté au delà de trois pour des raisons pratiques : d’une part le coût de l’équipement devient important en regard de l’économie en eau réalisée ; d’autre part, la durée du cycle a tendance à se rallonger. Pour économiser davantage l’eau, il est préférable d’installer une station de pompage et de mettre à profit le marnage des biefs de la voie d’eau, en faisant agir la station de pompage de manière discontinue.

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

+ Pour aller plus loin, voir aussi : ♦ les généralités sur les reconnaissances géotechniques, ♦ comment assurer la qualité de l’étude géotechnique ? ♦ 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 CYCLES DE SASSEMENT La capacité annuelle de transport d’une voie navigable est directement liée au nombre de cycles journaliers effectués par l’écluse ayant le cycle le plus long. Deux exemples de cycles complets sont présentés ci-dessous ; l’état initial est choisi au moment où un bateau avalant se présente à l’amont, la porte amont étant ouverte.

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Écluse sans bassin d’épargne n° de l’opération

Nature de l’opération

1

Entrée d’un bateau avalant dans le sas

2

Fermeture de la porte amont

3

Vidange du sas dans le bief aval

4

Ouverture de la porte aval

5

Sortie du bateau avalant dans le bief aval

6

Entrée d’un bateau montant dans le sas

7

Fermeture de la porte aval

8

Remplissage du sas depuis le bief amont

9

Ouverture de la porte amont

10

Sortie du bateau montant dans le bief amont

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Écluse à trois bassins d’épargne n° opération

nature de l’opération

1

Entrée du bateau avalant dans le sas

2

Fermeture de la porte amont

3

Ouverture de la vanne du bassin supérieur

4

Vidange des 1/6 supérieurs du sas et remplissage du bassin supérieur

5

Fermeture de la vanne du bassin supérieur

6

Ouverture de la vanne du bassin intermédiaire

7

Vidange des 2/6 supérieurs du sas et remplissage du bassin intermédiaire

8

Fermeture de la vanne du bassin intermédiaire

9

Ouverture de la vanne du bassin inférieur

10

Vidange des 3/6 supérieurs du sas et remplissage du bassin inférieur

11

Fermeture de la vanne du bassin inférieur

12

Ouverture de la vanne et vidange de la tête aval

13

Fin de la vidange du sas dans le bief aval

14

Fermeture de la vanne de vidange aval

15

Ouverture de la porte aval

16

Sortie du bateau avalant

17

Entrée du bateau montant

18

Fermeture de la porte aval

19

Ouverture de la vanne du bassin inférieur

20

Vidange du bassin inférieur et remplissage des 6/6 inférieurs du sas

21

Fermeture de la vanne du bassin inférieur

22

Ouverture de la vanne du bassin intermédiaire

23

Vidange du bassin intermédiaire et remplissage des 5/6 intermédiaires du sas

24

Fermeture de la vanne du bassin intermédiaire

25

Ouverture de la vanne du bassin supérieur

26

Vidange du bassin supérieur et remplissage des 4/6 supérieurs du sas

27

Fermeture de la vanne du bassin supérieur

28

Ouverture de la vanne d’alimentation de la tête amont

29

Fin du remplissage du sas depuis le bief amont

30

Fermeture de la vanne d’alimentation amont

31

Ouverture de la porte amont

32

Sortie du bateau montant

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2.4.2 TETES Les têtes sont généralement des ouvrages massifs : en effet, elles doivent permettre de loger les portes et leurs dispositifs de manœuvre, généralement les dispositifs d’alimentation et de vidange avec leurs vannes, batardeaux etc... , des locaux pour les centrales hydrauliques, les armoires, les dispositifs de mesures, des chambres pour les pompes de drainage et de vidange... Elles sont conçues pour fonctionner de manière monolithique, sans liaison mécanique avec les ouvrages adjacents (sas et dispositifs d’entrée et de sortie). Elles peuvent être réalisées à sec (avec ou sans pompage) ou à l’intérieur d’une enceinte (paroi ou palplanches) circulaire ou rectangulaire. Exceptionnellement, elles peuvent être préfabriquées puis amenées par flottaison et immergées. Dans ce dernier cas, elles sont finalement lestées par du ballast ou du béton.

2.4.3 SAS Le paramètre principal d’un sas d’écluse est la hauteur des bajoyers. Cette hauteur est la différence entre la partie supérieure des bajoyers et le fond du sas constitué par le radier : ♦ le niveau supérieur des bajoyers est calé en fonction du niveau des Plus Hautes Eaux Navigables amont, en ajoutant une revanche (ou marge) à ce niveau. Une valeur de 1,00 m est généralement admise pour les voies navigables intérieures. Une valeur inférieure doit être justifiée. On peut dans certains cas admettre une revanche inférieure par rapport au terre-plein si l’on dispose un garde-corps en béton (dans ce cas, il y a lieu de soigner l’étanchéité entre plots de sas), ♦ le niveau du fond du sas est égal au niveau des Plus Basses Eaux Navigables aval diminué du mouillage garanti aux navires et d'une marge. La classe de la voie d’eau et, plus généralement, les gabarits des navires, permettent de déterminer : ♦ la largeur du sas, résultant du classement de la voie, qui précise la taille du plus grand bateau ou convoi pouvant emprunter celle-ci. Il s’agit d’une largeur minimale, la largeur du sas pouvant être bien supérieure (sur le Rhin par exemple, à l’aval de Kembs, il existe deux sas, l’un de 12 m de large, l’autre de 24 m), ♦ la possibilité ou non de le vidanger, ♦ la présence de dispositifs d’alimentation et de vidange (aqueducs, larrons...), dans les bajoyers et / ou le radier, ♦ le niveau du remblaiement jusqu’en partie supérieure des bajoyers. Il existe un grand nombre de conceptions de sas d’écluses dépendant des paramètres cités plus haut. Les deux principaux types de fonctionnement sont les suivants : ♦ sas monolithique dans le sens transversal de l’écluse, la longueur des plots dans le sens longitudinal de l’écluse étant conditionnée par les possibilités de bétonnage et la longueur admissible des plots entre joints,

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♦ bajoyers autostables associés à des radiers indépendants, clavés ou non avant mise en service. Pour pallier le risque de soulèvement d’un élément isolé de radier, on peut parfois clouer celui-ci dans le sol lorsque la nature de ce dernier le permet, ou assurer un report des efforts verticaux sur les bajoyers par l’intermédiaire d’un clavage qui ne transmet pas de moment. Les bajoyers peuvent être de conception suivante : ♦ bajoyers massifs, pour les écluses à grande hauteur de chute, ♦ bajoyers semi-massifs associés à des tirants d’ancrage, ♦ simple revêtement de paroi en béton, avec ancrages de liaison, si la fouille est rocheuse et le matériau de bonne qualité, ♦ murs en L, si la hauteur de chute n’est pas trop importante, ♦ bajoyers en palplanches ou en paroi moulée ancrées. Ces structures peuvent être définitives ou être des ouvrages provisoires de soutènement, le sas étant alors ensuite coffré, ferraillé et bétonné, ♦ bajoyers en cellules évidées, remplies de gravier ou de matériaux tout venant.

2.4.4 DISPOSITIFS D’ENTREE ET DE SORTIE AMONT ET AVAL Les dispositifs d’entrée et de sortie amont et aval peuvent être de nature très différente. Leur conception dépend des paramètres suivants : ♦ rôle ou non de soutènement, ♦ intensité des chocs à reprendre (accidentels ou « normaux »), ♦ exécution à sec ou dans l’eau, ♦ nature du sol de fondation, ♦ présence à proximité de matériaux de construction (graviers principalement). La configuration en plan de ces dispositifs dépend des éléments suivants : ♦ direction et vitesses des vents dominants, ♦ géométrie du chenal (alignement droit, courbes...), ♦ nature des bateaux et convois (masse, longueur, tirant d’eau, hauteur sur l’eau...).

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On trouve les deux principaux types suivants : ♦ ouvrage continu de type mur, ♦ ouvrage constitué d’appuis ponctuels (pieux) surmontés d’une poutre continue (lisse de guidage).

2.4.5 FONDATIONS 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, avec ou sans pompages). Les écluses ne sont en général pas des ouvrages qui créent des contraintes verticales importantes car on enlève la plupart du temps davantage de sol que l’on ne rajoute de matériaux, même lorsque la partie supérieure de l’ouvrage est au-dessus du terrain naturel avant les travaux : les contraintes au sol sont ainsi 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. Les écoulements souterrains et latéraux ne sont généralement pas source de problème du fait de la grande longueur de l’ouvrage. Il faut cependant diminuer le plus possible le niveau de la nappe dans les remblais, qui est source de sollicitations très importantes. Des ouvrages de drainage visitables sont recommandés pour pallier leurs défaillances éventuelles au bout d’une certaine durée de service. La constitution d’un massif en matériaux étanches latéral de chaque côté de l’ouvrage et à l’amont est généralement suffisante. Associé à un drainage efficace au droit des bajoyers, et d’un réseau d’exutoires relié à l’aval, ce dispositif permet de maintenir le niveau de cette nappe au niveau du bief aval, diminuant ainsi les pressions sur les bajoyers et les sous-pressions sous le radier. 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. On peut adopter un complexe en béton poreux (qu’il y a lieu de protéger des bétonnages supérieurs) ou des tranchées drainantes en matériau correctement calibré en fonction du sol environnant (conditions de filtre). 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. A défaut de pouvoir visiter les systèmes de drainage, il est recommandé de prévoir des réservations pour effectuer des injections complémentaires futures nécessitées par leur dégradation éventuelle. Si le terrain ne présente pas de propriétés mécaniques suffisantes, il faut alors s’orienter vers des fondations profondes (pieux, barrettes...) ou vers la substitution.

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2.4.6 EQUIPEMENTS HYDRAULIQUES Les organes d’amenée et de vidange de l’eau dépendent principalement de la hauteur de chute ∆H de l’écluse : le temps consacré à chacune de ces opérations étant quasiment le même sur une voie navigable quelle que soit l’écluse, donc quelle que soit la hauteur de chute, les débits de transit dans les circuits hydraulique et les vitesses de montée et descente du plan d’eau dans le sas seront fonction de cette hauteur de chute. Les circuits seront donc de complexité croissante avec la hauteur de chute. On est ainsi conduit à envisager un certain nombre de paliers techniques, à l’intérieur desquels la conception d’ensemble sera identique. Les écluses de navigation intérieure peuvent être classées en 3 groupes principaux selon le mode d’alimentation et de vidange : ♦ écluses de basse chute : ∆H ≤ 6 − 8 m : alimentation et vidange directes, ♦ écluses de moyenne chute : ♦ écluses de haute chute :

6 − 8 m ≤ ∆H ≤ 15 m : alimentation et vidange latérales,

∆H ≥ 15 m : alimentation et vidange par le fond.

Les valeurs mentionnées ci-dessus peuvent être légèrement différentes en fonction des tailles des écluses. On peut en outre, en fonction de circonstances particulières, utiliser l’un ou l’autre des deux derniers systèmes (conditions géotechniques, souci de standardisation...). Les actions causées par le navire dans le sas dépendent de la conception du remplissage (vitesse de montée de l’eau, remous que cela provoque, emplacement des alimentations). L’opération de vidange suscite en général beaucoup moins d’agitation dans l’écluse.

2.4.7 RADIER Le radier est conçu pour limiter les risques de soulèvement avec les dispositions suivantes : ♦ ancrage du radier, ♦ fonctionnement monolithique (bajoyers + sas) : les efforts de sous-pressions sont reportés sur l’ensemble de l’ouvrage, ♦ report des sollicitations sur les bajoyers adjacents.

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2.5 CONSTRUCTION Deux cas principaux sont à distinguer : travaux en présence d’eau (site maritime et/ou fluvial), travaux à sec (avec ou sans rabattement). Ce dernier cas se présente lors de la construction des écluses sur des canaux artificiels. Les modes et moyens de construction sont très proches de ceux des barrages mobiles. Ils ont toutefois les particularités suivantes : ♦ une écluse est un ouvrage de très grande longueur : avec ses murs-guide, elle est comprise entre 400 et 500 m (sur les voies navigables de classe ≥ IV). En revanche, l’ouvrage est placé dans le sens de l’écoulement, généralement proche de la berge pour des ouvrages en rivière, contrairement aux barrages qui occupent une position transversale : il y a donc lieu de rechercher une implantation qui permette la construction en une seule phase à l’abri d’un batardeau unique, ♦ la construction des têtes doit être commencée en premier à cause des montages des équipements, à l’aide de grues à tour. Le sas et les murs-guide constituent des chantiers indépendants, ♦ la majorité du chantier peut être desservi par une grue à tour circulant au milieu du sas à l’avancement au fur et à mesure de la construction des radiers des plots, ♦ le traitement des fondations est généralement beaucoup plus sommaire (peu de problème d’étanchéité amont / aval, pas de protection lourde à l’aval).

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

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

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3.

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 de la rivière, les études des structures métalliques et les études des organes de manœuvre. Elles sont définies par : ♦ des conditions hydrauliques (les trois niveaux d’eau amont, aval et dans le sas, les niveaux et débits de la rivière pendant les travaux et après la mise en service, les niveaux de la nappe phréatique...), ♦ la configuration mécanique de l’écluse (batardée, non batardée...), ♦ la présence éventuelle d’affouillements en pied d’ouvrage, à l’amont et à l’aval.

+ Voir aussi le fascicule Actions quasi-statiques des niveaux d'eau. 3.2 EXEMPLES DE SITUATIONS DURABLES On définit en général la situation durable d’exploitation par les niveaux d’eau à l’amont et à l’aval, qui, compte tenu des règles de gestion des plans d’eau ou marnages (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.

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Les essais de manœuvre des portes et des différents vannages sous batardeau de chantier, les condition d’épreuve et de réception, peuvent définir des situations transitoires particulières, avec des modifications éventuelles des conditions de pression hydraulique. On peut considérer aussi une situation transitoire de maintenance de l’écluse avec le sas vidangé (lorsque cela est prévu) et des niveaux d’eau correspondant aux niveaux maxi en amont et en aval.

3.4 EXEMPLES DE SITUATIONS ACCIDENTELLES ♦ collision d’un bateau contre une bouchure, ♦ séisme, ♦ affouillement accidentel ♦ conséquences d’un mauvais fonctionnement des dispositifs de drainage (colmatage, déformation, etc…), ♦ rupture d’un ouvrage hydraulique en amont, ♦ rupture d’un ouvrage hydraulique en aval, ♦ crue accidentelle, ♦ etc.

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

Quais-poids Gabions de palplanches Barrages mobiles 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.

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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 de l’écluse, ou par chacune de ses parties considérées comme autostables, se comportant comme un bloc rigide. ♦ Instabilité hydraulique : voir les fascicules Rideaux de soutènements, Gabions de palplanches et, pour ce qui a trait aux protections enrochées, Barrages mobiles. ♦ Instabilité interne : le système est constitué par les parties d’ouvrages à examiner : bajoyers, radier (génie civil), portes mobiles, organes de manœuvre. ♦ Instabilité globale : voir le fascicule Talus et pentes. ♦ Déplacements et déformations : on vérifie les tassements de l’ouvrage, notamment les tassements différentiels si l’ouvrage est fondé sur sol compressible.

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 possibilité ou l’impossibilité de déplacement des ouvrages aide à déterminer les coefficients de pression en poussée (poussée active ou pression au repos) et en butée (butée passive ou pression au repos). Par exemple pour les écluses de navigation, on considère généralement les plots de sas comme non déplaçables dans le sens transversal, alors que les ouvrages de guidage sont généralement considérés comme déplaçables. La mise en place de systèmes de contrôle du niveau de la nappe et de l’écoulement tels que les rideaux parafouille, évents, tapis et massifs drainants, lignes de drains forés, barbacanes, exutoires, etc. modifie le profil des pressions interstitielles et les niveaux piézométriques. Les dispositifs envisagés et les différentes hypothèses en résultant doivent être fixés ou validés par un géotechnicien confirmé. La présence d’un bateau à l’approche de l’écluse, dans le sas ou s’en éloignant, introduit les actions d’accostage (choc) et d’amarrage dans les cas de charge, qui, dans une approche simplifiée, est équivalente à une poussée additionnelle des terrains. Hormis le cas des chocs de bateaux, les situations accidentelles associées à une action accidentelle sont en général supposées établies avec les niveaux d’eau correspondant à l’exploitation courante de l’ouvrage, c’est-à-dire les Retenues Normales (RN) amont et aval.

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

Quais-poids Gabions de palplanches Barrages mobiles 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.

FORMULATION DES ETATS-LIMITES

5.1 DESCRIPTION DES PHENOMENES A EVITER

5.1.1 INSTABILITE EXTERNE Glissement-plan : voir le fascicule Quais-poids. Ce phénomène concerne essentiellement les dispositifs d’entrée et de sortie amont et aval. Décompression du sol de fondation : voir le fascicule Quais-poids. La décompression du sol de fondation causé par l’excentrement de la résultante des charges est exceptionnel pour les écluses et ne pourrait résulter que d’un chargement transversal extrêmement dissymétrique (remblaiement d’un seul côté par exemple) ; il concerne généralement uniquement les dispositifs d’entrée et de sortie amont et aval. Soulèvement : sous l’effet des sous-pressions, surtout en l’absence d’eau à l’intérieur du sas, le radier peut être soumis à des sollicitations verticales ascendantes. Il s’agit là d’éviter une « décompression » complète de la fondation. Le risque de soulèvement doit être pris en compte quand les sous-pressions ne sont pas causées uniquement par le poids propre de l’ouvrage. La présence d’une couche drainante sous la fondation, même très mince, suffit, si elle rejoint une éventuelle couche perméable en charge, à établir la communication hydraulique. Poinçonnement du sol de fondation ou capacité portante : voir le fascicule Quais-poids.

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5.1.2 INSTABILITE HYDRAULIQUE Résistance des protections amont et aval : ces enrochements protègent l’ouvrage contre les risques d’instabilité qu’induirait le creusement de fosses liées, d’une part à l’entraînement des matériaux aspirés par les prises d’eau amont, d’autre part au rejet de vidange à l’aval. Autres phénomènes : la boulance, le soulèvement en masse et l’érosion régressive peuvent se produire si, le sas de l’écluse étant à son niveau minimal et le radier étant muni de dispositifs perforés, le niveau de la nappe dans les remblais est à un niveau très élevé. Ce cas est également à étudier lors des phases de chantier, par circulation d’eau sous le batardeau provisoire.

+ Voir les fascicules : ♦ Rideaux de soutènement ♦ Gabions de palplanches ♦ Barrages mobiles 5.1.3 INSTABILITE INTERNE Structures métalliques : voir le fascicule Structures métalliques. Béton armé : voir le fascicule Parties en béton des ouvrages.

5.1.4 INSTABILITE GLOBALE Grand glissement : voir le fascicule Talus et pentes. Sont concernés les dispositifs d’entrée et de sortie amont et aval.

5.1.5 DEPLACEMENTS ET DEFORMATIONS Tassement absolu : ce phénomène n’est en général pas préjudiciable à l’ouvrage, dans la mesure où les valeurs des tassements ne remettent pas en cause les revanches hydrauliques. Il faut cependant faire attention aux liaisons avec l’environnement (câbles, tuyauteries, routes, etc.). Tassement différentiel : les tassements différentiels doivent être vérifiés vis-à-vis de l’état-limite de fonctionnement mécanique des portes, selon des critères qui dépendent de la technique employée, lorsque l’ouvrage est constitué de bajoyers autostables et de radiers indépendants d’une part, et lorsque le sol est compressible d’autre part. Un autre aspect du tassement différentiel est l’apparition de décrochements entre les différents plots du sas, des têtes et des ouvrages amont aval, préjudiciables surtout sur les parements latéraux. Ces décrochements sont inévitablement soumis aux chocs et frottements des bateaux et les ouvrages non moins inévitablement dégradés. Si ce phénomène est susceptible de se produire (sols compressibles, poussées différentielles...), il y a lieu de claver les plots entre eux.

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5.1.6 ETATS-LIMITES FONCTIONNELS Au contraire des barrages mobiles et des seuils fixes, les écluses ne font généralement pas l’objet d’un dimensionnement hydraulique. Insérées dans un aménagement global de cours d’eau, elles sont toutefois prises en compte dans le calcul des impacts hydrauliques vis-à-vis de l’état-limite de remous provoqué par les ouvrages d’infrastructure : les conditions d’exploitation peuvent amener à concevoir des écluses submersibles ou non et de ce fait, l’obstacle apporté à l’écoulement des crues doit être pris en compte, en s’inspirant de la démarche exposée dans le fascicule Barrages mobiles.

+ Voir aussi le fascicule Actions quasi-statiques des niveaux d'eau. 5.2 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

Soulèvement

ELU

fondamentale / accidentelle

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

Résistance des protections enrochées

se reporter au fascicule Barrages mobiles 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

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

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

5.3 ASPECTS PARTICULIERS LIES A LA PRISE EN COMPTE DE LA SECURITE La sécurité dans la justification des écluses dépend avant tout des conditions hydrauliques retenues pour le projet. A ce titre, la détermination des sous-pressions dans le sol et du niveau de la nappe dans les remblais joue un rôle fondamental. On se réfère au fascicule Actions quasi-statiques des niveaux d’eau et à son Annexe 2 pour la détermination des valeurs représentatives des crues. Si un niveau de submersibilité est défini dans l’optique de « gérer » l’écoulement des crues, il convient de souligner que l’écluse, comme ouvrage, doit être capable de résister à des crues de période de retour supérieures à sa crue de submersion. Le caractère favorable ou défavorable du poids propre de l’ouvrage et de ses équipements, y compris de l’eau « confinée » dans l’écluse, doit être examiné vis-à-vis de l’état-limite de capacité portante. Il est favorable vis-à-vis de l’état-limite de soulèvement (pondération par 0,90).

6.

MODELISATION DU COMPORTEMENT DE L’OUVRAGE

+ Voir l’application à un CCTP. 6.1 INSTABILITE EXTERNE

6.1.1 GLISSEMENT-PLAN Les plans de glissement sont horizontaux. On considère généralement le plan correspondant à la partie la plus profonde de l’ouvrage. On néglige généralement la butée à l’aval de l’ouvrage, du fait de la possible disparition par érosion du terrain et/ou des protections.

+ Voir le fascicule Quais-poids. 6.1.2 DECOMPRESSION DU SOL DE FONDATION

+ Voir le fascicule Quais-poids.

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6.1.3 POINCONNEMENT DU SOL DE FONDATION

+ Voir le fascicule Quais-poids. 6.1.4 SOULEVEMENT La condition d’état-limite s’écrit :

γd . U ≤ PP + FRV où : ♦ U désigne la résultante verticale des sous-pressions, ♦ PP désigne le poids propre de l’écluse et de l’eau « confinée » qu’elle contient, ♦ FRV désigne la composante verticale des forces de frottement du terrain contre les bajoyers, qui s’opposent au soulèvement de l’écluse. La vérification doit être effectuée dans les situations de court terme et de long terme. Les forces de frottement dépendent du contact entre le sol et les bajoyers et sont évaluées par référence aux pressions effectives exercées par le terrain.

6.2 INSTABILITE HYDRAULIQUE

+ Voir les fascicules Rideaux de soutènement, Gabions de palplanches et Barrages mobiles. 6.3 INSTABILITE INTERNE

+ Voir les fascicules Structures métalliques et Parties en béton des ouvrages. 6.4 INSTABILITE GLOBALE

+ Voir le fascicule Talus et pentes.

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6.5 DEPLACEMENT ET DEFORMATIONS

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

7.

COEFFICIENTS PARTIELS

7.1 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), ♦ l’inclinaison des pressions du terrain en poussée et en butée (en cohérence avec les propriétés du sol), le frottement de glissement, le frottement de soulèvement, la courbe de réaction (en cohérence avec les propriétés du sol et les actions du terrain), ♦ 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, _________________________________________________________________________________ Écluses

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• poids propre, • efforts transmis par les parties mobiles (Efforts de manœuvre, Écoulement des eaux),

+ Voir les autres actions, en tant que de besoin, notamment : ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦

Courant Houle Accostage Amarrage Chocs de bateau Poids-propre Charges d'exploitation

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.

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7.2 COEFFICIENTS DE MODELE

+ Voir l’application à un CCTP. 7.2.1 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

75 % 90 %

se reporter au fascicule Quais-poids 1,25

Soulèvement 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

Résistance des protections enrochées

se reporter au fascicule Barrages mobiles INSTABILITÉ INTERNE

Stabilité des protections amont et aval Résistance du béton armé

se reporter au fascicule Structures métalliques 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.

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7.2.2 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 1,10

Soulèvement 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

Stabilité des protections amont et aval

se reporter au fascicule Barrages mobiles 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 Ducs d'albe Barrages mobiles Quais sur pieux Rideaux de soutènement Talus et pentes Digues des voies navigables Parties en béton des ouvrages Structures métalliques

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8.

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. Rapport final de la commission internationale pour l’étude des écluses Supplément au bulletin n° 55 de l’AIPCN,1986.

oOo

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