Technologie Des Grands Ouvrages - Etude Barrage

TECHNOLOGIE DES GRANDS OUVRAGES Etude de la réalisation d’un barrage sur la rivière Ozon Equipe pédagogique :

Etudiants :

Vincent STEINER

Nicolas KACZKOWSKI

Formation Génie Civil 5ème année

Matthieu NARES Pierre-Albin NOEL PIERROT Guillaume

Rendu : 02/12/2011

TECHNOLOGIE DES GRANDS OUVRAGES

2 décembre 2011

Sommaire

Introduction ....................................................................................................................................................................... 3 I.

Présentation du projet ....................................................................................................................................... 4

II.

Définition de l’ouvrage ...................................................................................................................................... 6 A.

Choix du type de barrage ................................................................................................................................ 6 i.

Critère de topographie environnante : ..................................................................................................... 7

ii.

Critère climatique : ........................................................................................................................................ 7

iii.

Critère de crues à maîtriser : ........................................................................................................................ 7

iv.

Coût de l’ouvrage : ....................................................................................................................................... 7

v.

Impact environnemental : ........................................................................................................................... 7

vi.

Comparaison des critères et choix du barrage : ..................................................................................... 8

B.

Prédimensionnement géométrique ................................................................................................................ 9 i.

Hauteur du barrage ...................................................................................................................................... 9

ii.

Largeur de crête, pente et largeur de pied de talus............................................................................12

iii.

L’évacuateur de crue .................................................................................................................................13

iv.

Canalisation de vidange............................................................................................................................13

III.

Reseaux de lignes de courant et d’équipotentielles de la digue ...........................................................17 A.

Méthode de Kozeny ........................................................................................................................................17 i.

Description de la démarche......................................................................................................................17

ii.

Ligne de saturation sans système de drainage .....................................................................................18

iii.

Ligne de saturation avec noyau imperméable .....................................................................................21

iv.

Ligne de saturation avec drain horizontal ..............................................................................................22

B.

Débit de fuite ....................................................................................................................................................22

IV.

Pressions dans le corps du barrage et stabilité ...........................................................................................23

A.

Pressions interstitielles .......................................................................................................................................23

B.

Stabilité interne du barrage............................................................................................................................24

V.

Stabilité des talus ..............................................................................................................................................26 A.

Stabilité du talus aval en régime permanent ..............................................................................................27

B.

Stabilité du talus amont en régime rapide ..................................................................................................28

VI.

Configuration finale .........................................................................................................................................29

VII. Classement de l’ouvrage - Entretien ............................................................................................................31 A.

Détermination des caractéristiques de l’ouvrage : ...................................................................................31

VIII. Synthèse .............................................................................................................................................................33 IX.

Bibliographie......................................................................................................................................................34

X.

Annexes ..............................................................................................................................................................35

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Introduction

La gestion de la ressource en eau a toujours été une priorité pour l’homme. En effet, cette denrée qui se fait de plus en plus rare, est la base de la vie, mais aussi sujette à des conflits entre certains peuples pour son accessibilité. C’est pourquoi, il est important de mettre en œuvre des moyens matériels et techniques pour faciliter son intendance. Notre démarche sera basée sur la problématique de la gestion de l’eau, dans le cadre d’une étude sur la réalisation d’un barrage au niveau de la rivière Ozon, près des communes de Eclassan et Saint-Jeure-d’Ay en Ardèche. Pour ce faire, nous disposons d’une localisation géographique de l’ouvrage ainsi qu’un récapitulatif des différentes données hydrologiques de l’environnement. Ces différents paramètres nous permettrons au terme de ce mémoire, de présenter un ouvrage conçu par nos soins. On note que ce présent projet a déjà fait l’objet d’une étude pour la réalisation d’un barrage de type remblai. Dans ce sens, nous diviserons notre mémoire en quatre grands axes. Dans un premier temps, nous choisirons notre type de barrage, puis nous ferons un prédimensionnement de l’ouvrage. Dans un second temps, on représentera la nature du réseau d’équipotentielles et de lignes de courant, qui permettra de mettre en œuvre les éventuelles spécificités de notre barrage. Ensuite, nous passerons à la vérification des différents critères de stabilité de manière à valider la solution choisie. Enfin, nous détaillerons la configuration finale de l’ouvrage et nous déterminerons sa classification.

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I. Présentation du projet

La retenue à concevoir aura une capacité utile, disponible en début de saison, de 800 00 mètres cubes d’eau, projetée à des fins d’irrigation.



Données géographique :

L’objet de cette étude se situe sur la rivière OZON, affluent du RHONE, près des communes de ECLASSAN et SAINT-JEURE-D’AY en Ardèche.

Figure I.1 Situation du site - Aperçu de l’ouvrage



Données hydrologiques :  Superficie du bassin versant : 11,4 km²  Apport moyen annuel : 5,2 millions de m3  Apports annuels à la fréquence décennale sèche : 2,6 millions de m3  Crue de chantier : 4 m3/s  Crue de projet : 146 m3/s

Notons que la crue de chantier nous permettra de dimensionner la crue à évacuer pendant la phase travaux du projet.

4




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Données topographiques :

Courbe de remplissage : le volume stocké à la côte 397,4 m NGF est de 800 000 m3. Les surfaces de plan d’eau sont de : o

0 ha

à la côte 380 m NGF

o

5 ha


o

13 ha


o

15 ha


o

17 ha

à la cote 399 m NGF

o

20 ha

à la cote 400 m NGF

Le fetch à la côte 398 m est de 2,2 km On considèrera que l’ouvrage aura une longueur de 100 m, tant en crête qu’en pied.



Données climatiques :

L’ouvrage étant situé en Ardèche, il appartient à la zone climatique 2. C’est pourquoi, la norme NV65 révisée en mai 2009 nous informe des différentes vitesses de vent selon la nature du site et selon la probabilité de soufflage du vent. Les données sont alors les suivantes : Nature du site

Vitesse normale (km/h)

Vitesse extrême (km/h)

Protégé

100,8

133,3

Normal

112,7

149,1

Exposé

128,5

169,9

Tableau 1 : Données climatiques selon la norme NV65



Données géotechniques :

Ces données sont primordiales pour le bon dimensionnement du projet. En effet, il est bien connu que la base de toute construction commence par un système de fondation cohérent. Il est d’ailleurs fréquent de constater que la cause d’un accident de barrage (aussi rare soit-elle) ne provient pas du barrage en lui-même, mais de son sol support. Ici, nous disposons d’un volume de matériau permettant de construire une digue de près de 20 mètres de hauteur.

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Les différents matériaux ont les caractéristiques mécaniques suivantes :  Fondations rocheuses : ϕ = 85° et c = 100 kPa  Caractéristiques inter-granulaires du remblai compacté : ϕ = 22° et c = 20 kPa  Caractéristiques à long terme du remblai compacté : ϕ = 0° et c = 60 kPa  Poids volumique saturé (ou humide) : γsat = 2 kN/m3  Perméabilité de Darcy : k = 2.10-10 m/s

II. Définition de l’ouvrage

A. Choix du type de barrage Il est évident qu’un ouvrage d’une telle ampleur fait l’objet d’une étude rigoureuse afin de voir quelle solution constructive est la mieux adaptée. Cette première analyse consiste à établir une liste (non exhaustive) des critères prépondérants pour le choix du type de barrage : -

la topographie environnante (forme de la vallée, géologie et géotechnique locale, matériaux disponibles…),

-

les conditions climatiques et les crues à maîtriser,

-

le coût de l’ouvrage,

-

l’impact environnemental de sa construction,

-

la sécurité qu’il va engendrer de manière interne et externe au projet.

Après avoir étudié les différents points cités précédemment, il convient de choisir entre un barrage en béton ou un barrage en remblai.

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i. Critère de topographie environnante : Ici, on constate un sol de fondation de qualité moyenne de part les faibles caractéristiques mécaniques des fondations rocheuses, ce qui est plutôt favorable au barrage en terre. De plus, la forme élancée de la vallée nous restreint à ne pas utiliser un barrage voûte. En revanche, vis-à-vis des matériaux à mettre en œuvre, il apparaît que la configuration initiale du projet nous offre la possibilité de récupérer des matériaux afin de construire une digue de près de 20 mètres. Enfin, le volume de remplissage du barrage étant très faible, il semblerait incohérent d’envisager une construction de grande envergure du type barrage en contreforts. En somme, le critère de la topographie environnante privilégie le barrage en remblai.

ii. Critère climatique : Etant donnée le peu d’information à ce sujet, ce critère ne sera pas déterminant pour cette analyse.

iii. Critère de crues à maîtriser : Les données du projet nous informent que les crues de chantier et de projet ne sont pas trop importantes, et qu’elles peuvent facilement être maîtrisées dans les deux configurations de construction (remblai ou béton). Avec cette contrainte on ne pourra pas avantager une construction particulière.

iv. Coût de l’ouvrage : Entre un barrage en remblai et un barrage en béton, il est évident que les coûts vont être totalement différents pour des ouvrages classiques. C’est pourquoi, dans notre cas nous privilégierons le barrage en remblai étant donné que le matériau de construction est directement disponible.

v. Impact environnemental : Là encore, le barrage en remblai s’impose de part la disponibilité des matériaux, la rapidité d’exécution, l’utilisation d’un matériau naturel et la faible modification de l’environnement avoisinant.

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vi. Comparaison des critères et choix du barrage : Ci-dessous est présentée la comparaison des critères sélectionnés pour le choix du type de barrage :

Comparaison des critères Topographie environnante

Climat & Crues

Coût de l’ouvrage

Impact environnemental

Remblai

1

1

1

1

4

Béton

0

1

0

0

1

Matériau

Total

Tableau 2 : Comptabilisation des critères

La précédente analyse nous conforte dans l’idée que le barrage en remblai représente une bonne solution. L’ouvrage sera constitué d’un matériau suffisamment étanche : argile ou limon. D’ailleurs, il est important de signaler que c’est cette dernière configuration qui a été choisie pour la construction du barrage existant. Après avoir choisi le type de barrage à mettre en place, il va falloir s’informer sur la manière d’assurer le premier rôle de l’ouvrage : la bonne retenue de l’eau. Pour cela, il est indispensable de disposer d’un système parfaitement étanche. Par rapport à cette notion d’étanchéité, on note qu’il existe 3 types de barrage remblai :

II.2 Barrage homogène

II.3 Barrage à noyau

II.1 Barrage à masque

 Le barrage homogène est constitué d’un seul matériau suffisamment étanche pour assurer son rôle. Réalisable sur ce projet.  Le barrage à noyau comporte un cœur en matériau imperméable (ou peu perméable) généralement argileux. Envisageable sur ce projet.  Le barrage à masque est utilisé sur un site où aucune terre n’est disponible, mais seulement des enrochements. L’étanchéité est alors assurée par un masque (généralement en béton) sur le parement amont. Non envisageable.

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B. Prédimensionnement géométrique Cette partie vise à déterminer les caractéristiques géométriques de notre barrage. C’est pourquoi, pour chacune des mensurations de l’ouvrage, une explication de la démarche de calcul sera fournie.

i. Hauteur du barrage Le projet doit être suffisamment haut pour pouvoir retenir toute l’eau en amont tout en veillant à garantir une sécurité vis-à-vis des problèmes de crue. C’est pourquoi, un barrage est toujours définit en fonction de ses différents niveaux (voir figure II.4), qui sont eux-mêmes indiqués par des études sur site ou par des manières probabilistes.

II.4 Modélisation des caractéristiques géométrique

Ainsi, on peut diviser la hauteur du barrage en une somme de 4 éléments importants :  La hauteur de tranche morte (h0) située au pied du remblai qui représente la hauteur de dépôt des barrages et qui tient aussi compte des phénomènes d’évapotranspiration.

 La hauteur complémentaire d’eau (h1). La hauteur de tranche morte et la hauteur complémentaire d’eau forment le Niveau Normal des Eaux (NNE) qui est définit dans les données topographiques.

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Notons que la côte initiale est définie dans les données du projet comme la côte de surface de plan d’eau nulle.

 La hauteur de montée des eaux (h2) qui fait partie des données initiales d’un projet et qui délimite le niveau maximal que peuvent atteindre les eaux.

 La revanche (r) qui constitue une réserve de sécurité lors de période de crue, de vent violent ou d’éventuels problèmes extérieures appliqués au barrage (tassement, glissement de terrain…). La revanche peut être déterminée à l’aide de différentes formules. Le principe consiste à déterminer la hauteur de la vague (formule de Molitor), puis à en déduire la vitesse de la vague (formule de Gallard) afin de calculer la hauteur de revanche nécessaire. 1. Formules de Molitor : -

Pour Lfetch < 30 :

-

Pour Lfetch ≥ 30 :

Avec : 

Hv : la hauteur de la vague en mètres.



V : la vitesse du vent en km/h.



F : le fetch en km.

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Dans notre cas on ferra en sorte de se placer le plus près possible de la sécurité, c’est pourquoi on considèrera une vitesse de vent de 169,9 km/h c’est-à-dire pour un site exposé soumis à un vent extrême.

2. Formules de Gallard :

Avec : 

Hv : la hauteur de la vague en mètres.



Vv : la vitesse de la vague en km/h.

3. Formules de Stevenson :

Or dans la pratique le concepteur doit respecter les conditions suivantes :

Sachant que notre hauteur H du barrage ne dépassera pas 20 mètres pour des raisons d’apport de matériau, on retient donc une revanche de 1,5 m. Par conséquent, on a une hauteur H équivalent à :

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ii. Largeur de crête, pente et largeur de pied de talus Après avoir déterminé la hauteur totale, il nous reste à déterminer la largeur de crête et de pied de remblai ainsi que la pente à donner au talus. La largeur en crête L est en générale déterminée par l’une des formules suivantes :

On retient alors une largeur de crête : L = 7,50 mètres

Concernant les pentes de talus, les règles de l’art préconisent une pente maximale de ½, sachant que celle-ci peut être dépassée en cas d’utilisation de matériaux grossiers sans fines. Dans notre cas nous avons choisi de prendre une pente de : Soit : Enfin la largeur en pied de remblai se déduit géométriquement grâce à la hauteur du barrage et à la largeur de crête. On obtient la largeur en pied : B = 106,5 m Le barrage prédimensionné est alors le suivant :

II.5 Prédimensionnement géométrique du barrage

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iii. L’évacuateur de crue Pour éviter une saturation en eau du barrage il est nécessaire de disposer un évacuateur de crue. Ce dispositif vise à assurer la sécurité de l’ouvrage et peut être mis en place de manière frontale ou latérale. En effet, il permet de contrôler les surplus d’eau et ainsi éviter les problèmes d’érosion du matériau et éventuellement son affouillement en pied. Pour sa détermination nous utiliserons la formule de Poleni qui donne le débit de crue en fonction de plusieurs paramètres. Ainsi on a : Avec : 

µ : le coefficient de rugosité de l’évacuateur.



h2 : la hauteur de montée des eaux en mètres.



l : la largeur de la canalisation en mètres.



g : l’accélération de la pesanteur.

En considérant que la crue de dimensionnement est la crue de projet on prendra alors Qcrue = 143 m3/s. De plus, notre évacuateur aura une rugosité µ de 0,3.

Alors :

On obtient une largeur d’évacuateur de crue qui représente 93% de la largeur du barrage. Il est donc indispensable de disposer deux évacuateurs de crue latéraux. (Voir annexe n°6 – Représentation d’un évacuateur de crue latéral).

iv. Canalisation de vidange Chaque barrage est équipé d’une canalisation de vidange lui permettant de réguler le débit et de pouvoir effectuer la vidange totale de l’ouvrage. Le dimensionnement peut s’effectuer selon deux méthodes. Tout d’abord on pourra se ramener à un système d’équation de Bernoulli entre différents points du barrage ou simplement utiliser l’équation d’Hazen-Williams qui nous définit un débit dans une canalisation, si celle-ci fonctionne en régime turbulent. 1. Méthode d’Hazen-Williams : Hazen-Williams nous donne la formule suivante :

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Avec : 

C : le coefficient de rugosité de la canalisation il est fonction du matériau utilisé.



A : est l’aire de la canalisation en mètres carrés.



Rh : est le rayon hydraulique définit comme le rapport de l’aire de canalisation mouillée par le périmètre (dans notre cas Rh = ), il est donné en mètres.



J : est la pente donnée à la canalisation.



Q : le débit volumique dans la conduite en m3/s.

Pour ce problème nous choisirons de satisfaire le débit de crue de chantier de 4 m3/s. On obtient alors le diamètre de la canalisation par la formule de Hazen-Williams remodelée :

Dans notre cas on trouve : D = 1,25 m

2. Méthode de Bernoulli : Pour cette méthode, nous utiliserons le théorème de Bernoulli entre un point A (situé sur le plan supérieur d’eau) et le point d’entrée dans la canalisation (point B). On a ainsi l’équation suivante :

Avec : 

PB : la pression relative en B donnée en Pa.



VB : la vitesse de l’eau en B donnée en m/s.

 

: la masse volumique de l’eau donnée en kg/m3. g : l’accélération de la pesanteur en m/s2.

Il nous faut alors une autre équation afin de lever les inconnues du problème. Pour cela, il est nécessaire d’utiliser l’équation de Bernoulli entre le point B et un point situé à la sortie de la canalisation (le point C).

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Le flux d’eau traverse la canalisation alors on considèrera des pertes de charge engendrées par la rugosité de la canalisation (pertes de charges régulières), mais aussi des pertes de charge provoquées par la variation de section entre l’eau de barrage et la canalisation de vidange et la présence d’une vanne pour gérer la vidange. On a alors :

Avec : 

ΔH : la somme des pertes de charge en mètres.

Grâce à cette méthode on peut déterminer la vitesse dans la canalisation de vidange. Connaissant le débit à assurer et la vitesse on peut alors déterminer la section de canalisation et donc le diamètre. Cependant, nous n’avons pas souhaité faire figurer cette dernière méthode dans notre note de calcul car nous obtenions des résultats incohérents, cela étant sans doute du à des simplifications trop restrictives.

A

B C II.6 Schéma de principe de la canalisation de vidange

Le temps de vidange est déterminé à l’aide de tableur de calcul (basé sur les formules de Colebrook) permettant de faire le bilan des volumes d'eau entrant (crue) et sortant (vidange et éventuellement déversoir) et calcule le nouveau volume emmagasiné et la nouvelle hauteur d'eau (voir figure II.7). Ceci permet d’obtenir le débit de la canalisation en fonction du temps en considérant que la vidange est finalisée lorsque le débit traversant est nul.

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II.7 Schéma de principe pour le calcul du temps de vidange

A partir du tableur de calcul, on en tire les diagrammes suivants :

II.8 Diagrammes de référence pour le calcul du temps de vidange

D’après cette analyse on constate que notre vidange de barrage se finalise au bout de 170 heures soit environ 7 jours.

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III. Reseaux de lignes de courant et d’équipotentielles de la digue

Une fois que le profil général du barrage a été établi sur des critères mécaniques, il convient alors de procéder à une étude des infiltrations d’eau uniquement dans l’ouvrage puisque l’on a des fondations dites imperméables. Ces infiltrations conditionnent la stabilité et le redimensionnement du barrage en cours de travaux.

A. Méthode de Kozeny i. Description de la démarche Dans le cas de l’étude, on a sélectionné un profil critique où la hauteur d’eau est la plus grande, puisque ça sera dans ce cas que les risques de pertes de stabilité sont les plus importantes. Aussi faible que soit la perméabilité de notre barrage en terre (~2e-10 m/s), il y a toujours infiltrations d’eau. L’étude des infiltrations consiste essentiellement en la détermination des équipotentielles et des lignes de courant qui permettent ensuite de trouver les éléments suivants : 1. La ligne de saturation du massif du barrage. Cette dernière est appelée ligne phréatique et représente la limite entre la partie sèche/humide et la partie saturée d’eau du barrage. La bonne connaissance de cette ligne est capitale pour pouvoir effectuer les calculs de stabilité de la digue. 2. La pression de l’eau interstitielle dans le massif, qui peut être déterminée à partir d’un réseau de lignes équipotentielles. Une augmentation de cette pression peut être dangereuse pour la stabilité, elle peut être notamment la cause d’apparition de renards dans la partie amont du barrage. 3. Le débit de fuite dû aux infiltrations, qui peut s’obtenir à partir du réseau de lignes de courant. Ces lignes de courant représentent théoriquement la trajectoire de l’eau à travers le barrage. Si ce débit est trop important, le barrage ne fait pas son office, il faut alors instaurer un noyau imperméable au sein du corps de digue.

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La détermination de ces trois paramètres se fait par la méthode simplifiée de Kozeny qui utilise des approximations et des propriétés graphiques du réseau d’écoulement. Pour que cette méthode soit valable, il est important de respecter quelques règles de distribution des lignes :  le parement amont est une équipotentielle.  la ligne de saturation est une ligne de courant.  la fondation est une ligne de courant (cas fondation imperméable).  la pression hydraulique étant nulle sur la courbe de saturation, le potentiel en un point de cette ligne est dû uniquement à la côte de ce point.  les équipotentielles sont perpendiculaires aux lignes de courant.

ii. Ligne de saturation sans système de drainage Dans un premier temps, nous partons sur barrage sans système de drainage, ni système d’étanchéité. On note la présence d’un

substratum

(fondation

du barrage)

imperméable. Avec la méthode de Kozeny, on va déterminer la ligne de saturation au sein du barrage. Ci-dessous est présentée la figure où sont détaillées les données nécessaires pour le calcul de la parabole de Kozeny.

III.1 Schématisation du tracé de la ligne de saturation avec Kozeny

Avec : -

d : largeur de base du barrage diminuée de 0,7.b

-

h : hauteur d’eau critique

-

a : distance entre l’origine de la parabole et son foyer

-

b : projection horizontale de la partie mouillée du parement amont

Soit :

18




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Parabole de Kozeny :

Kozeny a montré que, dans un barrage en terre homogène non drainé, la de saturation peut être assimilée dans sa partie médiane à une parabole d’axe horizontal dont le foyer O est situé au pied du parement aval du barrage. L’équation de cette parabole s’écrit :

En se rapportant à la figure III.1, il en découle :

Soit, la valeur Y0 est ensuite injecté dans l’équation de Kozeny ce qui donne l’équation de parabole suivante :

Pour obtenir la ligne de saturation à partir de la parabole de Kozeny, on raccorde celleci au point B du plan d’eau amont par une courbe tangente à la parabole. Une fois que l’on connaît l’équation de Kozeny, il faut ensuite déterminer les coordonnées de chaque point (voir figure III.1). La parabole coupe le plan d’eau amont en A situé à une distance horizontale de ce parement :

On a alors : -

A : (76,36 ; 17,40)

-

B : (63,44 ; 17,40)

Pour obtenir les coordonnées du point C, il suffit de connaitre l’intersection de la parabole avec le talus du barrage. On a choisit un talus avec une inclinaison :

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Il faut donc résoudre l’équation suivante :

On a donc : C (24,96 ; 10,08) En aval on fait aboutir la ligne de saturation en un point D situé tel que :

Projeter OD sur l’axe X, on trouve : L’allure de la ligne de saturation et des lignes de courant (tracé par la méthode de Kozeny en faisant varier la hauteur d’eau) sont présentées ci-dessous :

III.2 Lignes de courant sans système de drainage

Après avoir tracé la ligne de saturation, on remarque que le point de résurgence de l’eau (point D) se situe sur la pente aval du barrage. Cette situation n’est pas envisageable, car l’eau fuyante cause des problèmes de stabilité du talus aval.

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iii. Ligne de saturation avec noyau imperméable Dans un premier temps, on pense à utiliser un noyau d’argile imperméable qui permet d’installer une étanchéité entre l’amont et l’aval (voir figure II.3). On utilise à nouveau la méthode de Kozeny pour le tracé de la ligne de saturation et des lignes de courant.

III.3 Données nécessaire pour trouver le tracé de la ligne de saturation et des lignes de courant

L’allure de la ligne de saturation et des lignes de courant sont présentées ci-dessous :

III.4 Lignes de courant avec noyau imperméable

Le débit de fuite permet de vérifier si le réservoir ne perd pas trop d’eau. Connaissant la position du point de résurgence de la nappe dans le noyau, on peut calculer le débit unitaire par unité de longueur de barrage. Soit :

Soit une quantité de 1,74 m3 de perte sur 12 mois de stockage. L’analyse de ce résultat nous montre que la perte est infime. Par conséquent, la mise en place d’un noyau comme élément d’étanchéité n’est pas nécessaire en vue des caractéristiques relativement bonnes du matériau de la digue.

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iv. Ligne de saturation avec drain horizontal On oriente la solution avec un drain horizontal de manière à ramener la ligne de saturation et les lignes de courant en pied de barrage. Pour déterminer la longueur du tapis drainant, on prend une valeur équivalente à L/3. Soit, la longueur (d) du tapis égale à 35,0 m. A partir de la méthode de Kozeny, on obtient le tracé lignes de courant et équipotentielles suivant :

Drain

III.5 Représentation des équipotentielles et lignes de courant avec le tapis drainant

B. Débit de fuite Là encore il existe différentes méthodes pour déterminer le débit de fuite elles sont basées sur les théories d’écoulement dans les sols. La démarche traditionnelle viserait à raisonner avec les tubes de courant et de charge hydraulique de l’écoulement mais cette démarche est simplifiée par la formule suivante : Avec : -

S la surface d’eau en contact avec le talus amont en mètres carrés/ml de barrage.

-

K le coefficient de perméabilité de Darcy en m/s.

-

h la hauteur de retenue du barrage en mètres.

-

L la longueur de la ligne de saturation en mètres.

Ainsi, on obtient un débit de fuite q = 4,49.10-9 m3/s pour un mètre linéaire de barrage soit un débit de 4,49.10-7 m3/s sur l’ensemble du barrage. Si on ramène cette valeur à l’année on obtient une perte de 14 m3. Cette dernière valeur n’est pas négligeable malgré le faible pourcentage qu’elle représente par rapport au volume d’eau retenu mais il est indispensable de prévoir des dispositifs pour récupérer cette eau et ne pas endommager l’ouvrage.

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IV.

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Pressions dans le corps du barrage et stabilité

A. Pressions interstitielles A la mise en eau du barrage, un système de pression s’installe dans le barrage. Les pressions interstitielles se calculent localement à l’intérieur du barrage, simplement par le calcul de P : On l’exprime par : P = ρ x g x h -

P : pression interstitielle en un point en Pascal (Pa).

-

ρ : masse volumique de l’eau = 1000 kg/ m3.

-

g : accélération de la pesanteur fixé à 9,81 m/s².

-

h : la hauteur d’eau au dessus du point considéré en m.

On rappel que la solution retenue à été d’installer un drainage horizontal de 35 mètres. A partir de la détermination des réseaux de lignes de courant et d’équipotentielles, on va pouvoir déterminer les pressions interstitielles. Afin de trouver la valeur des pressions à chaque nœud du réseau, on s’aide de la modélisation sur Autocad suivante :

0 h

1

2 3 4

5

III.6 Représentation du réseau de lignes de courant et d’équipotentielles

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Détermination de la pression interstitielle en un point :



La hauteur h de la colonne d’eau au dessus d’un point est facilement déterminée grâce à la figure III.5 (dessin Autocad). Le calcul des pressions pour chaque nœud est récapituler dans le tableau visible à l’annexe n°1. On note qu’il est peut être intéressant de suivre l’évolution des pressions du corps du barrage au cours du temps, afin de déceler d’éventuelles fissurations.

B. Stabilité interne du barrage Le modèle vérifié est celui du barrage doté d’un drainage horizontal de 35 mètres. La vérification de la stabilité interne consiste à vérifier si notre ouvrage est soumis au phénomène de renard ou non. Le phénomène de renard est un phénomène d’érosion interne lié à des mouvements intergranulaires. Si la vitesse de percolation est supérieure à la vitesse d’entrainement des grains, il peut se produire une instabilité du talus. La cohésion du talus devient alors proche de zéro. Les particules fines qui assurent la cohésion sont entrainées. Pour éviter le phénomène de renard, il faut appliquer la règle de LANE :

Avec : -

Lh : est la projection horizontale de la longueur L de la ligne de courant.

-

Lv : la projection verticale.

-

C : coefficient de LANE qui dépend du type de remblai.

-

H : charge totale.

Nous allons donc appliquer cette règle sur notre modèle. On réalisera le calcul sur la ligne phréatique (ligne de courant 0). Pour le calcul, on prend un coefficient C de LANE de 2,5 correspondant à mélange homogène de sable, de gravier et d’argile. Ci-dessous, la modélisation permet de lire directement les valeurs Lv et Lh :

III.7 Détermination des côtes Lv et Lh du barrage

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Ligne de courant 0 : « Ligne phréatique »

 -

Données du problème :

H = 17,4m Lv = 17,4 m Lh = 30,09 m C = 1,5 (matériau de type argile)

Résultats :

D’après la règle de LANE, il n’y a un risque de Renard sur cet écoulement. Remarque : si phénomène de Renard Pour éviter une éventuel instabilité, nous avons fait le choix de réduire la longueur de notre drain horizontale. La démarche consiste alors à jouer sur la longueur L h. En effet, d’après l’équation de LANE, on constate que plus Lh est élevée, plus on s’éloigne du problème de renard. On peut éventuellement changer la nature du remblai pour ainsi diminuer le coefficient de LANE. Cependant cette solution n’est pas envisageable sur ce projet car nous souhaitons réutiliser le type de matériaux disponible proche de l’ouvrage. La formule de LANE peut être critiquable car elle ne prend en compte qu’un nombre restreint de paramètres. En revanche, il est primordial d’éviter une diminution excessive de la longueur du drain, puisqu’il permet d’éviter les problèmes de renard.

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V. Stabilité des talus

Lorsque l’inclinaison  (pente des talus amont et aval) ou la dénivellation H d’un talus dépassent une certaine valeur, il peut y avoir instabilité du massif de terre. Quelque fois même sans forcément appliquer de charges sur le remblai. On parle souvent de rupture par glissement. L’expérience montre que les surfaces de rupture sont dans le cas d’un talus de hauteur H, faisant un angle  avec l’horizontale, des cylindres à section circulaire. On étudiera dans ce projet la stabilité des talus amont et aval en calculant un coefficient de sécurité F. Le coefficient de sécurité F est définit à partir des moments résistants et moteurs évalués par rapport au centre de rotation à la rupture qu’on nommera O :

Le coefficient de sécurité pour la pente aval doit être supérieur à 1,5 et 1,6 pour la pente amont. Le coefficient F peut être déterminé à partir du moment où l’on se donne une ligne de glissement respective. Cependant, plusieurs lignes de glissement sont possibles pour un talus. On retient donc comme ligne de glissement celle donnant le coefficient de sécurité le plus faible. Pour déterminer le coefficient F, plusieurs méthodes existent : Méthode de BISHOP, de Fellénius, méthode de Caquot, ainsi qu’une multitude d’abaques ont été étudié : Abaque de Taylor-Fellénius, Taylor-Biarez, etc… Dans notre cas, F sera estimé à partir de l’abaque de Taylor-Biarez pour le talus aval et l’abaque de Biarez pour le talus amont. Les calculs seront faits en régime permanent pour le talus aval, puis en vidange rapide pour le talus amont (situations les plus défavorables).

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A. Stabilité du talus aval en régime permanent Le talus à une hauteur H = 20 mètres et un angle  avec l’horizontale de 22°. Nous avons comme caractéristiques inter-granulaires du remblai compacté : -

= 22°

- c = 20 kPa -

On prend un poids volumique humide même si la pente de talus aval sera drainée. On restera dans la sécurité. On est donc en présence d’un matériau cohérent avec frottement. Pour cette configuration donné, on peut donc positionner le point A correspondant aux caractéristiques réelles

et c sur l’abaque de Taylor-Biarez - Talus

aval d’un barrage drainé. (Voir annexe n°2). La droite OA coupe la courbe correspondant à la valeur réelle  en un point B.

D’où :

On détermine A :

On obtient :

- OA = 7,7 cm - OB = 4,6 cm

D’où : F = Ce qui donne au final le coefficient de sécurité F égale à :

F = 1,67 > 1,5

Le talus aval ne risque donc pas de glisser. La stabilité du talus aval, avec une inclinaison  est assurée avec les caractéristiques des matériaux que l’on mettra en place.

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B. Stabilité du talus amont en régime rapide Dans se cas, on se retrouve avec les caractéristiques des matériaux remblai compacté à court terme. En effet, en vidange rapide du barrage, le matériau de la digue n’a pas le temps d’être drainé et la hauteur d’eau qui se retire rapidement n’assure plus la bonne stabilité de la pente amont. Notre talus à une hauteur H = 20 mètres et un angle  avec l’horizontale de 22°. Les caractéristiques du matériau à court terme sont : -

= 0°

- cu = 60 kPa On procède cette fois si avec l’abaque de Biarez - Stabilité des talus homogènes après vidange rapide. (Voir annexe n°3). La détermination du point M se fait par :

D’où : OM = 3,8 cm Et : ON = 3,6 cm D’où : F =

Ce qui donne au final le coefficient de sécurité F égale à :

F = 1,06 < 1,6

Le talus amont risque donc de glisser lors d’une vidange rapide. La stabilité du talus amont, avec une inclinaison  n’est assurée avec les caractéristiques des matériaux que l’on mettra en place. La solution pour pallier à ce problème de stabilité est l’apport d’un autre matériau qu’on disposera sur le talus amont. On décide de prendre de l’enrochement de type granite avec les caractéristiques suivantes :

= 45 ° et cu = 100 kPa

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VI. Configuration finale

Cette

partie présentera alors nos choix constructifs ainsi que les dispositifs

complémentaires à mettre en place pour assurer le bon fonctionnement du barrage. Deux vues générales de l’ouvrage finale sont visibles aux annexe n°4 et n°5.



Choix du drain :

Un tapis drainant a donc été disposé afin d’assurer un maximum d’étanchéité au barrage. Le tapis drainant a été pris égal au tiers de la longueur du barrage soit environ 35 mètres. Concernant l’épaisseur de ce tapis, on choisira une hauteur de 60 cm pour assurer un bon fonctionnement du drain. 

Choix du filtre :

Pour limiter le mélange de particules de sol du remblai dans l’apport de matériau drainant, un filtre doit être mis en place à l’interface drain-remblai du barrage. En effet, le remblai contenant des particules fines, contrairement au matériau drainant ayant une plus grande granulosité (grains plus grossiers). Les particules de sol, sous l’effet de la circulation d’eau vont venir altérer le drain. Habituellement, pour éviter ce phénomène il faudrait mettre en place un matériau de granulométrie croissante de l’intérieur vers l’extérieur du barrage. Cependant d’autres solutions existent comme la mise en place d’un géotextile ayant pour fonction de filtrer. Ce géotextile permettra d’éviter toute contamination du matériau drainant. En effet, cette dégradation est très préjudiciable pour la durabilité du barrage, le tapis drainant étant un élément très important pour le bon fonctionnement du barrage. Le géotextile est, de plus, une méthode beaucoup plus simple à mettre en place et permet une mise en œuvre plus économique. Cependant la mise en place reste, tout de même, délicate vis-à-vis de la fragilité du géotextile (déchirement, poinçonnement…).

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

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Les risbermes :

Ces éléments sont généralement effectués pour les remblais car elles constituent une surface plate permettant aux véhicules autorisés de circuler le long de l’ouvrage (côté aval du barrage) afin de pouvoir effectuer des opérations de maintenance ou de vérification de l’ouvrage grâce à des piézomètres. De plus, elles permettent d’améliorer la stabilité générale du remblai en créant des zones plus rigides transversalement. Les règles de l’art préconisent d’ailleurs l’utilisation de risbermes pour des ouvrages supérieurs à 12 mètres. Pour notre ouvrage, il semble judicieux de disposer des risbermes car sa hauteur de 20 mètres le lui impose. 

Disposition de végétation :

La partie en aval peut être habillée par de la végétation afin de créer une atmosphère agréable pour les différents touristes ou encore pour limiter l’impact environnemental. C’est pourquoi il est courant de disposer des revêtements en terre végétale sur les talus et les risbermes. 

Structure de protection contre les chutes :

L’ouvrage étant accessible aux piétons et aux véhicules autorisés il est indispensable de disposer des éléments de protection (garde-corps, barrières…) en cas de chute vers la partie aval mais aussi des murs côté amont car la chute d’un piéton ou encore une déroute d’un véhicule pourrait être un événement dramatique. 

Dissipateurs d’énergie :

Ils peuvent être disposés à la sortie des éléments d’écoulement afin de diminuer la forte énergie en fin de circuit. Pour ce faire, on disposera des pierres en sortie de canalisation. 

Enrochement :

Afin d’améliorer la stabilité de notre barrage il est possible d’ajouter de l’enrochement en partie amont (voir partie vérification de la stabilité de l’ouvrage). Ce matériau, en plus d’améliorer la stabilité, permet de protéger la peau du remblai contre les attaques aqueuses, notamment l’érosion.

VI.1 Schématisation du barrage en configuration finale

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VII. Classement de l’ouvrage - Entretien

A. Détermination des caractéristiques de l’ouvrage : La législation prévoit quatre classes pour hiérarchiser les ouvrages hydrauliques selon les mesures à mettre en ouvre pour leur suivi. Ces classes sont nommées par des lettres allant du « A » pour les ouvrages à fort degré de surveillance au « D » pour les ouvrages à faible risque. Ce classement est basé sur deux paramètres du barrage :  H : La plus grande hauteur mesurée entre le plus haut point du barrage et le terrain naturel à l’aplomb de ce sommet. Ce paramètre sera exprimé en mètres.  V : Le volume de la retenue exprimé en millions de mètres cubes lorsque le barrage fonctionne à sa côte de retenue normale. Le classement obéît à la classification suivante :  A : H > 20  B:  C:

et H > 10 et H > 5

 D:H>2

Si toutefois des doutes sont émis quand à la classe de l’ouvrage, un droit de reclassification peut être établit par le Préfet. Dans notre cas, on a :

D’après le classement, on en déduit que l’ouvrage précédemment dimensionné est de classe B.

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Ceci implique quelques contraintes de surveillance et d’entretien pour le propriétaire. Les mesures à prendre peuvent se résumer ainsi :

CLASSIFICATION DES BARRAGES A

B

C

D

Etude des dangers

Oui

Oui

Non

Non

Maîtrise d'œuvre unique et réglementée

Oui

Oui

Oui

Oui

A la demande du ministre pour les avants projets, projets les modifications substantielles et les révisions spéciales.

A la demande du ministre pour les avants projets, projets les modifications substantielles et les révisions spéciales.

Avis du CTPBOH

Obligatoire pour les avants projets, projets les modifications substantielles et les révisions spéciales, à la demande du ministre pour l'étude de dangers.

Première mise en eau réglementaire

A la demande du ministre pour les avants projets, projets les modifications substantielles, l'étude de dangers et les révisions spéciales.

Oui

Oui

Oui

Oui

Dossier de l'ouvrage Registre de l'ouvrage

Oui

Oui

Oui

Oui

Oui

Oui

Oui

Oui

Consignes écrites

Oui

Oui

Oui

Pas d'approbation par le préfet

Auscultation de l'ouvrage

Oui

Oui

Oui

sauf dérogation

sauf dérogation

sauf dérogation

Fréquence des rapports de surveillance Fréquence des rapports d'auscultation

Oui

Non sauf demande particulière

1 an Transmis au préfet

5 ans Transmis au préfet


/




/

Fréquence des visites techniques approfondies

1 an Compte-rendu transmis au préfet

2 ans Compte-rendu transmis au préfet



Revue de sûreté

Tous les 10 ans

Non

Non

Non

Révision spéciale

Possible

Possible

Possible

Possible

Tableau 3 : Récapitulatif des entretiens et de la maintenance selon les classes de barrage

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VIII. Synthèse Avec le support de documents techniques concernant

le prédimensionnement du

barrage et de ses différentes structures spécifiques, on a pu dégager une solution qui répond à la problématique du projet. Grâce à l’ensemble de ces valeurs et aux différents logiciels générés par Excel, on a dégagé la conception général de l’ouvrage. Nous avons donc regroupé tous les points importants dans le tableau ci-dessous, qui résume les données de la solution proposée :

Longueur de la digue

100 mètres

Largeur de la digue

106,5 mètres

Hauteur maxi de la digue

20,0 mètres

Volume du remblai de la digue

114 000 m³

Longueur de la canalisation de vidange Pente de la canalisation de vidange Diamètre de la canalisation de vidange Coefficient de LANE (C) Sécurité au Renard « équation de LANE »

107,0 mètres 0,01 m/m 125 mm 1,5 27,43 > 26,10

Sécurité en talus aval

1,67

Sécurité en talus amont

1,06

Débit de fuite

5,5.10-10 m2/s

La construction d’un barrage implique un bouleversement de l’écosystème naturel du cours d’eau et de ses abords. Il entraîne donc la modification de la faune et de la flore au droit du barrage, mais aussi dans le cours d’eau à l’aval. De plus, la retenue d’eau occupe une surface importante, ce qui peut nécessiter le déplacement et le relogement des habitants déjà présents. Cependant, dans certaines régions, un barrage peut être intéressant afin de posséder une capacité utile d’eau à des fins d’irrigation. C’était, en autre, le but de la solution de barrage du projet étudié. Enfin, il ne faut pas négliger le risque de rupture du barrage, c’est pourquoi nous avons effectué le dimensionnement de cet ouvrage selon des règles établies depuis plusieurs années et qui ont démontré leur efficacité. Celles-ci nous ont permis de vérifier notre barrage remblai en stabilité externe et interne et ainsi prévenir tout risque de rupture. En revanche, au terme de ce projet, nous avons déterminé la classe de notre ouvrage, cette donnée permettra au client de prévoir les moyens nécessaires pour l’entretien et la surveillance du remblai.

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IX. Bibliographie [1]. Petit Barrage, Recommandation pour la conception, la réalisation et le suivi – Gérard Degoutte

[2]. Rapport Projet de Fin d’Etudes – « Auscultation d’ouvrages hydrauliques » – Roland Vidal.

[3]. Code de l’environnement – Article R214 [4]. Cours de mécanique des fluides – INSA Strasbourg – Abdellah Ghenaim [5]. Cours de mécanique des sols – INSA Strasbourg – Freddy Martz

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X. Annexes Annexe n°1 : Tableau Excel – Détermination des pressions interstitielles Annexe n°2 : Stabilité du talus aval pour un barrage drainé Annexe n°3 : Stabilité du talus amont après vidange rapide Annexe n°4 : Vue générale du barrage remblai

Annexe n°5 : Vue sur la crête du barrage remblai

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Annexe n°6 : Vue d’un évacuateur de crue latéral

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Technologie Des Grands Ouvrages - Etude Barrage

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