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Wikibardig:Barrages zonés à paroi

De Wikhydro

Sommaire

Barrages zonés à paroi moulée

Les barrages en remblai muni d’une étanchéité artificielle sont de même type que les barrages à noyau. La particularité de ces barrages est le type d’étanchéité choisie, par manque de matériaux fins sur le site, et les précautions à prendre pour sa mise en place.

Corps du barrage

Le corps du barrage à paroi moulée comporte outre la paroi moulée :

  • une recharge amont en matériau plus grossier et drainant assurant la stabilité amont même après une vidange rapide ;
  • une recharge aval stabilisatrice en matériau peu déformable.

Paroi moulée

L’étanchéité est assurée par la réalisation d’une paroi moulée mise en place après l’achèvement du remblai.

Description

Si l’hétérogénéité des matériaux disponibles sur place ou si leurs caractéristiques géotechniques ne permettent pas d’envisager une digue homogène étanche, une solution est de concevoir un massif en plusieurs zones dont chacune est constituée d’un matériau différent selon le rôle que doit jouer chaque zone. Si par ailleurs on ne dispose pas de matériau argileux pour faire un noyau compacté, il est possible de réaliser l’étanchéité du barrage et de sa fondation par un écran homogène de type paroi moulée.

Réalisation

La technique de la paroi moulée consiste à réaliser une excavation à partir de la surface : on réalise le remblai puis on exécute la paroi moulée en béton d’argile à partir de la crête. Celle-ci traverse l’ensemble du remblai et la partie meuble de la fondation. Les parois peuvent être descendues sans difficulté jusqu’à des profondeurs dépassant 50 m dans des terrains alluvionnaires dont les éléments ne dépassent pas 20 à 30 cm. La tranchée, large de 0,8 à 1 m, est maintenue stable par remplissage au moyen d’un coulis auto-durcissable (bentonite, ciment, eau) qui fait prise en quelques jours. Cette technique nécessite que le matériau qui entoure la paroi ne soit pas trop perméable pour éviter de trop fortes pertes de coulis avec les risques correspondants d’éboulement de la paroi. On pourra donc être amené à réaliser un pseudo-noyau en matériaux peu grossiers à granulométrie continue au centre d’un barrage en matériaux grossiers. Il faut cependant concevoir le remblai pour qu’il puisse supporter une crue sans dommage avant que la paroi ne soit construite. La dérivation provisoire doit donc être dimensionnée de sorte que le remblai ne soit pas mis en charge. Si cela n’est pas possible, les filtres et drains doivent être largement dimensionnés pour éviter toute érosion interne lors d’une crue de chantier. La paroi moulée obtenue a une perméabilité de l’ordre de 10-8 m/s. Ce mur est suffisamment plastique pour subir d’importantes déformations sans se fissurer.


Pente des talus

La pente des talus est une caractéristique importante pour la stabilité mécanique de l’ouvrage.

La pente des talus du barrage en terre est fixée par les conditions de stabilité mécanique du massif et de ses fondations. En ce qui concerne le massif, pour déterminer la pente des parements on se donne en général des pentes qui paraissent optimales, compte tenu de la nature des matériaux, et on vérifie par une étude de stabilité que le barrage présente une sécurité suffisante avec ces pentes.

On peut exprimer l'inclinaison des talus par leur pente ou par leur fruit, inverse de la pente. Dans le cas des barrages en terre le terme pente est souvent utilisé pour désigner le fruit. Dans ce texte il est fait mention de la pente, rapport de la hauteur du talus sur sa projection horizontale.

A titre indicatif, le tableau ci-après donne quelques valeurs qui devront être confirmées par une étude de stabilité.


Pentes indicatives des parements d'un barrage en terre

Hauteur Type amont aval
< 5m Quelconque 1/2 1/2
5 à 10 m Homogène, granulo étendue 1/2,5 1/2,25
Homogène fort % argile 1/2,75 1/2,25
Noyau + recharges grossières 1/2,25 1/2
10 à 15 m Homogène, granulo étendue 1/2,75 1/2,5
Homogène fort % argile 1/3 1/2,5
Noyau + recharges grossières 1/2,5 1/2,25


Drainage et filtres

Le dispositif filtre/drain est un élément particulièrement important d’un barrage en remblai. Nombre d’accidents et de rupture sont imputables à l’absence de filtres et/ou de drains, ou encore à une mauvaise conception ou réalisation du système filtre/drain pouvant conduire à une érosion interne ou un drainage insuffisant. La sécurité des barrages en remblai dépend donc d’une conception et d’une construction adéquate des systèmes de filtres et de filtres/drains.

Fonctions du dispositif de drainage et filtres

Dans un barrage et dans sa fondation, du fait de la charge amont, l’eau s’infiltre progressivement même si le matériau est étanche. Par ailleurs, des fuites accidentelles peuvent provenir d’une fissure du noyau par fracturation hydraulique, d’un collage imparfait entre le noyau et la fondation… Les infiltrations ne doivent pas déboucher sur le parement aval de manière incontrôlée car il s’en suivrait un risque de déstabilisation du pied du talus aval ou d’amorce de renard . Un dispositif drainant, zone de forte perméabilité, est donc quasiment toujours nécessaire afin de maîtriser les écoulements. Il est en général composé d’un drain vertical (drain cheminée) et d’un drain horizontal (drain tapis). Il constitue un élément de sécurité majeur des ouvrages.

Un drain naturel est réalisé en matériaux grossiers (graviers, sables) pour être le plus perméable possible. Sous l’effet de la circulation de l’eau, les particules de sol peuvent migrer vers une zone de sol plus grossier comme des matériaux du remblai vers les vides interparticulaires des matériaux du drain. Afin que l’écoulement n’entraîne pas son colmatage par migrations des fines du remblai, un drain doit être protégé par un matériau de granulométrie intermédiaire jouant le rôle de filtre s’opposant au colmatage du drain. En variante, le filtre peut être constitué en géotextile. Le drain lui-même peut aussi être constitué en géosynthétiques.

Il est impératif que les systèmes de filtre et de drain dans les barrages en remblai évacuent en toute sécurité la totalité des eaux d’infiltration vers le pied aval ou vers une zone adjacente plus perméable sans développer de pressions excessives. La conception du système de drainage doit considérer le scénario le plus défavorable, incluant la fissuration du noyau, la fracturation hydraulique et/ou une ségrégation dans le noyau.

Les matériaux pour les filtres et drains sont fabriqués à partir d’alluvions ou d’enrochements de carrière par concassage et triage afin d’obtenir la composition granulométrique attendue puis lavage afin d’éliminer les éléments fins en excès. Les matériaux calcaires sont à éviter.

Système de drainage

L’un des moyens les plus simples d’analyser l’écoulement dans les filtres et les drains et d’évaluer leur dimensionnement est la loi de Darcy :

Q/i = kA

  • Q (m3 /s) est le débit estimé d’écoulement qui doit être évacué par le filtre ou le drain (par unité de longueur de la structure) ;
  • i est le gradient hydraulique admissible (disponible) dans le filtre ou le drain ;
  • k est le coefficient de perméabilité requis du filtre ou du drain (m/s) ;
  • A est la surface du filtre ou du drain perpendiculaire à la direction d’écoulements dans le filtre ou le drain.

Toutes les combinaisons de k et A qui assurent la capacité d’évacuation (avec un coefficient de sécurité adéquat) peuvent être acceptées. En général, des couches relativement minces d’un matériau de forte perméabilité sont plus économiques que des couches épaisses de perméabilité plus faibles. k vaut de l’ordre de 10-8 à 10- 10 m/s pour une argile et de 10-4 à 10-6 m/s pour un sable. Une caractéristique importante à considérer est la charge hydraulique en un point. Considérons un point situé dans un massif saturé siège d’un écoulement permanent. Soit u la pression de l’eau en ce point et z sa cote par rapport à un repère quelconque.

La charge hydraulique en ce point est par définition : LaTeX: h =\frac u y_w + z + \frac {v^2}{2g}

Comme les vitesses dans les sols sont toujours faibles, le terme LaTeX: \frac {v^2}{2g} est négligeable d'où : LaTeX: h = \frac u y_w + z

Dans un écoulement uniforme et unidirectionel, le gradient est par définition le rapport de la différence de charge h à la longueur L du trajet de l'eau dans le sol. Dans un écoulement quelconque le gradient en M est le vecteur LaTeX:  \vec i de composantes LaTeX: -\frac {dh} {dx},-\frac {dh} {dy},-\frac {dh} {dz}. Si M' est infiniment proche de M, LaTeX: dh = -\vec i.\overrightarrow{MM'}= \vec i \overrightarrow{dM}. Les équipotentielles sont les lignes où la charge h est constante. Elles sont orthogonales aux lignes de courant puisque si LaTeX:  dh = 0 alors LaTeX:   \vec i \overrightarrow{dM} = 0.


Drain horizontal ou drain tapis

Un drain tapis est posé au contact fondation-remblai, et remonte environ à l’aplomb du coin aval de la crête. Ainsi, le cercle de glissement (renvoi vers Glissement dans mode de rupture) potentiel le plus défavorable ne risque pas de recouper une zone de remblai saturé, du moins si le drain est efficace. Ce remblai a une épaisseur d’au moins 50 cm et souvent plus.

Considérons un barrage drainé horizontalement, en situation d’écoulement permanent. Pour tracer les lignes de courant en situation d'écoulement permanent, nous disposons de deux conditions aux limites en régime permanent : h = H le long du parement amontAB et h = z le long de BC la courbe de saturation. Le parement amont est donc une équipotentielle, et les lignes de courant lui sont donc perpendiculaires. Le potentiel est nul au niveau du drain. La courbe de saturation et le contact avec la fondation sont des lignes de courant. D'où l'allure du tracé des lignes de courant (Figure ci-dessous : Source Aide-mémoire mécanique des sols)

Bar drainé horizontalement.PNG

Le compactage crée les conditions d’une anisotropie de perméabilité (plus forte dans le sens horizontal que dans le sens vertical). Il en résulte un risque de contournement du drain horizontal. Pour cette raison, on réalise quasi systématiquement un drain vertical.

Isotrope.PNG

Effet de l’anisotropie dans le cas d’un barrage drainé par un drain horizontal.

On constate que lorsque le rapport d’anisotropie atteint une valeur de l’ordre de 30 à 40, l’écoulement interne débouche sur le talus aval.

Source S. MERCKLE, Irstea Aix-en-Provence.

Drain vertical ou drain cheminée

Drain vertical (cheminée).PNG

Source Formation Contrôle des barrages intervention P. MERIAUX / Irstea - G2DR

Le drain vertical est poursuivi entre la base du remblai et le niveau normal des eaux plus 0,20 à 0,30 m, ou bien le niveau des plus hautes eaux, de manière à être sûr que la ligne de saturation ne pourra pas passer plus haut que le drain. Ce drain vertical est raccordé au pied aval par un tapis drainant horizontal, ou par des cordons drainants.

Dans les grands barrages, le drain vertical (ou incliné) est construit couche par couche comme les zones du remblai, et de même pour ses filtres. On a donc un drain grossier et deux filtres plus fins.

Pour les petits barrages, il est réalisé en matériau perméable (drainant) respectant les conditions de filtre avec le remblai qui l’entoure. Le matériau utilisé (sable plutôt uniforme) est dit auto-filtrant.

Le drain est construit en creusant dans le remblai tous les 5 à 6 couches compactées, une tranchée large de 0,5 à 1,5 m, puis en y déversant un sable auto-filtrant (pas de filtre entre ce sable et le matériau du remblai). On recommande dans ce cas de choisir un sable 0-5 mm vérifiant : D05> 0,08 mm (propreté) et D15 > 0,1 mm (perméabilité). Da est le diamètre du tamis laissant passer respectivement a % en poids du matériau le plus grossier.

Il est possible de diminuer l’épaisseur du drain cheminée (minimum de 0,50 m) au fur et à mesure de la montée du remblai en fonction de la valeur de H2 √ V correspondant à la cote inférieure de la tranche considérée (drain cheminée avec deux ou trois épaisseurs en tout).

Le tableau ci-dessous donne les valeurs de l’épaisseur minimale préconisée. Cette dernière est, en général, largement surabondante en ce qui concerne le débit des infiltrations, mais elle permet d’avoir une sécurité à long terme vis-à-vis d’un colmatage partiel par des fines et /ou par des carbonates. La nature des matériaux du remblai peut conduire à adopter des épaisseurs plus importantes. Les largeurs de godet disponibles sont aussi à prendre en compte.

LaTeX:  H\sqrt V < 30 30 à 100 100 à 300 300 à 700 700 à 1500
Épaisseur en m 0,50 0,80 1,00 1,20 1,50

Épaisseur minimale du drain en sable (H et V correspondent à l'altitude considérée)

Drain vertical.PNG

Les principaux essais qui permettent de qualifier les matériaux (hors la granulométrie) sont les suivants :

  • mesure du coefficient de friabilité des sables ;
  • essai Los Angeles (chocs) et essai Micro-Deval (usure) pour les graviers ;
  • équivalent de sable, essai au bleu de méthylène (la présence d’argile peut entraîner une cohésion et donc une fissuration du matériau), teneur en matières organiques.

Système de filtre

Filtre en matériaux granulaires

Pour éviter les migrations de particules fines, deux zones successives d'un ouvrage hydraulique doivent vérifier des conditions de filtre qui sont des règles granulométriques. En pratique, les conditions de filtre ne sont pas faciles à respecter entre ces deux matériaux et l’on interpose, le plus souvent, un matériau de granulométrie intermédiaire, appelé filtre. Les conditions explicitées ci-après doivent être vérifiées aux deux interfaces : entre matériau fin du remblai et filtre puis entre filtre et drain. Dans chaque cas, D désigne la taille des grains du matériau le plus grossier et d celle des plus fins.

Dans une courbe granulométrique, on appelle dx la dimension de grain correspondant à x % en poids de tamisat (ce qui passe au travers du tamis). On appelle coefficient d'uniformité (ou de Hazen) le rapport d60/d10.

Un sol tel que d 60/d 10< 3 est dit à granulométrie uniforme ; un sol tel que d 60/ d 10> 3 est dit à granulométrie étalée. Par exemple, sur la courbe ci-dessous : d60 = 5 mm et d10 = 0,2 mm. D’où d 60/d 10= 25. Le diamètre médian (d50) vaut 3 mm.

Analyse granulo.PNG

Lorsqu’un matériau fin à granulométrie étalée (d60/d 10 > 3) et continue (pas de cassure de la courbe granulométrique) est en contact avec un matériau uniforme (drain ou filtre), leurs granulométries doivent répondre aux conditions suivantes :

  • condition de non entraînement des fines (rétention) :D15< 5.d85 ;
  • coefficients d'uniformité des filtres (pour éviter la ségrégation et assurer la stabilité interne) d60 /d10 et des drains D60 /D10 compris entre 2 et 8.
  • moins de 5 % d’éléments inférieurs à 80 μ et d15 des sables > 0,1 mm (en appliquant la formule de VAUGHAN et SOARES k = 0,35 d215 où k en cm/s et d15 en mm on obtient pour d15= 0,1 mm une perméabilité k = 3,5 x 10-5 m/s, ce qui est une valeur limite pour un matériau drainant).

Les deux premières conditions sont issues des règles de TERZAGHI élaborées pour des matériaux granuleux uniformes.

Si l’on a affaire à deux matériaux très uniformes (c'est-à-dire tels que D60 /D10< 3 et d60 /d10< 3), la règle de filtre s’écrit : 5.d50< D50< 10.d50. On impose aussi la condition de propreté pour le matériau constitutif d’un drain : D05> 0,08 mm. Ce cas concerne en particulier l’interface entre le filtre et le drain. Un sol très gradué (d60 /d10 > 16) et à granulométrie discontinue présente des risques d'érosion interne de sa partie fine sous l'effet des circulations d'eau. Le filtre contigu à ce matériau doit donc être déterminé avec le d85 de la partie inférieure de la courbe granulométrique du sol, après le changement de pente (cf. figure).

Granulometrie discontinue.PNG

Filtre en géotextiles

Les géotextiles peuvent aussi jouer un rôle de filtre, en lieu et place d’un filtre granulaire.

Avec un géotextile, on cherche à assurer deux propriétés partiellement contradictoires. L’une est la rétention et, si elle est totale, aucune particule du sol ne peut migrer et le géotextile qui doit être relativement fermé risque de se colmater. L’autre propriété est justement l’absence de colmatage, et le géotextile qui doit être relativement ouvert ne s’oppose pas totalement à la migration des éléments fins du sol. Le mécanisme de filtration par géotextile est complexe. Il consiste en fait à empêcher les plus grosses particules du sol de se déplacer, pour quelles constituent un auto filtre du sol, tout en laissant passer les particules les plus fines. La partie de géotextile située au-delà de la première épaisseur qui a arrêté le squelette du sol présente l’avantage de donner de la perméabilité au géotextile et l’inconvénient d'accroître la probabilité qu’une particule fine se trouve piégée dans l'épaisseur. Il faut donc éviter un géotextile trop épais. D’autre part, il faut éviter un géotextile trop fin, pour des raisons de durabilité et de résistance.

Les règles françaises actuelles de dimensionnement des filtres en géotextile consistent à comparer l'ouverture de filtration caractéristique (O90) du géotextile au diamètre d85 qui caractérise son squelette. L’ouverture de filtration caractéristique d’un géotextile correspond au diamètre d90 des particules de sol susceptibles de traverser le géotextile. Sa mesure est normalisée (norme EN ISO 12956 de février 1999). Elles s’écrivent O90< C.d85, C étant un coefficient lié à la granularité du sol, à sa compacité et au gradient hydraulique au voisinage du géotextile. Pour un sol de granulométrie étalée et de forte compacité, ce coefficient vaut 1,25. En outre, pour les sols cohérents, on ajoute la condition O90>= 0.08 mm. De même que pour les transitions granulaires, dans le cas où le sol est très gradué (d60 /d10 > 16) et à granulométrie discontinue, le géotextile doit être déterminée avec le d85 de la partie inférieure de la courbe granulométrique du sol, après le changement de pente.

Filtre geotextile.PNG

Systèmes de protection

Protection de la crête

La mise en place d’une couche de grave sur la crête permet notamment d’éviter la formation d’ornières dues au passage de véhicules et la dessiccation des dernières couches argileuses compactées.



Protection des talus amont

Dans de nombreux projets de barrages en remblai, la protection du talus amont est particulièrement importante pour la stabilité de l’ouvrage. Elle a pour objectif de lutter contre l’érosion et les dégâts qui pourraient résulter de l’action des vagues.

Dimensionnement

Le dimensionnement de la protection du talus amont tient compte de la hauteur de vague significative, du soulèvement de la surface de l’eau dû au vent, du déferlement de la vague.

L’action des vagues dépend essentiellement de la dimension de la retenue et de sa localisation géographique (rose des vents). Le choix du type de protection et son dimensionnement sont donc indépendants de la hauteur du barrage. De ce point de vue, les barrages de faible hauteur ne peuvent être considérés comme des cas spécifiques que si la retenue est de faible surface.

-1 - Hauteur de vague significative

La hauteur de vague significative dépend essentiellement :

  • de la vitesse et de la durée du vent ;
  • de la longueur du fetch qui est la distance horizontale dans la direction du vent, sur laquelle souffle le vent ;
  • de la profondeur de l’eau. Le niveau du plan d’eau de la retenue à partir duquel la hauteur de vague est calculée correspond à la retenue pleine (niveau des plus hautes eaux). La profondeur moyenne du réservoir le long du fetch est déterminée à partir de ce niveau.

Pour le calcul de la hauteur des vagues, Degoutte préconise d’utiliser la formule de Smith, adaptée aux conditions d’eau profonde :


LaTeX: H_{s} =0,00048.\hat U_{a} \sqrt F
  • Hs : hauteur significative des vagues en m ;
  • F : longueur du fetch de la retenue en m ;
  • Ûa :vitesse efficace ajustée du vent à 10 m de hauteur en m/s, soit Ûa=Ua.cos θ avec θ l'angle entre les directions du vent et des vagues et LaTeX:  U_a = U\sqrt{(0.75+0.067*U)} avec U vitesse moyenne sur une heure du vent à 10 m au-dessus de la surface de l'eau, pour la période considérée. En l'absence particulière sur la direction des vents, on prend Ûa = Ua

Dans le cas des vents supérieurs à 120 km/h, cette méthode donne de meilleurs résultats que celle de Bretschneider, dont les formules font également intervenir la profondeur D du plan d’eau.

La durée minimale de vent (tmin) nécessaire à la formation des vagues peut être obtenue par application d’une autre formule de Smith :

LaTeX: t_{min} = \frac{27.{F^{0.72}}}{\hat U_{a}^{0.44} }


La vitesse moyenne du vent sur une heure (U3600) est liée à la vitesse Utmin correspondant à tmin par la formule suivante(Shore Prodection Manual):

LaTeX: \frac{U_{t_{min}}}{U_{3600}} = 1,277+0,296.tanh \left( 0,9.log\frac{45}{t_{min}} \right)


(formule valable pour tmin < 3600s).


Un calcul itératif permet de déterminer Ua correspondant à la donnée du vent mesurée au sol.

Les vitesses de vent données proviennent en général d’une station terrestre et doivent alors être corrigées du fait du passage du vent sur la surface très lisse du plan d’eau (majoration de 1,01 pour F = 100 m, 1,06 pour F = 500 m et 1,1 pour F = 1 000 m, selon Saville).

Le tableau ci-après donne les valeurs de la hauteur significative des vagues pour des cas courants calculée par la méthode de Smith pour les profondeurs de 10 et 15 m et par la méthode de Bretschneider et Reid pour les profondeurs de 5 m.


U 120 km/h 150 km/h 180 km/h
D (m) F(m) 100 500 100 500 100 500
5 0,27 0,59 0,49 0,98 0,64 1,26
10 0,28 0,61 0,49 1,02 0,64 1,34
15 0,28 0,61 0,49 1,02 0,64 1,34

Hauteur significative des vagues (Hs) en fonction de la vitesse du vent au sol (U), de la longueur du Fetch de la retenue (F)et de sa profondeur (D).

-2- Soulèvement de la surface de l’eau dû au vent

Pour les retenues concernées par le soulèvement de l’eau dû au vent, on se réfèrera au bulletin 91 de la CIGB/ICOLD.

-3- Déferlement de la vague

Ayant obtenu la hauteur de la vague de projet, on calcule la hauteur de déferlement notée R, qui est la différence de hauteur verticale entre le niveau maximal atteint par le déferlement de la vague sur le talus et le niveau du plan d’eau.

Le calcul de R tient compte de la nature du parement (rugueux ou lisse), de la pente du talus et de la longueur d’onde des vagues.

-4- Dimensionnement en fonction des tranches caractéristiques de la retenue

Différentes tranches de retenue sont distinguées :

  • Tranche morte

Le niveau supérieur de cette tranche correspond au niveau inférieur de retenue vidangeable.

  • Tranche vidangeable

Le niveau supérieur de cette tranche correspond au niveau au-dessous duquel l'eau n'est pas utilisable du fait de considérations d'exploitation.

  • Tranche utile

Tranche utilisable du réservoir pour satisfaire à tous les objectifs de l'aménagement, à l'exclusion de la maîtrise des crues.

  • Tranche utile commune (saisonnière)

Cette tranche du réservoir est attribuée à la maîtrise des crues pendant certaines périodes de l'année et aux autres fonctions pendant le reste de l'année.

  • Tranche destinée exclusivement à la maîtrise des crues (tranche de crue)

Cette tranche de retenue est destinée à la régularisation des crues entrant dans le réservoir.

  • Tranche de surremplissage de crue

Cette tranche est prévue pour l'écolement de la crue de projet à travers le réservoir.

La protection peut varier selon les tranches de la retenue. Par exemple :

  • pour un petit barrage, la superficie du plan d’eau devient souvent très réduite lorsque la retenue est presque vide. De plus, la période pendant laquelle la retenue est à un niveau bas dure en général quelques semaines seulement (cas des barrages destinés à l’irrigation en fin d’été). Dans de tels cas on peut envisager de ne pas protéger la partie basse du talus amont. Une risberme doit alors être aménagée à la base de la partie supérieure protégée ;
  • Une protection partielle du talus amont est envisageable, selon la même technique, pour les barrages à faible marnage (plans d’eau de loisirs, barrages de dérivation…). Dans ce cas, une protection par des végétaux peut être prévue si la hauteur des vagues est inférieure à 0,50 mètre. Il faut alors réaliser dans la zone de marnage une risberme large à faible pente (1/10) sur laquelle sont plantées des espèces végétales adaptées (hors arbres) ;
  • pour les très petites retenues (fetch de quelques centaines de mètres et orientation du parement favorable), il peut être tenté de ne réaliser aucune protection amont. Il est toujours possible d’intervenir après une dégradation du parement.
Types de protection

-1- RipRap déversé

Le riprap déversé est, selon le bulletin 91 de la CIGB, le type de protection de talus généralement le plus efficace.

Riprap.PNG

Le riprap doit contenir une forte proportion d’éléments supérieurs à la dimension minimale nécessaire pour résister à l’action des vagues. En fonction de la hauteur des vagues h, on détermine la dimension préconisée de la protection classique en enrochements : épaisseur e de la couche d’enrochements (mesurée perpendiculairement au parement) et diamètre d50tel que 50 % en poids des blocs aient un diamètre égal ou supérieur à d50. La dimension des plus gros blocs est limitée à e. Les éléments les plus petits n’ont pas un diamètre inférieur à 0,10 mètres.

Hauteur des vagues h (m) Epaisseur e (m) d50des blocs (m)
0.30 0.30 0.20
0.55 0.40 0.25
0.80 0.50 0.30
1.05 0.60 0.40
1.30 0.70 0.45
1.55 0.80 0.50

Dimension de la protection amont en enrochements

La mise en place du riprap doit éviter toute ségrégation. Les roches doivent être saines, denses, inaltérables. Différents essais pétrographiques et d’évaluation de propriétés physiques sont décrits dans le bulletin 91 de la CIGB qui classe les caractéristiques suivantes comme importantes pour la sélection d’une roche : taille appropriée des blocs puis sont privilégiées la plus forte durabilité, la masse volumique la plus élevée, une forme plus équidimensionnelle et une surface plus rugueuse.

Le riprap peut être dégradé par l’action des vagues. Si les matériaux de la couche d’assise sont trop fins, les vagues peuvent progressivement expulser les matériaux du filtre et le remblai devient exposé à l’action des vagues. Par ailleurs, si la masse moyenne des blocs rocheux n’est pas suffisamment grande pour résister aux forces hydrodynamiques des vagues ou si la qualité médiocre des roches a entraîné leur déségrégation, des blocs peuvent être déplacés, la couche d’assise disparaît alors laissant le remblai exposé aux agressions. Outre les caractéristiques des blocs et de la couche d’assise, un mauvais calcul de la vague de projet peut aboutir à ce type de dégradations.

Dégradations du talus amont géométrie irrégulière rip-rap RT.PNG Vue du talus amont pendant la vidange Dégradations du talus amont (géométrie irrégulière) rip-rap Photo R. Tourment -Irstea

Dégradation du riprap.PNG Dégradation du rip-rap Photo -Irstea - G2DR


-2-Dalles en béton

Les dalles de béton peuvent être constituées de béton coulé in situ ou d’éléments de béton préfabriqués placés côte à côte. Leurs dimensions varient de 1,5 à 15m et leur épaisseur de 0,1 à 0,3m.

Protection talus amont Carces 83 RT.PNG Barrages de Carces (83) Vue de la protection du talus amont par dalles béton- Photo R. Tourment - Irstea - G2DR

Barrage de Dumanoir (971) Vue du talus amont protection par dalles béton B ar en remblai étanchéité par géomembrane RT.PNG Barrage de Dumanoir (971) Vue du talus amont avec protection par dalles béton Barrage en remblai et étanchéité par géomembrane

- Photo R. Tourment - Irstea - G2DR

Les dégradations de ce type de protection peuvent provenir des dalles qui doivent être en béton de bonne qualité, armé et d’épaisseur suffisante. Par ailleurs, les dalles doivent être emboîtées pour lutter contre l’effet des pressions hydrodynamiques combiné avec l’effet de la vague descendante, elles peuvent entraîner des déplacements de dalles ou blocs suivi d’une destruction rapide de la couche de protection. Une autre origine de dégradation est la présence de joints ouverts entre dalles ou de fissures dans les dalles entraînant une perte de matériaux du remblai.

Dégradation des dalles béton disparition quasi totale et dégradation consécutive de la géomembrane RT.PNG Vue du parement amont - Dégradation des dalles béton (disparition quasi totale) et dégradation consécutive de la géomembrane

Photo R. Tourment - Irstea - G2DR


-3- Revêtement en gabions

Les gabions sont des cages de fil d’acier souvent galvanisé ou revêtu de PVC, de forme parallélépipédique, remplis d’enrochements. Ce type de protection convient parfaitement aux talus raides. Les gabions sont empilés les uns sur les autres et forment une structure en gradins. Le matelas Reno consiste à disposer les gabions bout à bout sur le talus. Les gabions sont maintenus en place par frottement entre les gabions et le remblai. Aucune butée de pied n’est nécessaire mais une protection doit être installée en pied afin d’éviter les affouillements. Talus amont protect par matelas Reno instal.PNG Talus amont avec protection par matelas Reno - Photo Irstea - G2DR


Les dégradations peuvent provenir de la corrosion de la cage métallique et les pierres non confinées peuvent être trop petites ou minces pour assurer la protection du talus.


-4- Pavés autobloquants

Des blocs de béton préfabriqués emboités peuvent être utilisés pour la protection de talus.

Pavés autoblocants.PNGTalus amont avec protection par pavés autobloquants - Photo Irstea -

Pavés autoblocants réparation.PNGPavés autobloquants réparation - Photo Irstea

Pavés autoblocants dégradés et piézo Barrage en remblai et étanchéité par géomembrane Photo RT.PNG Pavés autoblocants dégradés Barrage en remblai et étanchéité par géomembrane Photo RT.PNG Pavés autoblocants dégradés Barrage en remblai et étanchéité par géomembrane 2 Photo RT.PNG


Vue de pavés autobloquants dégradés - Barrage en remblai et étanchéité par géomembrane - Photo R. Tourment - Irstea

-5-Comparaison des différentes formes de protection

Le riprap et les matelas Reno sont des dispositifs souples qui peuvent s’accommoder de certaines déformations du remblai (tassements) contrairement aux dalles béton. Ils sont perméables et empêchent donc les sous-pressions. Le riprap dissipera plus efficacement l’énergie des vagues et les très fortes gelées et la glace causeront moins de dégâts que sur les dalles en béton. Les matelas Reno permettent quant à eux l’utilisation de pierres de plus petite taille et en moindre quantité.


Réalisation

Les protections sont placées sur une couche d’assise ayant un rôle de filtre. Il s’agit de protéger le remblai contre les effets hydrodynamiques des vagues et contre l’érosion en évitant la migration des éléments fins du remblai à travers les éléments de la protection en enrochements, gabions ou pavés auto-bloquants ou une érosion du remblai sous les dalles en béton. La couche d’assise complétée doit respecter les conditions de filtre vis-à-vis du système de protection (voir ci-dessus - système de filtre). La couche d’assise granulaire pourra être remplacée par un géotextile anti-poinçonnement dans le cas où le matériau du remblai n’est pas très érodable.


Dans le cas des enrochements déversés, pour les vagues de hauteur inférieure à 1,50 mètres environ, l’épaisseur de la couche d’assise est de 0,15 à 0,30 mètre. L’USACE (US Army Corps of Engineers) et l’USBR (US Bureau of Reclamations) ont fourni des recommandations d’épaisseur de la couche d’assise et du filtre lorsque celui-ci est nécessaire ; le bulletin 91 de la CIGB fournit des éléments de dimensionnement de ces couches : granulométrie et épaisseur.

Protection du talus aval

Le talus aval d’un barrage en remblai doit être protégé contre les effets de ruissellement des eaux de pluies. L’enherbement du talus aval est la solution adoptée de façon quasi systématique sur les petits barrages en France métropolitaine. La couche de terre végétale de 0,15 mètre d’épaisseur environ est mise en place à la pelle mécanique et/ou au bouteur.

Pour des remblais de hauteur supérieure à 12 mètres environ, il est recommandé de prévoir une risberme intermédiaire à mi-hauteur du talus aval. Pour des remblais de hauteur supérieure à 15 mètres, cette recommandation devient une quasiexigence. Cette risberme a le double intérêt :

  • de limiter les effets du ruissellement le long de la pente ;
  • de permettre un accès à mi-hauteur du talus à des piézomètres ainsi que pour les opérations d’épandage de la terre végétale, d’engazonnement et d’entretien ultérieur.

L’enherbement du talus aval peut être facilité par l’utilisation de nattes de géotextiles synthétiques ou naturels dans lesquelles sont incorporés semences, engrais et substrat de paille. On peut également utiliser des géosynthétiques en nid d’abeilles posés sur le corps du remblai et dont on emplit les alvéoles avec la terre végétale. Ces techniques sont à recommander en climat méditerranéen où les périodes de forte sècheresse et les averses intenses rendent l’enherbement plus délicat. Les variétés arbustives sont à proscrire dans tous les cas.


Talus aval enherbe EI.PNG Exemple de talus aval enherbé - Photo Irstea - G2DR

Références

BETCGB (Bureau d'Etude Technique et de Contrôle des Grands Barrages), (2002). Guide pour le contrôle des barrages en exploitation - Chapitre I - Les Barrages.

Carrère A. (1994). Barrages. Techniques de l'Ingénieur.

CFBR (Comité Français des Grands Barrages), 2002. Petits barrages : recommandations pour la conception, la réalisation et le suivi. Coordination Gérard Degoutte. Cemagref Editions-2° édition.

CIGB/ICOLD (Commission Internationale des Grands Barrages), 1994. - Bulletin 95 - Barrages en remblai - Filtres et drains granulaires.

CIGB/ICOLD (Commission Internationale des Grands Barrages), 1993. - Bulletin 91 - Barrages en remblai – Protection du talus amont – Synthèse et recommandations. 212 pages.

Degoutte G, Fry J.J., 2002. Les géotextiles dans les barrages, retours d’expérience, Colloque technique CFGB-CFG “les géosynthétiques dans les barrages : matériaux et utilisations”, Saint Etienne, p. 49-78.

Degoutte G., Royet P., 2009. Aide-mémoire de mécanique des sols, collection ouvrages pédagogiques, 3ème édition, Publications de l’ENGREF, 96 p.

Degoutte G., Mercklé S., 2014 – Cours ISBA (Institut Supérieur du Béton Armé) - Chapitre 4 – Barrages en remblai.

Ministère de l’agriculture, Direction de l’aménagement (1977). Techniques des barrages en aménagement rural. 325p., réédition 1989.

Saville T., Mc Clendon E. and Cochran A. (1962). Freeboard Allowances for Waves in Inland Reservoirs , Journal of the Waterways and Harbours Division, ASCE

Smith J., 1991. Wind Wave Generation on Restricted Fetches. Coastal Engineering Research Center, Waterways Experiment Station, Vicksburg, MS.


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