Seuil hydraulique (HU) : Différence entre versions

Version du 3 janvier 2020 à 19:05

Traduction anglaise : Weir

dernière mise à jour : 23/12/2019

Surélévation du radier d'un ouvrage, normalement submergée, construite à des fins diverses, par exemple pour stabiliser la loi hauteur/débit au droit d'une station hydrométrique (seuil jaugeur) ou pour assurer une profondeur d'eau minimale dans un bief ou pour limiter le débit dans une direction particulière (seuil de déversoir d’orage).

Seuil hydraulique sur le Rhône destiné à élever le niveau de na nappe dans la zone de captage crédit photo Bernard Chocat.

Sur le plan du vocabulaire utilisé en assainissement il existe souvent une forte ambiguïté entre le mot seuil et le mot déversoir, ces mots peuvent par exemple être associés aux mêmes qualificatifs (par exemple seuil mince et déversoir à paroi mince), ou associés entre eux de différentes façons (par exemple seuil déversoir et déversoir à seuil).

Dans cet article, l'usage du mot seuil sera réservé aux ouvrages présentant la particularité physique de disposer d'une surélévation du radier qui induit une modification des conditions hydrauliques, quelles que soient les conséquences de cette modification. Les ouvrages dont la fonction est de déverser une partie du débit vers le milieu naturel, indépendamment du procédé utilisé pour contrôler le débit déversé sont traités dans l'article Déversoir d'orage.

Évolution des connaissances sur le fonctionnement hydraulique des seuils

La première formule applicable aux seuils frontaux a été établie par Poleni dès 1717 :

avec :

• $ g $ : accélération de la pesanteur (m/s2) ;
• $ h_0 $ : hauteur d'eau au dessus du seuil (m) ;
• $ L $ : largeur du seuil (m) ;
• $ m $ : coefficient dépendant de la forme du seuil ;
• $ Q $ : débit au dessus du seuil (m3/s).

Les expériences de Weisbach et Francis entre 1841 et 1852, puis celles de Bazin en 1888 et enfin de Rehbock en 1912 permirent l'élaboration de formules relativement simples, applicables aux seuils frontaux. Ces formules sont d'ailleurs toujours en usage aujourd'hui. A peu près à la même époque étaient élaborées les approches théoriques sur le calcul des déversements (Belanger en 1849 ; Mullins en 1890 ; Frizell en 1899 ; Flamert en 1900 ; Boussinesq en 1907).

L'analyse du fonctionnement des seuils latéraux a pour sa part été plus tardive. La variation de la hauteur d'eau le long du seuil introduit en effet une difficulté supplémentaire. Les premiers travaux furent l’œuvre de Coleman et Smith en 1910, de Forchmer en 1924 et De Marchi en 1934 [De Marchi, 1934]. Cependant, contrairement aux seuils frontaux, il ne fut pas possible d'établir une formule simple et indépendante des conditions de l'écoulement, permettant de prévoir le débit déversé en fonction de la géométrie de l'ouvrage. Ce n'est guère que dans les années 1980 que le développement des outils informatiques a permis le développement de modèles reposant sur le calcul de la ligne d'eau le long du seuil. Citons en particulier à ce sujet les travaux de Smith et El Khashab, repris ultérieurement et validé par Carleton [El Khashab & Smith, 1976], [Carleton, 1985].

Classification et concept de base

Il existe un grand nombre de types de seuils, ayant des formes et des fonctions différentes. Plusieurs classifications sont possibles selon que l'on s'intéresse aux principes constructifs utilisés ou au mode de fonctionnement des ouvrages. On se limite souvent à une typologie fondée sur la position du seuil par rapport à la ligne principale d'écoulement. On peut ainsi distinguer :

• les seuils frontaux ;
• les seuils latéraux.

Seuils frontaux

Les seuils frontaux ont pour particularité de barrer la ligne d'écoulement sur toute sa largeur. Ils sont généralement installés plus ou moins perpendiculairement à l'écoulement.

Figure 1 : Exemple de seuil frontal.

Seuils latéraux

Les seuils latéraux peuvent être placés sur un seul côté de l'ouvrage (seuil simple) ou de chaque côté (seuil double). Le seuil de déversement peut être rectiligne ou courbe, de hauteur constante ou variable. Dans la section correspondant au seuil de déversement, la cunette d'arrivée d'eau peut avoir une section constante ou se rétrécir.

Suivant la pente du radier, les conditions hydrauliques d'écoulement à l'amont et à l'aval, la fraction de débit déversée, etc., la ligne d'eau au dessus du seuil peut présenter différentes configurations : hauteur d'eau plus faible à l'extrémité amont du seuil qu'à l'extrémité aval ou le contraire ; ressaut à l'amont, à l'aval, au milieu ; etc.. Ce type de seuil étant essentiellement associé à des déversoirs d'orage, les informations relatives au seuils latéraux sont regroupés à cet article.