Wikibardig:Technologie des barrages poids

Technologie des barrages poids

Cette rubrique présente les bases technologiques et fonctionnelles des barrages poids. Elle définit la typologie et les caractéristiques principales des barrages poids et détaille les principaux phénomènes agissants sur ceux-ci.

Caractéristiques générales

La typologie des barrages poids est établie à partir des matériaux les constituant. On distingue selon DEGOUTTE (1997) :

- les barrages poids en Béton Conventionnel Vibré (BCV) ;

- les barrages poids en Béton Compacté au Rouleau (BCR), mettant en œuvre un béton maigre (100 à 150 kg de ciment par m3 ) travaillé comme un matériau meuble.

Ils sont massifs (en comparaison avec les barrages en remblais) et résistent à la poussée de l’eau par leur poids. Etant donné les matériaux les constituants, ils sont considérés comme rigides et nécessitent donc des fondations rocheuses de bonnes qualités.

Les profils des barrages poids ont évolué avec le progrès de l’ingénieur et des matériaux. PEYRAS (2003) distingue :

- les profils arqués, employés pour les ouvrages en maçonnerie construits au XIXème siècle et donnant des ouvrages généralement minces ;

- les profils trapézoïdaux avec parements amonts verticaux, les plus classiques et correspondant aux ouvrages en BCV et BCR ou maçonnerie ;

- les profils symétriques, utilisés pour des ouvrages en BCR ou remblai dur construits sur des fondations de faibles caractéristiques mécaniques (rocher altéré, fondations alluviales) et permettant de limiter les sollicitations portées au sol.

Profils des barrages poids (PEYRAS, 2003)

Composants des barrages poids

Les parements ont pour principale fonction la protection du corps du barrage vis-à-vis des sollicitations extérieures. La pérennité de l’ouvrage dépend donc étroitement des qualités de la conception et de la réalisation. On distingue deux types de parement :

- parement amont : il constitue la surface de contact avec l’eau de la retenue. Pour remplir son rôle de protection, il doit être conçu pour résister aux actions agressives susceptibles de « contaminer » le corps du barrage. Il a pour principale fonction la protection du corps du barrage vis-à-vis des sollicitations extérieures et assure notamment une fonction d’étanchéité. Soumis aux sollicitations thermiques et hydrométriques engendrées en particulier par les variations de la cote du plan d’eau, le parement amont doit également résister aux sollicitations induites par les corps de flottants (tronc d’arbre, …) éventuels.

- parement aval : il constitue le versant aval du barrage. Il doit être conçu et réalisé pour assurer la protection du corps du barrage vis-à-vis des variations, souvent importantes, des conditions atmosphériques (vieillissement en surface dû aux cycles gel/dégel, à l’exposition au soleil, aux variations de températures, au vent, …) et du niveau du plan d’eau aval.

La crête est située au sommet du barrage. Elle agit contre l’infiltration des eaux de pluie dans le corps du barrage et permet, dans certains cas, le passage de véhicules ou de piétons.

Le système de drainage du corps du barrage est constitué de galeries et de conduites placées en aval du parement amont. Il a pour objet de réduire les sous-pressions dans le corps du barrage poids en drainant les eaux infiltrées. En général ce dispositif n’est pas mis en place pour les barrages de faible hauteur (moins de 15 mètres).

Le système d’étanchéité des fondations a pour fonction d’éviter à l’eau de pénétrer dans les fondations afin de limiter les sous-pressions. Il est principalement constitué d’injections dont le but est de créer un rideau étanche dans le rocher. Un coulis sous pression est injecté selon une ou plusieurs lignes afin d’étancher les chemins par où l’eau peut passer.

Le système de drainage des fondations est le complément indispensable des travaux d’injection. En effet, il a pour but d’évacuer rapidement les eaux d’infiltrations afin d’éviter qu’elles ne soient mises en pression, ce qui a pour conséquence d’augmenter les débits de fuites. Le système de drainage est normalement assuré par des forages (Ministère de l’agriculture, 1977).

Les tirants d’ancrage ont pour but d’augmenter le poids de l’ouvrage afin de le stabiliser. Le dispositif consiste à ancrer profondément le massif d’appui au moyen de câbles mis en tension. Pour cela on exécute un sondage de gros diamètre dans lequel on descend un câble métallique que l’on scelle à la partie inférieure, dans le terrain, par injection. La partie haute du tirant est prise dans un bloc de béton armé et fretté.

Têtes des tirants d'ancrage sur crête (barrage Cenne Monestie) Photo Irstea

La figure ci-dessous résume l’ensemble des composants et leur fonction, d’un ouvrage poids :

Synthèse des composants (et de leur fonction) des barrages poids (PEYRAS, 2003)

Stabilité des barrages poids

Cette partie propose d’identifier les principales actions intervenant dans les justifications de la stabilité des barrages poids et d’indiquer les principes généraux de leur calcul. Les recommandations qui en résultent émanent d’une synthèse des principales recommandations existantes et des pratiques de l’ingénierie française issues du CFBR (2006).

En fonction de leur variation au cours du temps et de leur intensité, les actions sont classées en trois catégories :

- les actions permanentes ;

- les actions variables ;

- les actions accidentelles.

Valeurs caractéristiques des actions permanentes

Les actions permanentes sont les actions continues ou pratiquement continues dont l’intensité est constante ou très peu variable dans le temps.Les actions permanentes sont notées G.

Poids propre G₀

De façon générale, le calcul de l’intensité du poids propre des barrages en béton ou maçonnerie ne pose pas de difficulté particulière. Il est conduit à partir des dessins et des coupes du projet et en prenant compte de la surface du profil étudié (S), du poids volumique humide des matériaux du barrage $ (\gamma_b) $et du poids des équipements fixes.Certaines sections particulières présentant des évidements pourront faire l’objet d’une justification distincte tenant compte d’un poids propre plus faible.

Intensité du poids propre

On adopte, pour la valeur caractéristique du poids propre,notée $ G_{0k} $, la formulation suivante :$ G_{0k}=\gamma_{b,k} . S $

a. Cas des barrages poids en béton Pour les ouvrages en béton, la valeur moyenne du poids propre des structures est connue avec une bonne précision et son coefficient de variation est faible. Généralement, on dispose d’essais abondants et l’utilisation des méthodes statistiques est alors possible, la valeur caractéristique du poids volumique sera une estimation prudente de la valeur moyenne du poids propre, cette dernière étant calculée à partir du poids volumique moyen des tests effectués.

b. Cas des barrages en maçonnerie

Pour les barrages en maçonnerie existants, le poids volumique humide des matériaux peut être sujet à fluctuation dans l’espace au sein de la structure et dans le temps sous l’effet de mécanismes de dissolution et d’érosion des mortiers. Dans ce cas, on ne peut pas retenir, pour la valeur caractéristique du poids propre, une valeur nominale basée sur la moyenne du poids volumique mesuré sur des carottes de sondages. En effet, les carottes intactes qui parviennent au laboratoire ne sont pas forcément représentatives de l’ensemble du corps de l’ouvrage.

Il est recommandé d’évaluer le poids volumique humide moyen du barrage en combinant plusieurs approches et, en particulier :

• • la mesure du poids total des caisses de carottes prélevées en sondages ;
• • le re-calcul du poids volumique moyen en évaluant la proportion relative des pierres, du mortier et des vides, et en pondérant chacune par leur densité. Proportion et densité peuvent être appréciées sur carottes, et dans certains cas en exploitant les documents de construction ;
• • la mesure du poids volumique en forage au moyen d’une sonde à émission et réception de rayonnement gamma ; moyennant une calibration sur des mesures en laboratoire, on obtient un log de la densité de la maçonnerie tout au long du forage ; l’état de la pratique actuelle ne permet pas d’utiliser cette technique autrement qu’en complément des deux approches précédentes ;
• • le jugement d'expert.

En première approche, dans le cadre d’un diagnostic rapide, on peut situer les valeurs moyennes du poids volumique humide de la maçonnerie dans une fourchette de 22 à 24 kN/m3. Toutefois, des valeurs moyennes plus faibles, inférieures à 20 kN/m3, ont été mesurées sur des barrages parmi les plus anciens [Royet, 2003] . Des reconnaissances approfondies par sondages sont donc recommandées, en veillant particulièrement à la représentativité des échantillons sur lesquels sont faits les essais de laboratoire. Les poids volumiques faibles correspondent à des indices des vides plus importants que dans le béton : la différence entre les poids volumiques sec, humide et saturé devient significative. Il y a lieu d’en tenir compte dans l’analyse.

Poussée des sédiments G₁

Le principe du calcul de l’action des sédiments revient à un calcul de poussée. Les sédiments sont considérés non pas comme un fluide, mais comme un matériau pesant et frottant, défini donc par son poids volumique déjaugé γ’_sédiment et son angle de frottement interne φ _sédiment, et venant interagir comme un milieu extérieur au système « barrage » en y exerçant une action de poussée sur le parement amont.

Intensité de l'action des sédiments

Poussée d’une recharge aval G₂

Deux configurations sont à distinguer :

Cas d’un remblai de pied : la recharge aval est ici de petite dimension, soigneusement compactée et spécifiquement prévue pour renforcer la stabilité du barrage. La composante horizontale est calculée à partir du coefficient de pression latérale des terres au repos K₀.

La composante verticale de la poussée est prise égale au poids éventuellement déjaugée des terres, et majorée par le frottement à l’interface barrage/remblai.

Cas d’une recharge agissant sur une grande partie de la hauteur du barrage : la recharge aval est ici un remblai appuyé sur toute ou sur une grande partie de la hauteur du barrage et contribuant de façon significative à sa stabilité.

Dans ce cas, la prise en compte de la poussée de la recharge doit toujours faire l’objet d’une étude spécifique. Cette dernière consiste en une modélisation des interactions à l’interface remblai/parement aval, incluant l’étude de la cinématique des consolidations du remblai et, le cas échéant, celle de la compressibilité des fondations qui portent le remblai.

Action d'une recharge aval G₂

Actions des tirants précontraints G₃

Deux configurations sont à distinguer :

Installation de tirants sur des barrages existants (ou lors de la construction de barrages neufs): les tirants sont ici mis en place sur le barrage lui-même ou l’un de ses ouvrages annexes (évacuateur de crues, …).

La valeur caractéristique de la force d’ancrage apportée par les tirants précontraints (quelle que soit l’inclinaison des tirants) est déduite de la traction de blocage par application d’une perte, dont on peut, en première approximation, évaluer la valeur moyenne de 6 à 10%. Cette perte est à préciser en fonction des propriétés de la fondation, des matériels et matériaux utilisés.

Cas des barrages avec tirants en service : il s’agit ici de justifier un barrage en service comportant des tirants plus ou moins anciens. La difficulté vient souvent du fait que l’on ne peut pas mesurer la tension résiduelle dans les tirants (c’est le cas des tirants injectés sur toute leur longueur). Il convient dans ce cas de faire preuve d’une plus grande prudence dans le cas où des indices de corrosion sont avérés, une valeur nulle pourra être retenue.

Si la mesure de la traction résiduelle est possible, on adopte pour la valeur caractéristique de la force d’ancrage une intensité raisonnablement prudente évaluée à partir des mesures réalisées in situ et tenant compte d’éventuelles pertes différées encore envisageables.

Modélisation des actions variables de l’eau

Les actions variables comprennent les actions dont l’intensité et/ou les points d’application varient fréquemment et de façon significative dans le temps.

Poussée hydrostatique amont Q₁

Le principe de calcul de l’action de l’eau de la retenue revient à un calcul de poussée hydrostatique. Dans chaque situation de projet correspondant à un niveau de remplissage de la retenue, on calcule l’intensité Q1résultant de la hauteur de l’eau supposée connue agissant contre le parement amont.

Poussée hydrostatique aval Q₃

Le principe du calcul de l’action de l’eau en aval revient à un calcul de poussée hydrostatique, éventuellement corrigé d’effets hydrauliques.

Dans chaque situation de projet correspondant à un niveau d’eau amont, on calcule l’intensité Q3 résultant de la hauteur d’eau agissant sur le parement aval.

Action de la poussée hydrostatique amont Q₁et de la poussée hydrostatique aval Q₃

Action des sous-pressions Q₂

Le principe de calcul repose sur la détermination du diagramme des sous-pressions agissant dans le corps du barrage, à l’interface barrage – fondation et dans les fondations.

Le diagramme des sous-pressions est obtenu en considérant les matériaux constituant les fondations et le corps du barrage, ainsi que les dispositifs particuliers mis en œuvre (voile d’injection, voile de drainage, masque amont).

En l’absence de dispositif particulier visant à réduire les infiltrations dans les fondations et dans le corps du barrage, on adopte, en première approche, une répartition linéaire des sous-pressions, donnant un diagramme trapézoïdal avec la pleine sous-pression en amont et une sous-pression égale au niveau d’eau en aval.

Action des sous-pressions Q2à l'interface barrage fondation (diagramme trapézoïdal)

Toutefois certaines configurations peuvent donner des hypothèses plus défavorables sur la répartition des sous-pressions :

- en l’absence de drainage dans la fondation, si les fissures du rocher ont tendance à se refermer en pied aval ;

- lorsque le corps du barrage présente des fissures depuis le parement amont vers l’aval

- cas particuliers : parement aval colmaté, rejointoiement trop parfaitement étanche de ce parement…

Les dispositifs particuliers, tels que les voiles d’injection dans les fondations et les voiles de drainage en fondation et dans le corps du barrage, visant à réduire le diagramme des sous-pressions, sont pris en considération à l’aide d’un coefficient de rabattement λ et conduisent à un diagramme bilinéaire :

Rabattement et répartition des sous-pressions

La valeur du coefficient de rabattement λ dépend directement de l’efficacité du dispositif visant à réduire les sous-pressions.

De nombreux facteurs peuvent avoir une influence, notamment :

- la conception et la réalisation du dispositif,

- son entretien et sa surveillance.

Le coefficient de rabattement est sujet aux variations au cours du temps, compte tenu des phénomènes de vieillissement pouvant affecter le dispositif.

Action accidentelle sismique

Afin de déterminer l’action accidentelle sismique, de nombreuses méthodes sont établies. Elles proposent toutes des recommandations méthodologiques pour la détermination de l’aléa sismique et pour les différentes approches de modélisation de l’action sismique. Nous ne développerons pas cette partie, mais nous pouvons citer comme référence le document Ministère de l’Industrie (2003).

Références

Carrere A. (1994). Barrages. Techniques de l’ingénieur, traité de construction.

CFBR (2012). Groupe de travail « Calcul des barrages poids » - Recommandations pour la justification de la stabilité des barrages poids – Propositions et recommandations. Comité français des barrages et réservoirs. 117p. : http://www.barrages-cfbr.eu/Recommandations.html

CIGB n°93 (1994). Bulletin 93 – Ageing of dams and appurtenant works – Review and recommendation.CIGB 237p.

Degoutte G. (2010). Conception des barrages. 252p.

Godart & Divet (2000). Ouvrages d’art n°34 mai 2000 20p « une nouvelle réaction de gonflement interne des bétons : la réaction sulfatique ».

Ministère de l’agriculture (1977). Techniques des barrages en aménagement rural. Direction de l’aménagement - Groupe de travail permanent pour les barrages en aménagement rural. 325p.

Ministère de l’Industrie (2003). « Classification des barrages vis-à-vis des séismes » version décembre 2003 élaboré par un groupe de travail animé par le service technique de l’Energie Electrique et de Grands Barrages du Ministère de l’Industrie.

Peyras L. (2003). Diagnostic et analyse de risques liés au vieillissement des barrages – Développement de méthode d’aide à l’expertise. Spécialité Génie civil. Université Blaise Pascal – Clermont II.

Peyras L., Boissier D. & Carvajal C. (2010). Analyse de risques et fiabilité des barrages, application aux barrages poids en béton