S'abonner à un flux RSS
 

Méthodes de dimensionnement des collecteurs et canaux (HU)

De Wikhydro

Traduction anglaise : Design méthods for pipes and channels

article en chantier

Dernière mise à jour : 14/12/2022

Cet article présente les différentes méthodes de calcul des dimensions nécessaires pour les ouvrages hydrauliques d'écoulement (biefs aménagés, canaux et conduites).

Sommaire

L'essentiel

Principes de base

Le choix des dimensions à associer à un ouvrage d'écoulement constitue l'un des éléments du processus de conception des ouvrages. Souvent perçu par les ingénieurs comme le principal, il ne doit cependant pas être effectué indépendamment des autres choix : forme de la section, nature des matériaux, etc. Les différentes étapes présentées ci-dessous sont bien évidemment successives, mais le processus lui-même doit être considéré comme itératif, chaque étape pouvant remettre en cause les choix effectués aux étapes précédentes.

Choix du niveau de protection

Obligation d'accepter des dysfonctionnements

Même si les observations mondiales montrent qu'il existe certainement pour une durée donnée une hauteur maximale de pluie possible (voir Pluie maximum probable (HU)), celle-ci est tellement supérieure à celles usuellement observées (même pour des périodes de retour rares), qu'il est impossible de dimensionner les ouvrages pour ces conditions. Il est donc nécessaire de rechercher, de façon plus ou moins explicite, un compromis technico-économique entre "l’aspiration à une protection absolue, pratiquement irréalisable, et le souci de limiter tant le coût d’investissement que les sujétions d’exploitation" (Ministères, 1977).

Nota : La notion de recherche de compromis, ne doit pas être confondue avec celle, plus technocratique et beaucoup plus irréaliste, de recherche d'un optimum économique, qui minimiserait un "coût global", évalué comme la somme des coûts objectifs (d'investissement et de maintenance) et de l'espérance mathématiques des coûts associés aux dysfonctionnements (voir Analyse coût bénéfice / ACB (HU)).

Période de retour d'insuffisance ou évaluation globale de la qualité de service fournie

On a pendant très longtemps raisonné uniquement à partir de deux choix basiques :

  • Définir une approche binaire de la qualité de fonctionnement de l'ouvrage (l'ouvrage fonctionne bien ou dysfonctionne), associé à un critère simple (par exemple, pour une conduite fermée : fonctionnement bon tant que l'ouvrage est à surface libre, dysfonctionnement s'il se met en charge) ;
  • Choisir une période de retour d'insuffisance acceptable et dimensionner l'ouvrage de façon à ce que la période de retour des dysfonctionnements (au sens choisi précédemment) soit inférieure ou égale à la période de retour d'insuffisance choisie ; pendant longtemps, cette période de retour a été choisie, sans arguments vraiment forts, à 10 ans pour les réseaux d'assainissement et à 100 ans pour les aménagements de rivière.

La norme NF EN 752-2, par ailleurs peu utilisée et aujourd'hui annulée, a commencé à améliorer cette approche, d'une part en distinguant la fréquence (l'inverse de la période de retour) maximale de mise en charge et la fréquence maximale d'inondation, et d'autre part en proposant des valeurs différentes selon les lieux (figure 1).


Figure 1 : Fréquences maximales de mise en charge et de débordement préconisées par la norme NF EN 752-2.

Une avancée très importante introduite par le guide "la ville et son assainissement" (CERTU, 2003) a été la notion de niveau de service associée à différents niveaux de sollicitation pluviométrique, ceci pour les différentes fonctions remplies par le système d'assainissement (figure 2).


Figure 2 : Les niveaux de service à atteindre, les objectifs à prioriser et les solutions à mettre en œuvre sont différents selon le niveau de la sollicitation pluvieuse ; les objectifs pris en compte dans cette figure sont les suivants : Objectif 1 : Éviter les nuisances locales (eau stagnante, boue, etc.) et les risques sanitaires associés ; Objectif 2 : Limiter la pollution apportée aux milieux aquatiques ; Objectif 3 : Contrôler les risques d’inondation localement et à l’aval ; Source : Chocat et al. (2022a), adapté de CERTU (2003).

Le choix du niveau de protection se complique alors car il ne s'agit plus simplement de choisir une période de retour d'insuffisance unique mais, d'une part de fixer des limites claires séparant les différents niveaux de sollicitation pluviométrique, et d'autre part de définir les types de désordres acceptés de façon plus précise que par la mise en charge de la conduite ou le fait que la ligne d'eau affleure le sol.


Calcul du débit nominal

Dans la plupart des cas, la période de retour choisie comme référence est transformée en débit nominal en utilisant l'une ou l'autre des méthodes présentées dans le paragraphe suivant. De façon pratique, dimensionner l'ouvrage uniquement en fonction d'un débit suppose de façon implicite qu'il existe une relation univoque entre le débit et la section de l'écoulement, c'est à dire, le plus souvent que les conditions hydrauliques sont celles d'un écoulement permanent uniforme, conditions que l'on n'observe que très rarement dans les réseaux ou dans les rivières pendant les périodes de crue.

Choix du type d'écoulement

c'est à dire, pour le débit nominal, envisage-t-on un ouvrage qui est, pour le débit nominal retenu, en charge ou à surface libre.

Choix du type de section, de la pente et des dimensions

circulaire, rectangulaire, ovoïde, trapézoïdale en cas d'écoulement à surface libre ; nature du matériau et rugosité ; lien avec le mode de fonctionnement (charge/surface libre)

contraintes à prendre en compte (vitesse min et max)


Analyse du fonctionnement pour des conditions hydrauliques différentes des conditions nominales

Fonctionnement pour des situations courantes

différentes situations pluvieuses à prendre en compte ; importance de prendre en compte le fonctionnement dans toutes les situations (autocurage, odeurs, ...)

Fonctionnement pour des situations extrêmes

obligation réglementaire ; devenir des eaux débordantes

Autres situations possibles

influences aval, mises en charge, variations brutales de débit

Méthodes utilisables

Choix des données de calcul

Choix des données pluviométriques

Notion de pluie dimensionnante liens avec temps de concentration et lag time ; ; où trouver les données ; insuffisances des données de l'IT77 ; adaptation des données à la surface ; prise en compte du changement climatique

Choix du coefficient de ruissellement

renvoi à l'article sur les méthodes de calcul ; évolution dans le temps ;

Choix du modèle hydrologique

Méthode rationnelle

rappel rapide et renvoi sur l'article : avantage et inconvénients

Méthode de Caquot

rappel rapide et renvoi sur l'article : avantage et inconvénients

Modèles de simulation hydrologique

projets amont : pluie de projet + modèle du réservoir linéaire

renforcement de réseau : outils de simulation réseau

Critères de choix

stade du projet (de l'étude préliminaire à l'APD) ; enjeux

Du débit aux dimensions

choix du couple pente/section

critères de choix - discussion sur la valeur du coefficient de rugosité

Choix du modèle hydraulique

écoulement permanent uniforme ; débit d'une conduite en fonction du remplissage ; choix de la rugosité

Intérêt d'une simulation hydraulique plus complète

Bibliographie :

Outils personnels