Méthodes de dimensionnement des collecteurs et canaux (HU)
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
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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).
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).
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 :
- CERTU (2003) : La ville et son assainissement : Principes, méthodes et outils pour une meilleure intégration dans le cycle de l'eau ; disponible sur https://www.grand-est.developpement-durable.gouv.fr/IMG/pdf/la_ville_et_son_assainissement_certu_2006_-2.pdf
- Chocat, B., Cherqui, F., Afrit, B., Barjot, G., Boumadhi, M., Breil, P., Célérier, J.L., Chebbo, G., De Gouvello, B., Deutsch, J.C., Gromaire, M.C., Hérin, J.J., Jairy, A., Maytraud, T., Paupardin, J., Pierlot, D., Rpdriguez, F., Sandoval, S., tabuchi, J.P., Werey, C. (2022a) : Contribution à une meilleure explicitation du vocabulaire dans le domaine des solutions dites « alternatives » de gestion des eaux pluviales urbaines ; TSM n°5 2022 ; pp 103
- Chocat, B., Afrit, B., Maytraud, T., Savary, P., Tedoldi, D. (2022b) : Comment mettre en place des règles hydrologiques efficaces pour la gestion durable des eaux pluviales urbaines ; TSM n°10 ; octobre 2022 ; pp.39-62.
- Flanagan, K., Barraud, S., Gromaire, M.-C., Rodriguez, F. (2022) : Guide méthodologique pour l’évaluation de performances des ouvrages de maîtrise à la source des eaux pluviales, Office français de la biodiversité (OFB), septembre, 164 p. https://professionnels.ofb.fr/fr/node/1252
- Roche, P.-A., Velluet, R., Aujollet, Y., Helary, J.L., Le Nouveau, N. (2017) : Gestion des eaux pluviales : 10 ans pour relever le défi ; Rapport Technique Conseil Générale de l’Environnement et du Développement Durable (CGEDD) ; disponible sur : https://cgedd.documentation.developpement-durable.gouv.fr/documents/Affaires-0008967/010159-01_rapport-publie_tome1_synthese_diagnostic-propositions.pdf;jsessionid=68117E81D8E689F3BF6A01719FF00537