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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

Un ouvrage hydraulique doit être dimensionné pour évacuer, dans des conditions satisfaisantes, les débits qu'il va recevoir en provenance de la surface et de l'amont.

La question est donc double :

  • quels seront les débits à évacuer ?
  • quelles dimensions faut-il donner à l'ouvrage pour qu'il puisse les évacuer "dans des conditions satisfaisantes" ?

Dans une situation idéale, il serait possible de répondre successivement à ces deux questions. Dans le monde réel, ces deux questions sont souvent liées et doivent être abordées conjointement. D'une part, parce que le choix des dimensions effectuées en un point peut conditionner les débits en un autre point et d'autre part parce que la définition de ce que sont des conditions satisfaisantes est complexe et dépend à la fois du débit et des dimensions.

Une conséquence importante du point précédent est que la détermination du débit nominal que devra être capable d'évacuer l'ouvrage, même s'il est souvent perçu comme l'élément principal par les ingénieurs, ne constitue que l'un des éléments du processus de conception des ouvrages. Sa définition sera même parfois ambigüe et il ne pourra de doute façon pas être fixé définitivement indépendamment des autres choix : dimension et forme de la section, pente du bief, nature et rugosité des matériaux, etc.

En conséquence, les différentes étapes présentées ci-dessous doivent être considérées comme des éléments d'un processus 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 les débits qui seraient produits dans de telles 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)).

C'est normalement par le choix d'un tel compromis que doit commencer l'étude.

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

Pour déterminer le risque acceptable de dysfonctionnement, 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 correctement ou dysfonctionne), associé à un critère simple (par exemple, pour une conduite fermée : fonctionnement correct 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 très critiquable, 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 a surtout été introduite par le guide "la ville et son assainissement" (CERTU, 2003). Elle a consisté à associer des niveaux de service différenciés aux différents niveaux de sollicitation pluvieuse, ceci pour les différentes fonctions que doit remplir 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).

Avec cette approche, le dimensionnement des ouvrages se complique car il doit se fonder sur plusieurs éléments de nature différente :

  • Pour l'ouvrage considéré, quel est l'objectif principal qui va guider le dimensionnement ? Le plus souvent, en ce qui concerne les ouvrages d'écoulement, se sera l'objectif de lutte contre les inondations locales, mais ce n'est pas obligatoirement le cas (c'est encore plus vrai pour les ouvrages de stockage).
  • Comment fixe-t-on les limites entre les différents niveaux de sollicitation pluvieuse ? Chocat et al (2022) propose d'utiliser les périodes de retour, mais on pourrait aussi utiliser d'autres critères.
  • Pour quelle limite (limite entre pluie moyenne et pluie forte ou limite entre pluie forte et pluie exceptionnelle) fixe-t-on la capacité de l'ouvrage ? Formulé autrement à partir de quel moment utilise-t-on le réseau majeur d'évacuation ?
  • Quel est le critère retenu pour caractériser le fonctionnement "normal" de l'ouvrage : débit correspondant au débit maximum à surface libre, niveau maximum de remplissage acceptable, charge maximum acceptable, etc.

Calcul d'un débit nominal : étape intermédiaire nécessaire

Cette dernière question est très importante. Elle conditionne en effet de façon très forte les méthodes utilisables. Par exemple, 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.

A l'inverse, les autres critères ne permettent pas de s'appuyer uniquement sur une valeur de débit nominal, le calcul du critère dépendant d'autres éléments (forme de la section, pente du tronçon, rugosité effective du matériaux, etc.).

Or les conditions climatiques a

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 :

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