Wikibardig:Evacuateurs de crues : Différence entre versions

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Evacuateurs de crues

La maîtrise des crues est un élément fondamental de la sécurité des barrages ; elle est en grande partie fonction du dimensionnement des évacuateurs de crues et de leur fonctionnement. L’évacuateur de crues est l’organe dans lequel est concentré le débit à évacuer à l’aval en cas de crue. On réduit ainsi l’étendue des zones à protéger vis-à-vis du pouvoir érosif de l’eau. Le sous-dimensionnement ou le dysfonctionnement des évacuateurs de crues constitue une des causes principales de rupture de barrages au niveau mondial : 1/3 des ruptures sont dues à un problème d’évacuateur.

Conséquence d’une surcote

La vitesse de l’eau qui déverse sur le parement aval est calculée à partir du coefficient de Strickler. Les conséquences d’une surcote sont très différentes en fonction du type de barrages considéré.

Une surverse de quelques centimètres pendant quelques heures suffit à provoquer une brèche sur un ouvrage en terre. L’érosion commence en pied aval avec une grande intensité. Si le barrage comporte un drain tapis mal protégé, les matériaux en seront rapidement arrachés ce qui accélère d’autant l’érosion du talus aval. La brèche peut alors s’agrandir jusqu’à rupture totale de l’ouvrage jusqu’au terrain naturel au pied du barrage. Si le matériau est compacté et a de bonnes caractéristiques mécaniques, il résiste mieux à l’érosion. L’enherbement du talus aval constitue également un facteur favorable s’il est régulier en retardant l’érosion ; un enherbement irrégulier concentre les écoulements entre les touffes d’herbe et conduit à des survitesses et peut donc être un facteur aggravant.

Exemple de dégradation du talus aval d’un barrage en remblai suite à une surverse

Dans le cas des barrages en enrochements, des hauteurs de déversement plus grandes sont nécessaires pour emporter les enrochements. Par contre, si ce type de barrage possède un noyau, on est ramené au cas des barrages en terre puisque le noyau va s’éroder en premier.

Le béton résistant à la surverse, si la fondation est assez résistante, les barrages en béton ne sont pas menacés tant qu’ils résistent à la poussée de l’eau. Par contre, si une crue provoque un niveau d’eau supérieur à la crue pour lequel il a été dimensionné, le barrage peut être emporté par glissement ou par renversement.

Différents types d’évacuateurs de crues

Les facteurs suivants interviennent dans le choix du type d’évacuateur :

• Les enjeux à l’aval ;

• Le coût de construction ;

• La qualité des prévisions de crues ;

• La sismicité de la zone ;

• Les conditions topographiques et géologiques ;

• Le type de barrage : il est possible d’incorporer des évacuateurs de crues aux barrages en béton et de restituer le flot déversant dans le lit principal. Pour les barrages en remblai, l’évacuateur de crues doit être séparé et la réorientation du flot déversant à l’aval pose parfois un problème difficile ;

• Les conditions d’exploitation ;

• La présence ou l’accès de l’exploitant sur le barrage ;

• La cinétique des crues.

On distingue deux types d’évacuateurs de crues en fonction de leur entonnement par rapport au niveau normal de la retenue : les évacuateurs de demi-fond ou de fond et les évacuateurs de surface.

Evacuateurs de fond

Les évacuateurs de crues de demi-fond ou de fond comportent une partie verticale en forme de puits qui se prolonge par une galerie ou une conduite qui passe sous l’ouvrage ou sous l’un de ses appuis et rejoint la vallée au pied du barrage. Ils fonctionnent en charge normalement sur tout ou partie de leur longueur. De manière générale, les pertuis de fond comprennent deux vannes : une vanne de garde et une vanne de contrôle du débit.

Exemple d’évacuateur de fond – Photo Irstea Aix-en-Provence

Pour les faibles déversements, le contrôle de l’écoulement est opéré par le seuil en surface : la loi de débit est une loi de seuil dénoyé en H^3/2 , H étant la charge sur l’évacuateur. Lorsque le débit à évacuer augmente, la galerie finit par s’écouler en charge et prend le contrôle de l’écoulement : la loi de débit croît alors en racine de H.

Évacuateurs de surface

Les évacuateurs de crues de surface sont les plus fréquents. Ils comportent 3 parties :

· A l’amont, un seuil déversant (ou déversoir) sur lequel s’établit l’écoulement torrentiel et qui contrôle le débit évacué ;

· Un ouvrage intermédiaire d’accompagnement à pente accentuée appelé coursier ou chenal qui entretient ou qui accélère l’écoulement torrentiel ;

· Un ouvrage terminal à partir duquel le flot évacué revient au lit naturel, le dissipateur d’énergie.

Le coursier et l’ouvrage terminal sont parfois inexistants ou partiellement réalisés dans le cas d’évacuateurs de surface porté par des barrages voûtes.

Deux types d’évacuateurs libres sont distingués : l’évacuateur de surface à entonnement frontal et l’évacuateur de surface à entonnement latéral. L’évacuateur à entonnement frontal a un seuil disposé face à la rivière : l’écoulement ne change pas de direction. Le déversoir commence à débiter lorsque la cote dans la retenue atteint le niveau normal des eaux. L’évacuateur est à entonnement latéral lorsque le seuil est disposé parallèlement à la rivière : l’écoulement change de direction à 90°. Lorsque le débit de crue est important, le seuil est en principe très long, ce qui conduit en général à choisir ce type d’évacuateur.

Exemple d’évacuateur à entonnement latéral – Les flèches indiquent le sens du flux – Photo Irstea Corinne Curt Exemple d’évacuateur à entonnement frontal – Photo Irstea Corinne Curt

L’évacuateur de surface conduit en général des écoulements à surface libre avec accélération continue depuis un seuil de contrôle placé près de son origine. Il présente de nombreux avantages : sa loi de débit est plus favorable, le risque d’obturation par des corps flottants est moindre (la présence de grilles ou autres barreaudages juste devant ces évacuateurs est fortement déconseillée), il ne rend pas nécessaire une présence permanente sur l’ouvrage et nécessite très peu d’entretien. Il a un débit proportionnel à la lame déversante (différence de cote entre le seuil et la retenue loin à l’amont) puissance 3/2. Les évacuateurs de surface à surface libre peuvent fonctionner en régime noyé au-delà d’un certain débit : leur loi de débit est alors fonction non seulement de la charge amont sur le seuil mais du niveau à l’aval du seuil. Elle est moins favorable que la loi en puissance 3/2.

Evacuateurs équipés de seuils mobiles

Certains évacuateurs de crues sont équipés de seuils mobiles : deux sont des organes métalliques manœuvrés par des vérins (clapets et vannes segment) et deux sont abaissés automatiquement du fait de la montée de l’eau (seuils souples ou boudins gonflables) et hausses fusibles Hydroplus.

Les clapets sont des bouchures rectangulaires qui pivotent autour d’un axe horizontal solidaire du radier. Ils sont manœuvrés par vérins soit par poussée si les vérins sont fixés au radier aval, soit par traction si les vérins sont fixés sur les deux piles.

(Cours ISBA 2012 Gérard Degoutte)

Déversoirs mobiles Clapets commandés par verins (Photo- Irstea - OHAX)

Une vanne segment est constituée par un segment de cylindre pivotant autour d’un axe horizontal situé le plus souvent à l’aval de la vanne. Ce sont des ouvrages levants qui libèrent l’eau provenant du fond de la retenue c'est-à-dire celle qui est la plus chargée en sédiments.

Vanne segment (Photo- Irstea)

Le seuil souple gonflant est constitué d’une membrane souple en produit élastomère armé, fixée sur un radier en béton et gonflée soit à l’air soit à l’eau. Lorsque le niveau amont s’élève, la membrane s’affaisse progressivement et automatiquement. Le regonflage est automatisé ou manuel.

(Cours ISBA 2012 Gérard Degoutte)

Schéma seuil gonflable

Seuil gonflable (Photo -Irstea)

Les hausses fusibles Hydroplus sont placées côte à côte sur une assise plane. Elles résistent à la poussée de l’eau tant que les débits à évacuer sont modérés. Au-delà d’un certain seuil de débit, que l’on choisit, une première hausse bascule ; si le débit continue à croître, une seconde bascule et ainsi de suite. Le basculement d’une hausse a lieu quand l’eau de la retenue atteint un puits lié à la hausse qui communique la pression de l’eau sous la hausse et la déstabilise. Les puits sont calés à des cotes différentes permettant un fonctionnement progressif.

(Cours ISBA 2012 Gérard Degoutte)

Hausse Hydroplus

Exemple d’évacuateur équipé de hausses fusibles Hydroplus - Photo Irstea Corinne Curt

Dimensionnement des évacuateurs de crues

Hydrologie

Les crues sont résumées par un certain nombre de variables dont les principales sont :

• le débit de pointe Qmax (en m3 /s) : valeur maximale du débit entrant dans une retenue pendant la durée de la crue ;

• le volume de la crue (en hm3 ou millions de m3 ) : volume d’eau entrant dans une retenue pendant un épisode de crue. Le début et la fin de l’épisode n’étant pas toujours aisés à positionner (succession rapprochée d’épisodes de crue), on pourra donner par ailleurs le débit moyen maximal de la crue Vd, pour différentes durées d ;

• le temps de base de la crue (en h) : durée de la crue ou durée pendant laquelle le débit entrant dans la retenue est supérieur à une valeur donnée, en général la valeur du « débit de base » (qui peut être différent en début et en fin de crue). On peut aussi définir le temps de base comme, par exemple, la base du triangle de même débit de pointe et de même volume que la crue réelle.

Il n'y a pas ambiguïté sur la définition du débit de pointe, mais le volume et le temps de base peuvent être estimés différemment par deux hydrologues suivant la méthodologie d'étude qui leur est propre, surtout en cas de crue complexe.

Les variables principales sont indispensables pour la sécurité du barrage car elles affectent principalement le niveau maximum de la retenue. Des variables secondaires ont en général un effet beaucoup moins important sur le niveau maximum de la retenue mais elles peuvent permettre de caractériser des facteurs aggravants liés à un fonctionnement spécifique en crue. Il s’agit du débit de base avant et après la crue, du débit moyen maximal et du débit seuil maximal, des pluies journalières, des pluies moyennes maximales sur une durée d, de l’hydrogramme de pointe.

Cotes et revanche

La cote de retenue normale (RN) est la cote maximale que la retenue peut atteindre en exploitation normale, hors épisode de crue.

La cote des plus hautes eaux (PHE) est dans la pratique française, la cote atteinte par la retenue dans l’hypothèse de l’arrivée d’une crue de dimensionnement de période de retour choisie. A cette cote, le calcul de stabilité de l’ouvrage doit faire apparaître des coefficients de sécurité suffisants et le passage des crues doit s’effectuer sans endommagement de l’ouvrage et de l’ensemble des organes hydrauliques (évacuateur de crues, coursiers, dissipateurs d’énergie…). La famille de crues de projet est constituée par les crues qui provoquent un remplissage jusqu’à la cote PHE et ne provoque aucun désordre. Il s’agit par exemple d’une crue courte à débit de pointe très élevée (relativement bien laminée par la retenue) ou d’une crue longue présentant un débit de pointe durablement élevé (laminage réduit), crues à pointes multiples (laminage de la première pointe mais pas des suivantes).

La cote de danger est la cote au-delà de laquelle la stabilité de l’ouvrage n’est plus garantie ; la probabilité de rupture dès le dépassement de la cote de danger peut être significative mais sans être égale à 1. La détermination directe de cette cote pose d’importantes difficultés et des règles forfaitaires doivent être abordées. La probabilité annuelle de dépassement acceptable associée à la cote de danger de rupture dépend des classes d’ouvrages et des enjeux.

La revanche est la différence entre la retenue et la crête de l’ouvrage. Elle est dimensionnée à partir de critères sur la hauteur des vagues tant par rapport à la RN que par rapport aux PHE.

Le tirant d’air est la hauteur entre la surface libre d’un plan d’eau ou d’un écoulement et un obstacle situé au-dessus. Il permet d’apprécier le risque de coincement de corps flottants (la largeur des passes est tout aussi importante).

Capacité de l’évacuateur

L’écoulement sur le seuil est dit dénoyé tant que l’écoulement aval n’influence pas l’écoulement au droit du seuil : il subsiste à l’aval du seuil une portion d’écoulement torrentiel. Lorsque le débit est suffisant pour que l’écoulement aval influence l’écoulement au droit du seuil, le seuil devient noyé. L’écoulement reste fluvial tout au long de l’ouvrage même si une accélération se produit juste après le passage de la crête qui se traduit par un abaissement de la ligne d’eau. La cote de l’eau à l’amont du seuil est alors supérieure à ce qu’elle serait si les conditions aval avaient permis un fonctionnement dénoyé. Des lois de débit différentes sont à considérer dans chacun de ces 2 cas.

Les seuils labyrinthe et en touches de piano permettent d’améliorer la débitance pour une emprise donnée soit pour les premiers, en augmentant la longueur (labyrinthe), soit, pour les seconds, parce qu’ils comportent deux nappes déversantes (touches de piano), l’une sous forme d’un jet du fond qui s’écoule le long du radier incliné de l’alvéole aval, l’autre superficielle qui favorise l’aération du déversoir grâce aux porte-à-faux.

(Cours ISBA 2012 Gérard Degoutte)

Mais il faudra vérifier si on peut les utiliser

Laminage d’une crue

Le laminage d’une crue est son amortissement grâce au stockage temporaire d’une partie de son volume dans le réservoir. Le calcul tient compte de :

• la surface du plan d’eau de la retenue en fonction de la cote de l’eau ;

• de l’évolution au cours du temps de la cote d’eau dans la retenue ;

• de la longueur et du coefficient de débit du seuil de l’évacuateur de crues ;

• la hauteur déversante sur le seuil de l’évacuateur calculée par la différence entre la cote de l’eau dans la retenue et la cote du seuil déversant de l’évacuateur.

Dissipateur d’énergie

A l’extrémité du coursier de l’évacuateur, un dissipateur d’énergie a pour objet d’éviter une érosion trop forte de la zone de réception de l’écoulement. Le bassin de ressaut permet de dissiper l’énergie de l’eau dans l’eau et le saut de ski, dans l’air. Le dimensionnement du bassin de ressaut cherche à déterminer la profondeur et estimer la longueur de ressaut à l’aval de la chute. Par ailleurs, si le bassin est construit en béton, des barbacanes, débouchant dans un matériau drainant non susceptible d’être pollué par des entraînements de fines issues des terrains de fondation, doivent être prévues afin d’éviter le soulèvement du bassin sous l’effet de sous-pressions. Un saut de ski comporte en fin du coursier un bec arrondi dirigeant l’eau vers le haut avec un angle de 35 à 45°.